TW201627787A - 整合數值控制機之軌跡規劃系統、軌跡規劃裝置、軌跡規劃方法及其電腦程式產品 - Google Patents

整合數值控制機之軌跡規劃系統、軌跡規劃裝置、軌跡規劃方法及其電腦程式產品 Download PDF

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Abstract

本發明係一種整合數值控制機之軌跡規劃系統、軌跡規劃裝置、軌跡規劃方法及其電腦程式產品。前述之軌跡規劃裝置依據加工節段之節段類型來配置對應該加工節段之加工速度或加工加速度，以提供一加工設定。進一步而言，前述之軌跡規劃裝置係判斷加工節段係為線性節段或曲線節段，以規劃對應此加工節段之切線加速度或法線加速度來優化加工設定，據以完成高階加工軌跡之規劃。

Description

整合數值控制機之軌跡規劃系統、軌跡規劃裝置、軌跡規劃方法及其電腦程式產品
本發明係一種用於規劃加工軌跡之加工軌跡配置系統、軌跡規劃裝置、軌跡規劃方法及其電腦程式產品，尤指一種可提昇加工速度之加工軌跡配置系統、軌跡規劃裝置、軌跡規劃方法及其電腦程式產品。
在自動化產業中，數值加工機台之軌跡規劃對製造品質以及製造時間之影響甚鉅。而當加工產品之結構越複雜時，其加工軌跡之加工速度亦越多變，而為實現前述之加工軌跡時，現行數值加工機台需不斷的調整軌跡加工速度始能實現高階之軌跡規劃。然而當軌跡加工速度變動性過於頻繁時，則會嚴重影響產品之製造速度以及製造品質。
為解決前揭之軌跡規劃問題，習知技術提供一種NURBS模型(Non-Uniform Rational B-Splines)來擬合出加工軌跡，惟目前僅有特定的控制器可執行NURBS擬合演算法，亦因如此，當加工業者欲進行較高階之加工作業時，則必需更換現有數值控制機台之控制器，因而墊高了整體之製造成本。
綜上所述，如何提供一種可規劃高階軌跡，且可執行於現行控制器之技術乃本領域亟需解決之技術問題。
為解決前揭之問題，本發明之目的係提供一種可優化加工軌跡平滑度之整合數值控制機之加工軌跡配置系統、軌跡規劃裝置、軌跡規劃方法及其電腦程式產品。
為達上述目的，本發明提出一種用於配置加工軌跡之軌跡規劃裝置，其依據加工節段之節段類型來配置對應加工節段之加工速度或加工加速度，以讓數值控制機台可依循平滑之加工加速度進行作業，進行提昇製造品質以及製造之速度。
為達上述目的，本發明又提出一種用於配置加工軌跡之軌跡規劃方法，包含下列步驟：依據加工節段之節段類型來配置對應加工節段之加工速度或加工加速度，以提供一加工軌跡。
為達上述目的，本發明又提出一種用於配置加工軌跡之電腦程式產品，當電腦裝置載入並執行電腦程式產品，可完成如前述方法所述之步驟。
為達上述目的，本發明再提出一種整合數值控制機之加工軌跡配置系統，包含一數值控制機台，以及前所述軌跡規劃裝置。其中軌跡規劃裝置係連接並控制數值控制機台，軌跡規劃裝置更依據加工設定以配置數值控制機台進行加工作業。
綜上所述，本案透過分析各個工作節段類型以進一步調整其加工速度以及加速度，並藉由一般之控制器即能提供更為平滑之加工軌跡。
1‧‧‧軌跡規劃裝置
11‧‧‧第一判斷模組
12‧‧‧第二判斷模組
13‧‧‧輸出端
21‧‧‧加工節段
22‧‧‧控制機台允許條件
231‧‧‧前序節段之加工設定
232‧‧‧現階之節段加工設定
3‧‧‧數值控制機
S101~S106‧‧‧優化步驟
第1圖係為本發明第一實施例其軌跡規劃裝置之方塊示意圖。
第2圖係為本發明加工軌跡優化方法流程圖。
第3圖係為習知技術之加工軌跡其加工速度/加速度圖。
第4圖係為本案加工軌跡配置系統其加工速度/加速度圖。
以下將描述具體之實施例以說明本發明之實施態樣，惟其並非用以限制本發明所欲保護之範疇。
請參閱第1圖，其為本發明之第一實施例之方塊示意圖。第一實施例係為配置加工軌跡之軌跡規劃裝置1。本案之軌跡規劃裝置1係為用於操作控制數值控制機台(CNC)之控制器。軌跡規劃裝置1在取得一加工路徑時，會將此加工路徑分割成多個加工節段21，並依據目前加工節段21之節段類型來配置對應加工節段21之加工速度或加工加速度，以提供一加工設定，以讓加工之數值控制機3藉由此加工設定之來實施加工軌跡。
前述之加工節段21之加工設定係包含加工之位置(position)、速度(speed)以及加速度(acceleration)等資訊。於本實施例中，其加工節段21(processing segment)係包含線性節段(linear segment)以及曲線節段(circular segment)、加工設定包含了前序節段之加工設定231以及現階之節段加工設定232。
進一步說明之，在軌跡規劃裝置1取得目前之加工位置、速度、以及加速度等設定值後，內部之第一判斷模組11會判斷目前之設定值 是否大於控制機台允許條件22，其條件包含允許之速度、加速度等參數；在未超過時，則透過輸出端13輸出此加工設定至數值控制機3；而當超過時，則第二判斷模組12會依據前序加工節段21之加工位置、速度、以及加速度等設定值來優化計算以及指派新的加工速度以及加工加速度至數值控制機3。
進一步說明之，相較於前揭技術利用NURBS來將輸入之加工路徑擬合出加工軌跡，本案則是將加工路徑切割規劃成由線性線段(CNC指令：G01)以及曲線線段(CNC指令：G02/G03)之複數個加工節段21，並對整體之加工節段21進行優化調整。例如，當軌跡規劃裝置1判斷此加工節段21為線性節段時，軌跡規劃裝置1主要係考量與配置此加工節段21其加工加速度之切線加速度(tangent acceleration)；而當加工節段21為曲線節段時，軌跡規劃裝置1則會考量與配置加工節段21其加工加速度之切線加速度以及法線加速度(normal acceleration)。前述之法線加速度(acceleration normal )可選擇的藉由如公式(1)之方程式進行設定。
