CN114296400A - 一种用于激光切割高速插补的自适应前瞻处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光切割数控加工技术领域，涉及了一种用于激光切割高速插补的自适应前瞻处理方法，S1、依次读取两条相邻小线段数据信息，计算两条小线段的待插补交点，并采用Bezier曲线进行过渡拟合；S2、根据S1得到的Bezier曲线，计算拐点的速度以及加速度限制；S3、根据S2中得到的速度以及加速度限制，采用柔性速度规划方法，对前面拐点的速度限制进行反向约束；S4、根据当前的运行速度以及速度限制计算最小前瞻距离，自适应计算最小前瞻长度。本发明适用于多轴高速运动系统。本发明所述的自适应前瞻处理方法，可以在高速运动过程中保证刀轨和进给速度的平滑性，同时减少对系统内存的占用，提高系统的运行效率。

Description

一种用于激光切割高速插补的自适应前瞻处理方法

技术领域

本发明属于激光切割数控加工技术领域，尤其涉及了一种用于激光切割高速插补的自适应前瞻处理方法。

背景技术

随着科技进步，激光切割数控加工技术领域发展迅速。相比于传统的接触式切割，激光切割具有较高的加工速度，在进行连续小线段插补时，机器会频繁的进行加减速操作，不仅极大的影响了加工的效率，甚至会引起机器震动从而减少机器的使用寿命。

国家知识产权局于2018年8月21日公开了申请号为CN201610860966.1 的一种基于Bezier样条的机器人实时拐角过渡方法，具体公开有以下步骤：记录关节空间起始点,过渡点的坐标，笛卡尔空间目标点，过渡点的坐标，笛卡尔空间的过渡半径R及最大误差约束；计算笛卡尔空间过渡曲线起点和终点的坐标和关节空间过渡曲线起点的坐标；计算笛卡尔空间过渡曲线起点和终点速度方向单位矢量；计算笛卡尔卡尔空间过渡曲线中间控制点的坐标，并求解Bezier样条曲线的构造函数；最后进行速度规划和插补。通过本发明，同时实现了在点到点运动指令和线性运动运动指令之间过渡时过渡半径和最大过渡误差约束，高效率，高质量的完成点到点指令到线性运动指令之间的拐角过渡；

国家知识产权局于2018年8月21日公开了申请号CN201910994202.5一种基于机床振动抑制的刀具轨迹插值和速度规划方法具体公开有以下步骤：步骤 1，将G01轨迹点读入数控系统内存之中；步骤2，针对步骤1获得的G01轨迹段，设计满足弦误差约束的G4连续插值轨迹；步骤3，针对步骤2获得的光滑化轨迹，设计了两种已知条件下加加速度光滑、时间最优的速度曲线计算方法，并给出了各运动轴动态性能约束下的速度规划方法。本发明生成的轨迹严格满足弦误差约束且通过G01点，相比G2拐角过渡轨迹和G3插值轨迹，能进一步降低拐角处的曲率极值，减轻拐角处的速度波动，有助于降低机床的冲击。设计的速度规划方法，能保证加工效率并提升机床振动抑制的水平，为高速高精加工的数控系统插补器开发提供了重要手段，上述两个方法均无法保证刀轨和进给速度的平滑性。

本发明为保证运动过程中系统的高效、平滑运动，提出一种用于激光切割高速插补的自适应前瞻处理方法。

发明内容

为了解决相比于传统的接触式切割，激光切割具有较高的加工速度，在进行连续小线段插补时，机器会频繁的进行加减速操作，不仅极大的影响了加工的效率，甚至会引起机器震动从而减少机器的使用寿命的技术问题，进而本发明提供了一种用于激光切割高速插补的自适应前瞻处理方法，可以降低高速插补过程中的频繁加减速问题，在提高激光切割效率的同时，保证刀轨和进给速度的平滑性。同时，自适应前瞻算法可以降低系统的内存占用，动态调整前瞻段数，提高系统的运行效率。

一种用于激光切割高速插补的自适应前瞻处理方法，具体步骤如下，

S1、依次读取两条相邻小线段数据信息，计算两条小线段的待插补交点，并采用Bezier曲线进行过渡拟合；

S2、根据S1得到的Bezier曲线，计算拐点的速度以及加速度限制；

S3、根据S2中得到的速度以及加速度限制，采用柔性速度规划方法，对前面拐点的速度限制进行反向约束；

S4、根据当前的运行速度以及速度限制计算最小前瞻距离，自适应计算最小前瞻长度。

进一步：所述S1中待插补交点计算方法如下，

S1.1、曲线类型判断，是否存在圆弧段；

S1.2、若不存在圆弧段，则直接采用两直线段相交，计算两条小线段的待插补交点，若存在圆弧段，则通过对圆弧段做切线，转换为两条直线段相交的形式，计算两条小线段的待插补交点。

