CN1155337A - 在不产生轮廓误差的情况下限制轴向加速度的方法 - Google Patents

Abstract

一种控制电驱动速度的方法，该方法能够在不产生轮廓误差的情况下限制轴向加速度，其中在特殊区域附近可以事先足够精确地确定必要的动态轨迹限制，这是通过在内插之前用高次多项式近似地求出机器轴的运行状态并根据总的机器轴加速度极限和机器轴速度上限导出与每个控制数据组有关的可能需要的局部轨迹速度极限或局部轨迹加速度极限来实现的。否则，应使走刀速度保持匀速。通过对关键区域进行细密扫描来改变用于近似处理的扫描步长是可变的并可根据算出的机器轴负载来匹配。

Description

在不产生轮廓误差的情况 下限制轴向加速度的方法

本发明涉及一种控制电驱动速度的方法。

在对例如机床和机器人进行现代工业控制时，常常会出现这样的问题，即在走刀状态下可能出现的轴向速度和轴向加速度达不到预先规定的轨迹速度断面图中的理论值，这样轴向滞后误差会使工件纵向上的速度误差变大。由此常常会导致在加工工件的弯曲表面上产生轮廓误差。因此，在表面轮廓的不连续位置即拐点这样的特殊区域附近应对机器的轴向滞后误差进行监控以便能即时停机。当前，由于人们考虑到受加工的精密轮廓在较窄的公差范围内，都力争使因轴向滞后误差而导致出现的仿形误差达到最小，这就存在这样的必要性，即在尽量降低轴向速度和轴向加速度的基础上来避免出现轴向滞后误差。

众所周知，在机床控制中，就平滑轨迹速度断面而言，能满足这种需要的传统速度控制方法，要么只考虑了与总的轨迹速度无关的轨迹加速度极限和轨迹速度极限要么是在极其简单的条件下从机器轴或基轴的曲线中导出所述的加速度极限和速度极限。在机床控制中，根据这两种标准实施的速度控制方法存在以下缺点，即为了避免轴向滞后误差和由此来限制轮廓误差必须把容许的总加速度极限选择的相当小。但是这样将不能充分利用机器的效率。另外，根据上述传统的推导轨迹加速度极限和轨迹速度极限的方法可以进行粗略计算，以此来识别断续出现的特殊区域。但是在特殊区域附近不能足够精确地确定出能够阻止轴向滞后误差监控中断的必要的动态轨迹极限。基于这个原因，机器驱动器的子程序通常是根据由手工对机器上可能出现的加速度进行编程而得到的加速度极限来调整编程的走刀状态。然而这种优选方式是不经济的，因为，在制造中需要手工调整速度断面曲线，从而使大量的程序只能进行为数不多的运行。另一种变换方案是对机器轴断面图进行近似处理。这种处理通常用线性定律来描述(参见DE-OS3623070及EP-A-0254884)。后面的优选例存在的缺点是，程序费用提高，不能进行后续的刀具修正而且安装时的修正十分有限。

本发明的目的是提供一种速度控制方法，该方法能够避免上述缺点，即避免使可利用的机械效率受到限制和手工调整的耗费以及因对机器轴分布曲线进行近似处理而产生的过高程序费用。可以从机器轴中导出这种局部的轨迹加速度极限和轨迹速度极限；而且即使在特殊区域附近也能够足够精确地确定必要的动态轨迹极限。

根据本发明，其目的可通过以下特征得以实现：

1.1在内插之前先近似地确定机器轴的速度分布曲线，并根据总的机器轴速度极限和机器轴加速度极限推导出可能需要的且用于每组控制数据的局部轨迹速度极限和/或局部轨迹加速度极限；

1.2通过对机器轴负载较小的区域只进行粗扫描以及与此相反对关键区域进行细扫描来改变用于近似处理的扫描步长并且始终使之与机器轴的运动相匹配；

1.3此外，除了对算出的局部轨迹速度极限和/或局部轨迹加速度极限进行必要限制外，把在加工轨迹上的走刀速度尽可能长久地控制在预定的恒定值上。

一个在另一种条件下能以特别小的程序费用和加工耗费实现的本发明的第一优选实施例可通过下列特征来实现：

2.1为了对实际出现的机器轴速度分布进行近似处理，可以根据控制数据对上述轮廓进行扫描，而且可以通过三次方或更高次方的多项式，优选用三次方多项式把扫描点连接成近似的断面光谱；

