CN1963710A - 基于时间分割法与数字积分法混合实现的空间直线插补方法 - Google Patents

Abstract

基于时间分割法与数字积分法混合实现的空间直线插补方法，涉及运动控制空间直线插补中的控制技术。其特点是在时间分割法与数字积分法的基础上，采用可控的插补周期按照累加脉冲次数对空间直线进行粗插补，然后对得到的粗插补数据按照预定的分频系数采用数字积分法的方式进行精插补。

Description

基于时间分割法与数字积分法混合实现的空间直线插补方法

技术领域

本发明涉及运动控制中的控制技术，具体涉及运动控制器的基于时间分割法与数字积分法混合实现的空间直线插补方法。

背景技术

在多轴连续轨迹加工中，在满足位置精度要求的条件下实现平滑的进给速度是运动控制器的重要目标，对于提高加工表面的光洁度有着重要意义。通常的运动控制器是采用基于粗、精二级插补、插补周期固定的时间分割法进行直线插补，其特点是先采用软件计算进行粗插补，将每一段直线划分为长度与期望的进给速度对应的小直线段，然后再采用硬件进行精插补，在固定的插补周期内对小直线段根据固定的累加脉冲时钟采用数字积分法进行各轴进给脉冲的均匀发送。

在加工由大量微小直线段组成的加工代码时，采用上述方法易出现表面存在马赛克、层次分界线明显、光洁度不均匀等影响加工表面光洁度的问题，在排除机床机械误差、刀具磨损等因素之外，其产生的主要原因是没有保持平滑的进给速度，实现各轴进给脉冲序列的均匀发送。这与运动控制器的插补方法有着直接的关系，因为基于粗、精二级差补、插补周期固定的时间分割法虽然具有原理简单、便于控制进给速度等优点，但存在下列缺陷：

(1)在离散化表示加工代码的情况下插补过程中会出现难以处理的零头距离，导致进给速度的不均匀；

(2)通过复杂的加减速控制可以达到消除零头距离，提高进给速度均匀性的目的，但会导致加工效率的降低和频繁的加减速；

(3)在直线段对应的各轴进给量相差较大时会由于细分直线段带来插补误差的增大。

发明内容

本发明所要解决的问题是克服时间分割法插补的不足，消除零头距离，提高进给速度的平滑性，同时提高加工效率，不因细分直线段而增大插补误差。

为解决上述问题，本发明提出一种基于时间分割法和数字积分法混合实现的空间直线插补方法，它是采用时间分割法中的时间分割的原理，对数字积分法中的累加溢出过程按照进给速度的要求采用可控的插补周期进行时间分割。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于时间分割法与数字积分法混合实现的空间直线插补方法，其特征在于，它采用如下步骤进行：

(1)、先根据直线插补的起点与终点进行插补前初始化，得到空间各轴总的进给量，并按照硬件累加器的宽度进行左移规格化，得到各轴的累加数和总的累加次数；

(2)、按照期望的进给速度采用长度可变的插补周期对空间直线进行粗插补：

根据当前期望的进给速度V，当前期望的进给步长F，默认插补周期T₀，插补起点P_s(X_s，Y_s，Z_s)到终点P_e(X_e，Y_e，Z_e)的总距离S，当前插补点P_c(X_c，Y_c，Z_c)到终点P_e(X_e，Y_e，Z_e)的距离S_rem，以及剩余的累加次数C_remaddsum，通过对默认的插补周期进行修正以及对总累加次数进行划分来确定下一个点的插补周期T_c，以及在T_c内的累加次数C_add

$\left\{\begin{array}{c}{T}_c=T_0,V=F\\ T_c{=T}_0\&times;\frac{F}{V},V\&NotEqual;F\end{array},\right.\left\{\begin{array}{c}{C}_{\mathrm{add}}=C_{\mathrm{addsum}}\&times;\frac{F}{S_{\mathrm{rem}}},F<S_{\mathrm{rem}}\\ C_{\mathrm{add}}=C_{\mathrm{remaddsum}},F=S_{\mathrm{rem}}\end{array},---\left(1\right)\right.$