进一步：所述S2中拐点的速度以及加速度限制计算方法如下，

S2.1、利用曲线曲率计算拐点的速度限制，计算Bezier曲线上的曲率，通过牛顿分割法获取Bezier曲线上的曲率极值点从而计算拐点速度限制；

S2.2、利用弓高误差计算拐点的速度限制；

S2.3、利用单轴电机属性计算拐点的速度、加速度以及加加速度限制；

S2.4、根据S2.1、S2.2、S2.3计算拐点的速度以及加速度限制。

进一步：所述S3中柔性速度规划方法具体为，

S3.1、构造柔性加减速函数模型；

S3.2、根据柔性速度规划方法反向计算相邻拐点速度；

S3.3、对S3.2中反向计算结果表明加减速距离进行判断；

S3.4、停止反向计算。

进一步：所述S3.3反向计算结果表明加减速距离足够，则不改变上一拐点的速度约束，若反向计算结果表明加减速距离不够，则用反向计算出的速度取代为新的拐点速度，并继续反向计算，直到满足加减速距离足够。

进一步：所述S4中计算最小前瞻距离方法具体为，

S4.1、根据当前的运行速度以及速度限制计算最小前瞻距离；

S4.2、计算已经前瞻的Bezier曲线段长度；

S4.3、若已经前瞻的距离达到最小前瞻距离，则结束前瞻计算，若未达到最小前瞻距离，则重复S1到S4。

本发明的优点在于：

本发明的有益效果在于提出了一种用于激光切割高速插补的自适应前瞻处理方法，适用于多轴高速运动系统。本发明所述的自适应前瞻处理方法，可以在高速运动过程中保证刀轨和进给速度的平滑性，同时减少对系统内存的占用，提高系统的运行效率。

附图说明

图1为本发明一种用于激光切割高速插补的自适应前瞻处理方法的流程框图；

图2为本发明一种用于激光切割高速插补的自适应前瞻处理方法的整体曲线拟合示意图；

图3为本发明一种用于激光切割高速插补的自适应前瞻处理方法的拐角过渡拟合示意图；

图4为本发明一种用于激光切割高速插补的自适应前瞻处理方法的添加前瞻功能前后速度规划曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，本发明中提及的各安装方式及各技术术语，都是所属技术领域中早已明确知晓的技术用语，故不再做过多解释。此外，对于相同的部件采用了相同的附图标记，但这并不影响也不应构成本领域技术人员对技术方案的准确理解。

实施例结合图1-4进行说明：

本发明提出一种用于激光切割高速插补的自适应前瞻处理方法。具体的实现步骤如下：

S1、依次读取两条相邻小线段数据信息，判断两条小线段的曲线类型，计算两条小线段的待插补交点，并采用Bezier曲线进行过渡拟合。

依次读取两段从CAD中转换的小线段数据信息，分为圆弧-直线、直线-直线、圆弧-圆弧三种类型。

若不存在圆弧段，则直接采用两直线段相交，计算两条小线段的待插补交点，若存在圆弧段，则通过对圆弧段做切线，转换为两条直线段相交的形式，计算两条小线段的待插补交点。

步骤1.2、采用Bezier曲线进行过渡拟合，具体公式如下：

其式1中：

为控制顶点，P(t)为Bezier曲线的参数方程，

为n次Bezier曲线的基函数，t为Bezier曲线的参数方程中的参数。

S2、根据S1得到的Bezier曲线，结合曲线曲率、弓高误差以及单轴电机属性计算拐点的速度以及加速度限制。

利用曲线曲率计算拐点的速度限制。

计算Bezier曲线上的曲率，具体公式如下：

其式2中：x′_i为参数方程中x对t的一阶导数；y′_i为参数方程中y对t的一阶导数；z′_i为参数方程中z对t的一阶导数；x″_i为参数方程中x对t的二阶导数； y″_i为参数方程中y对t的二阶导数；z″_i为参数方程中z对t的二阶导数。