2.2利用多项式并根据由此得到的参数推导出现的轴向速度载荷和轴向加速度载荷；

2.3如果算出的轴向速度极限及机器轴加速度极限超过或低于总的机器轴速度极限及机器轴加速度极限，那么要把其在该区域中的值设定为超出或低出的极限值。

本发明的另一个特别简化的优选实施例具有以下特征：

3.1代替用局部限制来使走刀速度尽可能恒定，而确定这种走刀速度断面图中的最小值并以恒定的所算出的这个最小值走刀速度在整个轨迹上进行加工。

本发明的另一个优选实施例是可变型的和可灵活使用的实施例，其具有以下特征：

4.1只根据粗内插来计算机器轴的值，从而使该方法与各自的机器运动学无关。

本发明所具有的优点特别在于，在轮廓表面上对轨迹加速度极限进行自动调整，而且只在绝对需要的地方设定极限值。可以在表面轮廓上进行内插而且在表面轮廓上要保持尽可能宽的走刀范围。按照本发明，要把刀具的速度控制在技术上的最佳状态，使之不出现运行超载的情况。因此，本发明的上述优点是特别有效的，而且价格很合适。

附图中描述了本发明的一个实施例，下面将对该实施例进行详细说明，附图中：

图1是在基坐标中的速度曲线图；

图2是在机器轴坐标中的近似速度曲线图；

图3是在机器轴坐标中的加速度曲线图；

图4是表示本发明所述在没有轮廓误差的情况下限制轴向加速度的流程图。

图1中示出了一个曲线图，其表示例如机床的刀具在基坐标中的速度曲线，以及待加工工件的坐标。横坐标表示轨迹长度B，纵坐标表示基坐标V_B中的速度值。图中描绘的是两种速度曲线V_BX和V_BY。其表示在X方向和Y方向上的走刀速度，刀具以该速度加工相应的工件。虽然可将本发明所述的方法随时用于多维空间，但是为了更易于理解，在该图中只限于二维。通过线性分布的用预定值V_BXkonst表示的速度V_BX和用值V_BYkonst表示的速度V_BY可以进行尽可能恒定的走刀驱动。由于这种理想情况在实际中并不总是能实现，所以有时会产生偏离线性分布的情况。下面根据V_BY说明两种情况。一种情况如虚线所示，其中速度V_BY暂时呈一次线性分布，然后变为多次曲线并下降到局部轨迹速度极限BVG处，接着再次上升到线性的V_BYkonst。这种曲线可通过超出整个机器轴加速度极限的部分来确定。另一种情况如实线所示，其中速度V_BY在超过整个机器轴速度极限的基础上暂时呈多次曲线地下降至局部轨迹速度极限BVG。因此，在过渡区出现了清楚的拐点。在每条曲线的分布图上分别出现一个最小值M。用间距B1、B2和B3以及中分间隔B1′对横坐标进行细分，所述中分间隔平分间隔B1和B2之间的间距。把局部轨迹速度极限BVG精确地调整到B1′。

图2中描述了一条曲线，其中用机器轴坐标示出了电驱动的近似速度曲线。图中再次示出了X方向和Y方向上的速度分布V_MX和V_MY。横坐标表示轨迹长度 B，其中该长度被多个间隔 B1、 B2、 B3和中分间隔 B1′细分。纵坐标表示机器轴坐标中的速度值。根据虚线所示，值V_max意味着电驱动的速度曲线不能越过总的机器速度极限V_MY。在尽可能保持沿待加工的整个轨迹匀速走刀的基础上，应使间隔 B1- B3内的速度V_MX处于容许的速度范围内。反之，在间隔 B1- B2内的速度V_MY将超过整个机器速度极限V_max，并在中分间隔 B1′处达到其最大值，通过用点状线标出的分布曲线可描绘出其轮廓图。该分布曲线以下的面积是明显超出极限值的区域。对处于允许速度区域中的速度分布曲线V_MY的修正是用实线的曲线段描述的，其几乎能实现上述的理想分布曲线，但并未超出极限区域，该曲线在点V1和V2之间的阶段内处于极限值V_max。第二条允许的速度分布曲线V_MY是用虚线形式的曲线段表示的，而且该曲线是在对超出整个机器加速度极限的部分进行修正的基础上得出的。