其中，v為曲線段之切線速度，ρ為曲線段之曲率半徑，e t 為曲線於切線方向之單位向量。
考量複雜的加工路徑通常包含了大量的線性節段以及曲線節段，因此控制器更依據前序加工節段21之速度參數，以及現階段加工節段21之速度參數，以設定現階段加工節段21之加工速度(v i )。
其加工速度(v i )之設定如公式(2)所示： 其中，i為加工節段21之索引值，v i-1為前序之加工節段21之加工速度，a max係為允許最大之加速度臨界值，d max係為允許最大之減速度臨界值，現階段加工節段21之長度。
本案更藉由blending、look-ahead以及look-backward等演算法之技術內容提供一優化方法來進一步優化整體整加工路徑其加工設定。其優化步驟如第2圖所示。前述之優化作業流程為避免控制器輸出之設定值與執行加工作業之數值控制機3之工作參數不相符合(例如設定之加工速度超過數值控制機3最大之加工速度等)，因此在執行優化作業流程時，軌跡規劃裝置1更會依序的檢核整體加工節段21之速度設定值是否匹配各個節段之屬性(例如：當加工節段21為曲線節段時，軌跡規劃裝置1會判斷其工作速度V i 是否遵循其切線速度V t 之限制，當遵循時，則接續檢查下一個加工節段21；若不遵循時，則重新計算此節段之工作速度)。 優化作業流程之說明如下： 開始。
S101：計算i個加工節段21之速度參數。
S102：分析加工節段21之速度參數(例如：切線速度V t 、法線速度V n 、切線加速度a t ，或法線加速度a n )是否在CNC機台之允許條件內？若是，則執行S106；若否，則執行S103。
S103：重計算第i個至第1個之加工作節段21，判斷i=0？若是，執行S106；若否，執行S104。
S104：i=i-1。
S105：計算第i個加工節段21之速度參數(速度/加速度)。
S106：指派其速度/加速度值符合允許值之加工節段。 結束。
前述之切線加速度值(a t )如公式(3)所示： 其中，TA為加速時間，V (i-1)前序加工節段21之速度值。
前述之法線加速度值(a n )如公式(4)所示： 其中，V (i)t 為切線速度向量，R為曲線段之曲率半徑。
本案又提供一第二實施例。第二實施例係為一種配置加工軌跡之軌跡規劃方法，其方法主要包含下列步驟：依據加工節段之節段類型來配置對應加工節段之加工速度或加工加速度，以提供一加工軌跡。
前述之方法更判斷加工節段是否為線性段或曲線段，以配置對應之切線加速度或法線加速度。
前述之方法更判斷加工節段為曲線段，以配置加工節段之法線加速度，法線加速度係依據曲線段之切線加速度以及曲率半徑進行配置。
前述之方法更依據前序加工節段之速度參數，以及現階段加工節段之速度參數，以設定現階段加工節段之加工速度(v i )。
前述之方法更分析加工節段之加工速度是否符合一允許條件，以配置加工速度之切線加速度或法線加速度。
本案又提供一第三實施例。第三實施例係為一種用於配置加工軌跡之電腦程式產品，當電腦裝置載入並執行電腦程式產品，可完成第二實施例之方法所述之步驟。
本案又提供一第四實施例。第四實施例係為一種整合數值控制機之控制系統。前述之系統包含如第一實施例所述之軌跡規劃裝置1以及一數值控制機台，本案之數值控制機台係採用龍門混合式數值控制機台(Gantry Hybrid CNC)，前述之數值控制機台係具有多軸之加工軸向(x,y,v)，惟其機台種類不在此限。軌跡規劃裝置1係連接並控制數值控制機台，軌跡規劃裝置1更依據加工設定以配置數值控制機台進行加工作業。
請參閱第3圖，該圖為使用習知控制器之數值控制機台其加工軸之加工速度(虛線段)以及加速度(實線段)示意圖。由於習知控制器並無法對整體加工速度以及加速度進行規畫，因此在執行較為複雜之加工作業時，其加工軌跡為配合加工節段21之類型，使得機器的加工時需頻繁的加減速，使得加速度值曲線變異性極大。數值控制機台在加工時需不斷的調整加速度，亦會嚴重影響加工成品之品質以及拉長了成品之製造時間。於第3圖中可知，由於部分加速度值變異極大，因此機台需不斷的調整其加工速度，而使得最大之加工速度僅能達到218m/min。
請接著參閱第4圖，其分別為使用本案軌跡規劃裝置1之數值控制機台其加工時速度(虛線段)以及加速度(實線段)之軌跡示意圖。由於軌跡規劃裝置1在指派數值控制機台進行加工作業前會依序的檢核以及優化加工節段21之加工速度以及加工加速度，因此其加工軌跡之加速度曲線較為平順，而最高之加工速度則能達到433m/min，相較於先前之技術，使用 本案軌跡規劃裝置之數值控制機台在加工時毋需頻繁的調整速度，兼顧加速及平順軌跡功能，及具有較快之加工速度，因此其加工之品質以及產品製造速度皆能優於先前之加工技術。
上列詳細說明係針對本發明之一可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。
1‧‧‧軌跡規劃裝置
11‧‧‧第一判斷模組
12‧‧‧第二判斷模組
13‧‧‧輸出端
21‧‧‧加工節段
22‧‧‧控制機台允許條件
231‧‧‧前序節段之加工設定
232‧‧‧現階之節段加工設定
3‧‧‧數值控制機