通过牛顿分割法获取Bezier曲线上的曲率极值点从而计算拐点速度限制，具体公式如下：

其式3中，

为曲率极值点的法向加速度约束。

利用弓高误差计算拐点的速度限制，具体公式如下：

其式4中，ε_lim为加工允许的最大弓高误差，Bezier曲线上点的曲率半径； T为；R_cur为当前点的曲率半径；。

利用单轴电机属性计算拐点的速度、加速度以及加加速度限制。

单轴最大速度计算拐点的速度限制，具体公式如下：

其式5中，V_xlim、V_ylim、V_zlim分别是单轴电机属性限制的最大速度，tanθ_x、 tanθ_y、tanθ_z分别为曲线在每个轴上的映射。

单轴最大速度计算拐点的加速度限制，具体公式如下：

其式6中，A_xlim、A_ylim、A_zlim分别是单轴电机属性限制的最大速度，tanθ_x、 tanθ_y、tanθ_z分别为曲线在每个轴上的映射。

根据曲线曲率、弓高误差以及单轴电机属性计算拐点的速度以及加速度限制，具体公式如下：

V_lim＝min{V_cur，V_ch，V_tan} 式7；

A_lim＝A_tan。

S3、根据S2中得到的速度以及加速度限制，采用柔性速度规划方法，对前面拐点的速度限制进行反向约束。

根据S2中得到的速度、加速度以及加加速度限制，采用柔性速度规划方法，对前面拐点的速度限制进行反向约束。

构造柔性加减速函数模型。

构造加速阶段函数模型，具体公式如下：

构造减速阶段函数模型，具体公式如下：

其中，f_u(x)为构造函数，具体公式如下：

其式10中，a为计算常数，由系统允许误差确定；e为自然对数的底数。

根据柔性速度规划方法反向计算相邻拐点速度。

若反向计算结果表明加减速距离足够，则不改变上一拐点的速度约束，并停止反向计算。

若反向计算结果表明加减速距离不够，则用反向计算出的速度取代为新的拐点速度，并继续反向计算，直到满足加减速距离足够则停止反向计算。

S4、根据当前的运行速度以及速度限制计算最小前瞻距离，自适应计算最小前瞻长度。

为了满足速度变化的最大限制，根据当前的运行速度以及速度限制计算最小前瞻距离，具体公式如下：

S_total＝S_max+S_now 式11；

S_max＝v_maxα_at_amax 式12；

S_now＝v_nowα_at_anow 式14；

计算已经前瞻的Bezier曲线段长度，具体公式如下：

若已经前瞻的距离达到最小前瞻距离，则结束前瞻计算，若未达到最小前瞻距离，则重复S1到S4。

综上所述，本发明适用于多轴高速运动系统。本发明所述的自适应前瞻处理方法，可以在高速运动过程中保证刀轨和进给速度的平滑性，同时减少对系统内存的占用，提高系统的运行效率。

对于本领域技术人员而言，本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明；因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于激光切割高速插补的自适应前瞻处理方法，其特征在于，具体步骤如下，

S1、依次读取两条相邻小线段数据信息，计算两条小线段的待插补交点，并采用Bezier曲线进行过渡拟合；

S2、根据S1得到的Bezier曲线，计算拐点的速度以及加速度限制；

S3、根据S2中得到的速度以及加速度限制，采用柔性速度规划方法，对前面拐点的速度限制进行反向约束；

S4、根据当前的运行速度以及速度限制计算最小前瞻距离，自适应计算最小前瞻长度。

2.根据权利要求1所述的一种用于激光切割高速插补的自适应前瞻处理方法，其特征在于：所述S1中待插补交点计算方法如下，

S1.1、曲线类型判断，是否存在圆弧段；

S1.2、若不存在圆弧段，则直接采用两直线段相交，计算两条小线段的待插补交点，若存在圆弧段，则通过对圆弧段做切线，转换为两条直线段相交的形式，计算两条小线段的待插补交点。

3.根据权利要求1所述的一种用于激光切割高速插补的自适应前瞻处理方法，其特征在于：所述S2中拐点的速度以及加速度限制计算方法如下，

S2.1、利用曲线曲率计算拐点的速度限制，计算Bezier曲线上的曲率，通过牛顿分割法获取Bezier曲线上的曲率极值点从而计算拐点速度限制；

S2.2、利用弓高误差计算拐点的速度限制；

S2.3、利用单轴电机属性计算拐点的速度、加速度以及加加速度限制；

S2.4、根据S2.1、S2.2、S2.3计算拐点的速度以及加速度限制。

4.根据权利要求1所述的一种用于激光切割高速插补的自适应前瞻处理方法，其特征在于：所述S3中柔性速度规划方法具体为，

S3.1、构造柔性加减速函数模型；

S3.2、根据柔性速度规划方法反向计算相邻拐点速度；

S3.3、对S3.2中反向计算结果表明加减速距离进行判断；

S3.4、停止反向计算。

5.根据权利要求4所述的一种用于激光切割高速插补的自适应前瞻处理方法，其特征在于：所述S3.3反向计算结果表明加减速距离足够，则不改变上一拐点的速度约束，若反向计算结果表明加减速距离不够，则用反向计算出的速度取代为新的拐点速度，并继续反向计算，直到满足加减速距离足够。

6.根据权利要求1所述的一种用于激光切割高速插补的自适应前瞻处理方法，其特征在于：所述S4中计算最小前瞻距离方法具体为，

S4.1、根据当前的运行速度以及速度限制计算最小前瞻距离；

S4.2、计算已经前瞻的Bezier曲线段长度；

S4.3、若已经前瞻的距离达到最小前瞻距离，则结束前瞻计算，若未达到最小前瞻距离，则重复S1到S4。

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