其中，T₀为默认插补周期，(1)式中的速度以T₀为时间单位。

根据得到的下一个点的插补周期T_c和在该插补周期内要求完成的累加次数C_add，得到对应的累加时钟的频率并表示为系统时钟的分频系数：

$F_{\mathrm{add}}=\frac{F_{\mathrm{clk}\_\mathrm{sys}}}{(C_{\mathrm{add}}/T_c)}---\left(2\right)$

其中，F_{clk_sys}为系统时钟的频率；

(3)、对(2)式得到的粗插补数据按照预定的分频系数F_add采用数字积分法的方式进行精插补，实现各轴进给脉冲的均匀发送。

所述的精插补是对系统时钟按照预定的分频系数F_add进行分频产生累加时钟，然后根据累加时钟在三轴硬件累加器中进行累加溢出进行均匀发送实现三轴脉冲的均匀发送，同时对系统时钟进行计数以实现预定的下一点的插补周期。

有益效果

与现有的时间分割法相比，本发明提出的基于时间分割法和数字积分法混合实现的空间直线插补方法的优点和积极效果是：

(1)本发明提出的基于时间分割法和数字积分法混合实现的空间直线插补方法，可以完全消除零头距离，实现各轴进给脉冲的均匀协调发送；

(2)本发明提出的基于时间分割法和数字积分法混合实现的空间直线插补方法，不需要采用复杂的加减速控制来消除零头距离，可以提高加工效率；

(3)本发明提出的基于时间分割法和数字积分法混合实现的空间直线插补方法，在直线段对应的各轴进给量相差较大的情况下，不会由于细分直线段带来插补误差的增大。

采用本发明提出的基于时间分割法和数字积分法混合实现的空间直线插补方法进行各种零件的轮廓加工，可以达到速度不均匀系数平均值≤0.5％，插补误差平均值为≤0.00005mm的高性能指标。在三自由度加工制造业具有广阔的应用市场。

附图说明

图1是空间直线插补示意图；

图2是空间直线插补结构图；

图3是本发明实施例1的插补点序列示意图；

图4是本发明实施例1的速度不均匀系数曲线图；

图5是本发明实施例1的插补误差曲线图；

图6是本发明实施例2的插补点序列示意图；

图7是本发明实施例2的速度不均匀系数曲线图；

图8是本发明实施例2的插补误差曲线图；

具体实施方式

以下结合附图和实例，进一步说明本发明。

本发明提出的基于时间分割法和数字积分法混合实现的空间直线插补方法具体计算方法为，如图1所示为空间直线插补示意图，设直线插补的起点为P_s(X_s，Y_s，Z_s)，终点为P_e(X_e，Y_e，Z_e)，当前插补点为P_c(X_c，Y_c，Z_c)。如图2所示为空间直线插补结构图，包括插补前初始化、粗插补和精插补三个部分，设硬件累加器X_buf、Y_buf与z_buf的数据宽度均为m位(即累加到大于等于2^m时产生一次溢出)。

首先根据直线插补的起点与终点进行插补前初始化，得到总距离S为

$S=\sqrt{{(X_s-X_e)}^2+{(Y_s-Y_e)}^2+{(Z_s-Z_e)}^2}$

空间各轴总的进给量分别为

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{sumdx}=X_e-X_s\\ \mathrm{sumdy}=Y_e-Y_s\\ \mathrm{sumdz}=Z_s-Z_e\end{array}\right.$

找出{|sumdx|，|sumdy|，|sumdz|}中的最大值sumd_max，根据sumd_max与溢出值2^m，按照下述算法进行左移规格化得到总累加次数C_addsum与左移位数i