图3中示出了一条曲线，其中通过轨迹长度 B来表示与图2中速度分布曲线V_MY相应的加速度a_M。如在前两个图中所示，轨迹长度被间隔 B1、B2、 B3和中分间隔 B1′细分。在纵坐标的正加速度区内以及负加速度区内分别示出了总的机器轴加速度极限a_max以及-a_max。用实线表示的加速度分布曲线a_Y对应于图2中伸向总机器速度极限并同样用实线表示的速度分布曲线V_MY。因此，沿图中所示的正弦曲线上升到一个局部最大值，接着下降到点a_V1。在该点处根据在图2中的V1和V2之间进行的速度修正，加速度突然降到零。下面将说明在负的加速度区域中相对横坐标呈镜面对称分布的曲线。在点V2上加速度突然降到a_V2，其中a_y2＝-a_V1，并变为加速度为零的新的横坐标。

在机器轴坐标中用虚线表示的第二加速度分布曲线a_Y上，示意性地示出了一种情况，其中a_Y超出总的加速度极限a_max和-a_max。与图2中的超速情况相类似，把a_Y分布曲线中可能超出极限的区域a₁-a₂和可能低于极限的区域a₃-a₄限制在相应的加速度极限a_max和-a_max上。在第二种情况下，a_Y恰好在B1′处与横坐标相切。虚线表示其在最大加速度限定的加速度分布曲线中对相应的速度分布曲线，即与图2中同样用虚线表示的分布曲线V_MY有这样的影响，即其在局部加速度受限制的基础上同样不会超过所属的总机器轴速度极限V_max。在图3中清楚地示出了位于加速度极限之外的两个区域。

图4中示出了一个流程图，其描述了本发明一种方法的步骤。启动后，在第一加工步骤中读出数据组。接着借助数据组中包含的扫描点通过与粗内插相适合的三次方多项式或更高次方多项式进行近似处理。在第一分路中要复查由此得出的机器运动速度是否很高，也就是说检查机器轴的运动速度是超出或等于图2中所示总机器轴的极限速度V_max，以及图3中的轴向加速度a_max和-a_max，还是在实际行程内超出上述极限。如果是超出，则应调整扫描步长，然后返回第一分路。而在不需要进行上述步骤的情况下，应转入第二分路，在该分路中检查是否必须设定轴向加速度极限。如果需要，则应按上述条件计算局部轨迹加速度极限并对其进行存储。然后，在这两种情况下，进入第三分路。在此检查是否需设定轴向速度极限。如果需要，则需计算所属的局部轨迹速度极限，并将其存储起来。同样，在这两种情况下，转入第四分路，在此检查是否已读出所有数据组。如果没有，则回到第一处理步骤，即继续读取其它的控制数据组。如果已读出所有数据组，则要完成标准方法规定的处理控制数据组的后续步骤，其中在另一个处理步骤中，对上述轨迹进行内插并且在其后的处理步骤中执行控制程序。执行控制程序之后将结束该方法。

