CN114609977B - 速度规划方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种速度规划方法、装置、设备及存储介质，其中速度规划方法包括步骤：根据预设加工轨迹，生成拐角处的多个线段；设置各运动轴的最大速度和最大加速度；在每一线段与下一线段的衔接处，计算在各运动轴的最大速度和最大加速度限制下的最大衔接速度。本发明可在微小线段衔接处计算出合理的衔接速度，使整个运动过程流畅平滑，且极大减少机械震动给数控系统带来的损耗。

Description

速度规划方法、装置、设备及存储介质
技术领域
本发明涉及数控系统的运动处理技术领域，特别涉及一种速度规划方法、装置、设备及存储介质。
背景技术
在进行平板切割时，数控系统在加工路径的拐角处存在切割方向上的变化，且数控系统一般将拐角处的衔接速度定为零，以保证切割顺利进行。但是，这样会严重影响切割效率，并且在厚板切割时会有严重挂渣，影响工件质量。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本申请提供一种速度规划方法、装置、设备及存储介质，可以在加工路径的拐角处提供合理的衔接速度，保证加工精度并提高加工效率。
本实施例采取了以下技术方案：
一种速度规划方法，包括步骤：
根据预设加工轨迹，生成拐角处的多个线段；
设置各运动轴的最大速度和最大加速度；
在每一线段与下一线段的衔接处，计算在各运动轴的最大速度和最大加速度限制下的最大衔接速度。
进一步的，在所述速度规划方法中，还包括步骤：
判断当前线段是否存在相邻线段；
若是，则在当前线段与下一线段的衔接处，计算在各运动轴的最大速度和最大加速度限制下的最大衔接速度；
若否，则将当前线段的衔接速度设为0或其它预设值。
进一步的，在所述速度规划方法中，所述在每一线段与下一线段的衔接处，计算在各运动轴的最大速度和最大加速度限制下的最大衔接速度的步骤包括：
判断下一线段的长度是否大于或等于各运动轴在一个插补周期内移动的距离；
若是，则衔接处各运动轴的衔接速度为：
其中，Amax,τ为各运动轴的最大加速度，T为插补周期，Li为第i段线段的长度，Δτi为各运动轴的运动增量。
进一步的，在所述速度规划方法中，所述在每一线段与下一线段的衔接处，计算在各运动轴的最大速度和最大加速度限制下的最大衔接速度的步骤还包括：
判断下一线段的长度是否大于等于各运动轴在一个插补周期内移动的距离；
若否，则衔接处各运动轴的衔接速度为：
其中，Amax,τ为各运动轴的最大加速度，Li为第i段线段的长度，Δτi为各运动轴的运动增量。
进一步的，在所述速度规划方法中，所述在每一线段与下一线段的衔接处，计算在各运动轴的最大速度和最大加速度限制下的最大衔接速度的步骤还包括：
判断V″i是否小于或等于V′i；
若是，则最大衔接速度为V″i；
若否，则最大衔接速度为V′i。
进一步的，在所述速度规划方法中，所述在每一线段与下一线段的衔接处，计算在各运动轴的最大速度和最大加速度限制下的最大衔接速度的步骤包括：
确保各运动轴在每一线段中，分配到各运动轴的速度不超过各运动轴的最大速度，即衔接点处各运动轴的最大分配速度为：
其中，Vmax,τ为各运动轴的最大速度，Li为第i段线段的长度，Δτi为各运动轴的运动增量。
进一步的，在所述速度规划方法中，所述在每一线段与下一线段的衔接处，计算在各运动轴的最大速度和最大加速度限制下的最大衔接速度的步骤包括：
判断最大衔接速度是否大于最大分配速度；
若是，则最大衔接速度为最大分配速度；
若否，则最大衔接速度不变。
一种速度规划装置，包括：
线段生成模块，用于根据预设加工轨迹，生成拐角处的多个线段；
设置模块，用于设置各运动轴的最大速度和最大加速度；
计算模块，用于在每一线段与下一线段的衔接处，计算在各运动轴的最大速度和最大加速度限制下的最大衔接速度。
一种加工设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如以上任意一项所述的速度规划方法。
一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令设置为执行如以上任意一项所述的速度规划方法。
相较于现有技术，本发明提供的一种速度规划方法、装置、设备及存储介质，可以计算得出微小线段衔接处的合理的衔接速度，使整个运动过程流畅平滑，且极大减少机械震动给数控系统带来的损耗。
附图说明
图1为本申请提供的速度规划方法的流程图。
图2为本申请提供的速度规划方法中具体实施例的流程示意图。
图3为本申请提供的速度规划装置的结构框图。
图4为本申请提供的加工设备的结构框图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本申请进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