(1)初始化C_addsum＝2^m，i＝0；

(2)进行左移规格化：

$\left\{\begin{array}{c}i=i+1;\\ {\mathrm{sumd}}_{\max }={\mathrm{sumd}}_{\max }\&times;2;\\ C_{\mathrm{addsum}}=C_{\mathrm{addsum}}/2;\end{array}\right.$

(3)如果sumd_max＜2^m，返回(2)，否则继续(4)；

(4)得到左移规格化的结果

$\left\{\begin{array}{c}i=i-1;\\ C_{\mathrm{addsum}}=C_{\mathrm{addsum}}\&times;2;\end{array}\right.$

对于直线插补来说，每次插补时的累加数是相同的，均为

$\left\{\begin{array}{c}{d}_x=\mathrm{sumdx}<<i\\ d_y=\mathrm{sumdy}<<i\\ d_z=\mathrm{sumdz}<<i\end{array}\right.$

通过对硬件累加器X_buf、Y_buf与z_buf按照相同的累加时钟分别同时累加C_addsum次dx、dy、dz，就能分别在X、Y、Z三轴均匀产生sumdx、sumdy、sumdz次溢出，每次溢出可以相应地转化为对应轴的一个进给脉冲，从而可实现从起点到终点的直线运动。

根据上述数字积分法的原理，每次插补时的累加次数实际与每次插补时的进给步长是成正比的，比例系数为S/C_addsum，那么通过控制每次插补时的累加次数，实际就控制了每次插补时的进给步长。因此进行粗插补时，根据当前期望的进给速度V，当前期望的进给步长F，默认的插补周期T₀，插补起点P_s(X_s，Y_s，Z_s)到终点P_e(X_e，Y_e，Z_e)的总距离S，当前插补点P_c(X_c，Y_c，Z_c)到终点P_e(X_e，Y_e，Z_e)的距离S_rem，以及剩余的累加次数C_remaddsum，通过对默认的插补周期进行修正以及对总累加次数进行划分来确定下一个点的插补周期T_c，以及在T_c内的累加次数C_add

$\left\{\begin{array}{c}{T}_c=T_0,V=F\\ T_c=T_0\&times;\frac{F}{V},V\&NotEqual;F\end{array}\right.,\left\{\begin{array}{c}{C}_{\mathrm{add}}=C_{\mathrm{addsum}}\&times;\frac{F}{S},F<S_{\mathrm{rem}}\\ C_{\mathrm{add}}=C_{\mathrm{remaddsum}},F=S_{\mathrm{rem}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，T₀为默认的插补周期，(1)式中的速度以T₀为时间单位。

由(1)式可见，在当前期望的进给步长F等于当前期望的进给速度V时，下一个点的插补周期T_c则为默认的插补周期T₀；当前期望的进给步长F大于或小于当前期望的进给速度V时，下一个点的插补周期T_c则会在默认的插补周期T₀的基础上相应地延长或缩短，从而确保了实际进给速度的平滑，通过根据期望进给步长占总步长的比例对应地划分累加次数，可以准确地实现期望的进给步长。

由下一个点的插补周期T_c和在T_c内的累加次数C_add就可以计算得到累加时钟的频率，由于在硬件累加发送模块中通过对系统时钟进行分频可以得到近似的满足频率要求的累加时钟信号，因此累加时钟的频率可以用对系统时钟的分频系数来表示

$F_{\mathrm{add}}=\frac{F_{\mathrm{clk}\_\mathrm{sys}}}{(C_{\mathrm{add}}/T_c)}---\left(2\right)$

其中，F_{clk_sys}为系统时钟的频率。

得到了下一个插补周期内的累加次数C_add和累加时钟的分频系数F_add，可以在硬件中根据由系统时钟分频生成的累加时钟信号进行累加溢出实现精插补，在期望的插补周期内实时完成累加溢出任务，实现期望的进给速度和进给步长。