为了达到本发明所述在不产生轮廓误差的情况下限制轴向加速度的目的，和在尽可能大的范围内以恒定的走刀速度V_BXkonst和V_BYkonst进行加工，必须足够精确地确定在特殊区域及不相切区域附近的必要的动态轨迹极限。由此，根据本发明，要在内插之前近似地确定机器轴的分布曲线，并根据机器轴加速度极限a_max和-a_max和机器轴速度极限V_max推导出可能需要的局部轨迹速度极限BVG或局部轨迹加速度极限的控制数据组。就使机器轴分布曲线靠近低于恒定走刀速度最大值区域的近似处理而言，根据控制数据组的扫描点通过用轨迹长度B及 B、 B进行粗内插便可求出轮廓并且在确定的内插间隔B1、B2和B3中通过三次方或更高次方多项式把单个扫描点彼此连接起来(参见Schruefer，E.的信号处理；数字信号的数字处理，Muenchen，Wien；Hanser出版社1990年，第74页及下页)。用三次方多项式可计算出在机器轴坐标中与所得到的参数有关的速度分布曲线V_MX和V_MY，该曲线是在匀速走刀时由基坐标中的速度分布曲线V_BX和V_BY提供的。图3中所示的曲线分布示出了基坐标系统和机器轴坐标系统之间的转换关系。此外，从由此算出的已出现的轴向速度负载中可以推导出以此为基础的轴向加速度负载，在图3中为了简单起见只示出了在Y方向运动的分布曲线a_Y的一半。因此，从轴向速度负载分布曲线V_MX和V_MY以及轴向加速度负载a_Y中可以清楚地找到与各内插间隔B1、B2和B3相应的总机器速度极限V_max和总机器加速度极限a_max及-a_max。因此，可以确定，机器轴的运动超过或低于总的机器速度极限V_max或总的机器轴加速度极限a_max或-a_max或者是以实际计算值或连接间隔为基础的机器轴的运动分布曲线有超出或低于所述机器极限的危险，为此，需要调整对机器轴运动所进行的扫描步长，通过这种方式来识别转折的间隔并对粗大间隔进行细密扫描。这种情况出现在从B1到B3的间隔中，为此采用了作为另一个扫描点的中分间隔B1′。这样便确保识别出包含不连续点即跳跃点或拐点的特殊区域并对其进行细密扫描。对机器轴负载较小的区域只需进行粗扫描而没有必要计算时间。因此，扫描时应考虑可独立用三次方多项式或更高次方多项式进行较好近似的断面光谱。

为了能以在基坐标系统中的恒定走刀速度V_BXkonst和V_BYKonst进行加工，通常必须不断地把X和Y方向上的滑动速度以及速度分布曲线转换到机器轴坐标中。重要的是，使该速度处于机器负载的极限范围内，否则就会出现滞后误差，该滞后误差之后会带来轮廓误差。因此，根据本发明，应尽可能在机器轴的负载极限范围内保持匀速走刀。否则就必须调整走刀速度。这种必要性首先体现在间隔B1到B2间用实线表示的分布曲线V_MY中。由于在机器坐标中Y方向上的近似速度分布曲线V_MY超过了总的机器速度极限V_max，因此，必须以例如轨迹控制中所述的拐点为基础，限制Y方向的轴向运动，并且导出所需的适合这些规律的轨迹速度极限。由此形成了Y方向上的轴向速度分布曲线V_MY，该分布曲线与总机器速度V_max相适应，其除去了V1和V2之间明显超出极限的区域，并把V_MY限制在V_max上。由于机器轴坐标中相应的加速度分布曲线a_Y在图3中同样也是用实线的曲线表示的，其在该示意图中也没有处于总的机器轴加速度极限之外，所以不需要对其进行进一步修正。然而，如果要对V_MY进行速度修正，那么会使V1和V2处的加速度突然降到零。

这个优选例虽然会使间隔B1到B2之间的走刀速度在其坐标中的Y方向不再保持恒定，但是在中分间B1′处必须经过局部轨迹速度极限BVG。通过直接分离超出区可以在V_Y上调整出一个突变的过渡带，由此计算出局部轨迹速度极限BVG的分布曲线与相关坐标转换的差值并描绘出与分离的超出区相似的逆分布曲线。由此形成了以下优点，即可避免在其它调整状态下出现轴向滞后误差和在工件的弯曲表面上形成轮廓误差。