在数控加工领域的复杂轮廓零/部件加工应用场景中，具有复杂型面工件的加工一般都是先通过CAM等软件把曲面曲线打断成大量的微小线段，再通过运动控制系统以直线插补或圆弧插补的方式完成复杂型面工件加工。
由于复杂型面被打断成大量的微小线段，要实现复杂型面工件的高速度高精度加工，微小线段速度控制具有重大意义。它不仅直接影响工件的加工质量，加工效率，还影响加工设备的寿命。因为如果每一段微小线段的进给速度都从零开始加速然后再减速到零，将极大地降低平均进给速度，从而导致加工效率低下。另外，频繁的加减速也会降低加工工件的表面质量，加大电机负荷，降低电机寿命。
请参阅图1，本申请提供的速度规划方法包括步骤：
S100、根据预设加工轨迹，生成拐角处的多个线段；
S300、设置各运动轴的最大速度和最大加速度；
S500、在每一线段与下一线段的衔接处，计算在各运动轴的最大速度和最大加速度限制下的最大衔接速度。
其中，拐角处的多个线段即为通过CAM等软件生成的大量微小线段，本申请中速度规划方法的目的是保证微小线段之间的加工速度高速、平滑衔接，以提高数控系统的加工效率和零件加工精度。同时，在计算微小线段衔接处的衔接速度时，确保各运动轴的移动过程不超过各运动轴的最大速度和最大加速度限制，使整个运动过程流畅平滑，且极大减少机械震动给数控系统带来的损耗。
在一些实施例中，速度规划方法还包括步骤：
S400、判断当前线段是否存在相邻线段；
S410、若是，则执行步骤S500；
S420、若否，则将当前线段的衔接速度设为0或其它预设值。
当数控系统执行加工路径的最后一条微小线段后，此时无需考虑与下一微小线段的衔接问题，因此可直接将最后一条微小线段的衔接速度设为0或其它预设值，以便完成加工或执行下一加工路径。
在一些实施例中，步骤S500包括：
S510、确保各运动轴在每一线段中，分配到各运动轴的速度不超过各运动轴的最大速度，即衔接点处各运动轴的最大分配速度为：
其中，Vmax,τ为各运动轴的最大速度，Li为第i段线段的长度，Δτi为各运动轴的运动增量。
步骤S510还包括：
S511、判断计算得出的最大衔接速度是否大于最大分配速度；
S512、若是，则最大衔接速度为最大分配速度；
S513、若否，则最大衔接速度不变。
具体推导时，记第i段微小直线长度为Li，每个运动轴的增量为Δτi，最大分配速度为Vmax,i,每个运动轴的最大速度为Vmax,τ,其中τ＝x,y,z。首先求解Vmax,i：
容易得
因为机床性能的限制，各运动轴运动的时候不能超过其最大速度限制，否则会造成震动，带来较大的轮廓误差。即Vi,τ≤Vmax,τ，
等价于
得出
由于相邻两段合成速度的方向要发生改变，大小也可能发生改变，因而各运动轴的速度大小甚至方向将随之产生突变。为保证轨迹精度并且避免机床产生冲击，在拐角转接处各运动轴的速度变化率不能超过该运动轴的伺服驱动能力。在一些实施例中，步骤S500还包括：
S520、判断下一线段的长度是否大于或等于各运动轴在一个插补周期内移动的距离；
S530、若是，则衔接处各运动轴的衔接速度为：
其中，Amax,τ为各运动轴的最大加速度，T为插补周期，Li为第i段线段的长度，Δτi为各运动轴的运动增量。
推导过程中，设第i段线段与第i+1段线段的衔接点出Pi的合成进给速度大小为Vi，各坐标轴在第i段的终点处(体现为最后一个插补周期)进给速度为Vτi,e,在第i+1段的起点处(体现为第一个插补周期)进给速度记为Vτi+1,s，Amax,τ为各坐标轴所允许的最大加速度，T为数控系统的插补周期。
当下一段微小线段的长度大于或者等于一个插补周期所走的距离时，相邻两插补周期的各坐标轴速度变化必须满足：
|Vτi+1,s-Vτi,e|≤Amax,τ·T (3)
由于联动轴的速度满足速度分配率，可得线段Li的转接点Pi的合成速度为Vi为：
同时，由于CAM生成的轨迹经常有一些很短的线段，而线段的长度可能小于一个插补周期内所走的距离。为此，需要解决当线段小于一个插补周期内所走的距离时对衔接速度约束的情况。在一些实施例中，步骤S500还包括：
S520、判断下一线段的长度是否大于等于各运动轴在一个插补周期内移动的距离；
S540、若否，则衔接处各运动轴的衔接速度为：
其中，Amax,τ为各运动轴的最大加速度，Li为第i段线段的长度，Δτi为各运动轴的运动增量。
推导过程中，当线段小于一个插补周期内所走的距离时，设下一微小线段所走时间ti+1为：
由相邻两周期内的各坐标轴速度变化满足(3)，有
即
则该段线转接处Pi的进给速度为：
同时，步骤540还包括：
S541、判断V″i是否小于或等于V′i；
S542、若是，则最大衔接速度为V″i；