这样，在存在零头距离，即当前期望的进给速度V大于当前期望的进给步长F时，可以根据(1)式通过缩短下一个点的插补周期T_c来实现脉冲的均匀发送。在直线总距离S小于当前期望的进给速度V时，则可以通过令当前期望的进给步长F等于S，然后根据(1)式通过缩短下一个点的插补周期T_c来实现脉冲的均匀发送。这样就解决了在时间分割法中存在的零头距离以及由于零头距离带来的进给速度不平滑和加工效率低的问题。

对于在直线插补中各轴进给量相差大并且需要多次插补完成的情况下，本方法不需要改变每次插补时各轴累加器的累加数，只需要按照期望进给速度计算当前插补对应的累加次数与累加脉冲频率，从而消除了常规时间分割法中每次细分直线段时会改变各轴累加器的累加数会带来插补误差扩大的问题。

本发明可应用于运动控制器的插补器部分使用。使用本发明进行了大量空间直线的插补处理，实际工作结果表明，插补过程与结果正确可靠。以下给出几个具体的插补实例：

例1：设空间直线的起点Ps为(13.796，-8.973，-1.654)，终点P_e为(13.555，-9.214，-1.692)，期望进给速度为3000mm/min，默认插补周期为1ms，对应的零头距离则为0.042mm。采用本发明得到的结果为直线插补次数为6，速度不均匀系数平均值为0.5％，插补误差平均值为0.00003mm。

例2：设空间直线的起点Ps为(7.375，-2.589，-5.070)，终点Pe为(7.717，-2.247，-5.016)，期望进给速度为3000mm/min，默认插补周期为1ms，对应的零头距离则为0.036mm。采用本发明得到的结果为直线插补次数为9，速度不均匀系数平均值为0.5％，插补误差平均值为0.00004mm。

Claims (2)

1、一种基于时间分割法与数字积分法混合实现的空间直线插补方法，其特征在于，它采用如下步骤进行：

(1)、先根据直线插补的起点与终点进行插补前初始化，得到空间各轴总的进给量，并按照硬件累加器的宽度进行左移规格化，得到各轴的累加数和总的累加次数；

(2)、按照期望的进给速度采用长度可变的插补周期对空间直线进行粗插补：

根据当前期望的进给速度V，当前期望的进给步长F，默认的插补周期T₀，插补起点P_S(X_S，Y_S，Z_S)到终点P_e(X_e，Y_e，Z_e)的总距离S，当前插补点P_c(X_c，Y_c，Z_c)到终点P_e(X_e，Y_e，Z_e)的距离S_rem，以及剩余的累加次数C_remaddsum，通过对默认的插补周期进行修正以及对总累加次数进行划分来确定下一个点的插补周期T_c，以及在T_c内的累加次数C_add

${\{}_{T_c=T_0\&times;\frac{F}{V},V\&NotEqual;F}^{T_c=T_0,V=F},{\{}_{C_{\mathrm{add}}=C_{\mathrm{remaddsum}},F=S_{\mathrm{rem}}}^{C_{\mathrm{add}}=C_{\mathrm{addsum}}\&times;\frac{F}{S},F<S_{\mathrm{rem}}}---\left(1\right)$

其中，T₀为默认的插补周期，(1)式中的速度以T₀为时间单位；

根据得到的下一个点的插补周期T_c和在该插补周期内要求完成的累加次数C_add，得到对应的累加时钟的频率并表示为系统时钟的分频系数：

$F_{\mathrm{add}}=\frac{F_{\mathrm{clk}\_\mathrm{sys}}}{(C_{\mathrm{add}}/T_c)}---\left(2\right)$

其中，F_{clk_sys}为系统时钟的频率；

(3)、对(2)式得到的粗插补数据按照预定的分频系数F_add采用数字积分法的方式进行精插补，实现各轴进给脉冲的均匀发送。

2、根据权利要求1所述的，其特征在于精插补是对系统时钟按照预定的分频系数F_add进行分频产生累加时钟，然后根据累加时钟在三轴硬件累加器中进行累加溢出进行均匀发送实现三轴脉冲的均匀发送，同时对系统时钟进行计数以实现预定的下一个点的插补周期。

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