除了总的机器速度极限V_max之外，从机器轴坐标中的近似加速度分布曲线上还可以看出求得所需局部轨迹速度极限和/或轨迹加速度极限的必要性。因此，从图3中虚线段所示的第二条a_Y分布曲线上可明显看出，在间隔B1中，近似加速度分布曲线在Y方向上超出了机器轴加速度a_max。在负加速度区 B2中也出现相同情况，在该区域中其低于负的机器轴加速度极限-a_max。由此产生的机器加速度负载a_Y带来可能会引起轮廓误差的机器轴加速度。由于涉及关键性的间隔，扫描步长相应于高速机器轴运动来匹配并插入中分间隔 B1′。在这种情况下，可考虑在间隔 B1之前和 B2之后减小扫描步长，但为了简明起见，不对其作进一步说明。由于超出了总的机器轴向加速度极限a_max及-a_max，所以要把间隔点a₁和a₂之间的各加速度局限在最大值上，而把间隔a₃和a₄之间的各加速度局限在最小值上。在图3中用虚线表示需要修正的加速度分布曲线a_Y，该曲线从a₂开始到a₃呈负增长分布，并在B1′点与横坐标相交。对加速度a_Y的限制会对机器轴坐标中的速度分布曲线V_MY产生这样的影响，即使得V_MY在a₁和a₂之间以及a₃和a₄之间呈线性分布。这种情况对基坐标中的走刀速度而言将导致出现局部轨迹速度极限和/由于线性增加的速度与V_MY不相切所以偏离的情况在上述两点间开始和结束。

在此应当指出，对两种情况下的曲线分布并不是按比例进行描绘的，而仅仅是将其作为原理图进行处理的。

本发明对于总的机器速度极限V_max及总的机器轴加速度极限a_max和-a_max的考虑以及在需要时由此导出的局部轨迹加速度极限和轨迹速度极限，会导致只在绝对必要的部位上才对机器的效率加以限制和约束。这样，既可以最佳地利用驱动效率，又可以防止出现轮廓误差还能防止导致完全停机的轴向滞后误差监控的中断。

在本发明的一个简化实施例中还提出，替代使走刀速度尽可能保持匀速和局部限制而确定在这种走刀速度断面图中的最小值M。然后以最小走刀速度M沿整个轨迹进行匀速加工。这个优选例的计算量很小并易于实现。然而它却确保了既不超出总的机器轴速度极限又不超出总的机器轴加速度极限。由于要使本发明的方法尽可能保持灵活多变，所以要在所述的轮廓上通过粗内插来确定机器轴的值。因此，该方法与各种机械运动学无关，而且还提供了可考虑转换以及刀具加长和半径修正等其它可能性。此外，还可以考虑曲线内插及细内插等任何一种方法。

Claims (4)

1.一种控制电驱动速度的方法，其特征在于：

1.1在进行内插之前先近似地确定机器轴的速度分布曲线(V_MX，V_MY)，并借助总的机器轴速度极限(V_max)和机器轴加速度极限(a_max，-a_max)导出可能会需要的并用于各控制数据组的轨迹速度极限(BVG)和/或局部轨迹加速度极限；

1.2通过对机器轴负载较小的区域(B1、B2、B3)进行粗扫描，而对关键区域(B1′)进行细密扫描，可改变用于近似处理的扫描步长并使其总是适合于机器轴的运动；

1.3除了通过算出的局部轨迹速度极限(BVG)和/或局部轨迹加速度极限对在加工轨迹上的走刀速度进行必要限制外，要尽可能长久地把该速度控制在预定的恒定值(V_BXkonst、V_BYkons)上。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

2.1为了对实际出现的机器轴速度分布曲线(V_MX，V_MY)进行近似，要借助控制数据对所述的轮廓进行扫描，并通过三次或更高次多项式，优选用三次方多项式把扫描点连接成一个近似的断面光谱图，

2.2根据由此得出的轨迹参数并利用多项式导出所出现的轴向速度负载(V_MX，V_MY)和轴向加速度负载(a_Y)，

2.3如果算出的轴向速度负载(V_MX，V_MY)和/或加速度负载(a_Y)超出或低出总机器轴速度极限(V_max)或机器轴加速度极限(a_max，-a_max)，那么要把其在该区域的值设定为超出或低出的极限值(V_max、a_max，-a_max)上。

3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，

3.1代替用局部限制使走刀速度尽可能保持匀速，确定这种走刀速度断面图中的最小值(M)并以算出的最小值在整个轨迹上进行加工。

4.根据上述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，只根据粗内插计算机器轴的值，以使该方法与各自的机械运动学无关。

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