S543、若否，则最大衔接速度为V′i。
结合步骤S510，各运动轴在衔接处的进给速度，不能超过各运动轴在该线段分配的最大速度，因此最终可得在衔接点的最大衔接速度为：
Vi＝min{V′i,V″i,Vmax,i}。
并且，请参阅图1和图2，本申请提供两个实施例，以具体说明在每一线段与下一线段的衔接处，计算在各运动轴的最大速度和最大加速度限制下的最大衔接速度的步骤。
根据机床性能，设置X运动轴和Y运动轴的最大速度为100m/min，最大加速度为10m/s2，换算单位后对应的单轴最大速度为1667um/ms，最大加速度为10um/ms2。Z运动轴的最大速度为60m/min，最大加速度为6m/s2，换算单位后对应的单轴最大速度为1000um/ms，最大加速度为6um/ms2。并且，机床的加工周期，即插补周期为1ms。
实施例一
直线线段L1的起点坐标为(100，50，10)，终点坐标为(120，150，20)；直线线段L2以及起点坐标为(120，150，20)，终点坐标为(80，70，40)。以上坐标单位均为微米。
Δτ1＝(120–100，150-50，20-10)＝(20，100，10)
Δτ2＝(80–120，70-150，40-20)＝(-40，-80，20)
由可计算出：
由可计算出：
由可计算出：
V′1＝min{15.8324,5.4090,49.7397}＝5.4090um/ms
因为L2大于V′1·T，故而无需计算V″1，衔接点的速度为：
V1＝min{V′1,Vmax,1}＝min{5.4090,1708.166565}＝5.4090um/ms。
实施例二
直线线段L1的起点坐标为(100，50，10)，终点坐标为(120，150，20)；直线线段L2以及起点坐标为(120，150，20)，终点坐标为(120,148,20)。以上坐标单位均为微米。
Δτ1＝(120–100,150-50,20-10＝(20,100,10)
Δτ2＝(120–120,148-150,20-20＝(0,-2,0)
由可计算出：
由可计算出：
由可计算出：
V′1＝min{15.8324,5.4090,49.7397}＝5.0610um/ms
因为L2小于V′1·T，故而需计算V″1，转接点的速度为：
V″1＝min{10.1227，3.1815，11.0889}＝3.1815um/ms
衔接点的速度为：
V1＝min{V′1,V″1,Vmax,1}＝min{5.0610,3.1815,1708.166565}＝3.1815um/ms。
计算出衔接点的速度后，对于数控系统，在拐角加工时的切割效果有明显提升，在能够快速过渡拐角的情况下保证了切割精度。整个运动过程流畅平滑，极大减少了由机械震动带来的损耗。
此外，请参阅图3，本申请还提供了一种速度规划装置，包括：
线段生成模块10，用于根据预设加工轨迹，生成拐角处的多个线段；
设置模块20，用于设置各运动轴的最大速度和最大加速度；
计算模块30，用于在每一线段与下一线段的衔接处，计算在各运动轴的最大速度和最大加速度限制下的最大衔接速度。
计算模块30具体可用于执行上述步骤S500，并得出在衔接点的最大衔接速度为：
Vi＝min{V′i,V″i,Vmax,i}。
本申请还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令设置为执行上述实施例中的速度规划方法。
请参阅图4，本申请还提供了一种加工设备，包括：至少一个中央处理器A1(processor)，图4中以一个中央处理器A1为例；存储器A2(memory)；还可以包括显示屏A3、通信接口(Communications Interface)和总线。其中，中央处理器A1、存储器A2、显示屏A3和通信接口可以通过总线完成相互间的通信；显示屏A3设置为显示初始设置模式中预设的用户操作界面，同时显示屏A3还可显示工艺控制窗口；通信接口可以传输信息；中央处理器A1可以调用存储器A2中的逻辑指令，以执行上述实施例中的方法。
中央处理器A1可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，该处理器A1还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。
此外，上述的存储器A2中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的工件销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
存储器A2作为一种计算机可读存储介质，可设置为存储软件程序、计算机可执行程序，如本申请实施例中的方法对应的程序指令或模块。中央处理器A1通过运行存储在存储器A2中的软件程序、指令或模块，从而执行功能应用以及数据处理，即实现上述实施例中的方法。
存储器A2可包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据终端设备的使用所创建的数据等。此外，存储器A2可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器。
上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以是非暂态存储介质，包括U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(RandomAccess Memory，RAM)、磁盘或光盘等等多种可以存储程序代码的介质，也可以是暂态存储介质。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本申请的技术方案及其申请构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本申请所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种速度规划方法，其特征在于，包括步骤：
根据预设加工轨迹，生成拐角处的多个线段；
设置各运动轴的最大速度和最大加速度；
在每一线段与下一线段的衔接处，计算在各运动轴的最大速度和最大加速度限制下的最大衔接速度；
所述在每一线段与下一线段的衔接处，计算在各运动轴的最大速度和最大加速度限制下的最大衔接速度的步骤包括：
判断下一线段的长度是否大于或等于各运动轴在一个插补周期内移动的距离；
若是，则衔接处各运动轴的衔接速度为：
其中，Amax,τ为各运动轴的最大加速度，T为插补周期，Li为第i段线段的长度，τ＝x,y,z，Δτi为各运动轴的运动增量。
2.根据权利要求1所述的速度规划方法，其特征在于，还包括步骤：
判断当前线段是否存在相邻线段；
若是，则在当前线段与下一线段的衔接处，计算在各运动轴的最大速度和最大加速度限制下的最大衔接速度；
若否，则将当前线段的衔接速度设为0或其它预设值。
3.根据权利要求2所述的速度规划方法，其特征在于，所述在每一线段与下一线段的衔接处，计算在各运动轴的最大速度和最大加速度限制下的最大衔接速度的步骤还包括：
判断下一线段的长度是否大于等于各运动轴在一个插补周期内移动的距离；
若否，则衔接处各运动轴的衔接速度为：
其中，Amax,τ为各运动轴的最大加速度，Li为第i段线段的长度，τ＝x,y,z，Δτi为各运动轴的运动增量。
4.根据权利要求3所述的速度规划方法，其特征在于，所述在每一线段与下一线段的衔接处，计算在各运动轴的最大速度和最大加速度限制下的最大衔接速度的步骤还包括：
判断Vi″是否小于或等于Vi′；
若是，则最大衔接速度为Vi″；
若否，则最大衔接速度为Vi′。
5.根据权利要求1所述的速度规划方法，其特征在于，所述在每一线段与下一线段的衔接处，计算在各运动轴的最大速度和最大加速度限制下的最大衔接速度的步骤包括：
确保各运动轴在每一线段中，分配到各运动轴的速度不超过各运动轴的最大速度，即衔接点处各运动轴的最大分配速度为：
其中，Vmax,τ为各运动轴的最大速度，Li为第i段线段的长度，τ＝x,y,z，Δτi为各运动轴的运动增量。
6.根据权利要求5所述的速度规划方法，其特征在于，所述在每一线段与下一线段的衔接处，计算在各运动轴的最大速度和最大加速度限制下的最大衔接速度的步骤包括：
判断最大衔接速度是否大于最大分配速度；
若是，则最大衔接速度为最大分配速度；
若否，则最大衔接速度不变。
7.一种速度规划装置，其特征在于，包括：
线段生成模块，用于根据预设加工轨迹，生成拐角处的多个线段；
设置模块，用于设置各运动轴的最大速度和最大加速度；
计算模块，用于在每一线段与下一线段的衔接处，计算在各运动轴的最大速度和最大加速度限制下的最大衔接速度；
计算模块还用于判断下一线段的长度是否大于或等于各运动轴在一个插补周期内移动的距离；
若是，则衔接处各运动轴的衔接速度为：
其中，Amax,τ为各运动轴的最大加速度，T为插补周期，Li为第i段线段的长度，τ＝x,y,z，Δτi为各运动轴的运动增量。
8.一种加工设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6中任意一项所述的速度规划方法。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令设置为执行如权利要求1至6中任意一项所述的速度规划方法。
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