Claims (16)

  1. 一種用於配置加工軌跡之軌跡規劃裝置，係依據加工節段之節段類型來配置對應該加工節段之速度參數，以提供一加工設定。
  2. 如請求項1所述之軌跡規劃裝置，更判斷該加工節段為線性節段或曲線節段，以配置對應之切線加速度或法線加速度。
  3. 如請求項2所述之軌跡規劃裝置，更判斷該加工節段為該曲線段，以配置該加工節段之法線加速度，該法線加速度係依據該曲線段之該切線加速度以及曲率半徑進行配置。
  4. 如請求項3所述之軌跡規劃裝置，其中該法線加速度(acceleration normal )之公式如下： 其中，v為該曲線段之切線速度，ρ為該曲線段之該曲率半徑，e t 為該曲線於切線方向之單位向量。
  5. 如請求項2所述軌跡規劃裝置，其中該控制模組更依據前序之該加工節段之速度參數以及現階段之該加工節段之速度參數，以重計算現階段之該加工節段之該加工速度(v i )。
  6. 如請求項5所述之軌跡規劃裝置，其中經由重計算現階段該加工速度(v i )公式如下所示： 其中，i為索引值，v i-1為前序之該加工節段之該加工速度，a max係為允許最大之該加速度，d max係為允許最大之該減速度臨界值，現階段該 加工節段之節段長度。
  7. 如請求項5或6所述之軌跡規劃裝置，更分析該加工節段之該加工速度是否符合一允許條件，以重配置該加工節段之該切線加速度或該法線加速度。
  8. 如請求項7所述之軌跡規劃裝置，其中該切線加速度之允許加速度值(a t )之公式為： 其中，TA為該加速度時間，V (i)為目前之該加工節段之速度值，V (i-1)為前序之該加工節段之速度值。
  9. 如請求項8所述之軌跡規劃裝置，其中該法線加速度之允許加速度值(a n )之公式為： 其中，R為該曲線段之曲率半徑，V (i)t 為該曲線段之切線速度向量。
  10. 一種用於配置加工軌跡之軌跡規劃方法，包含下列步驟：依據加工節段之節段類型來配置對應該加工節段之加工速度或加工加速度，以提供一加工軌跡。
  11. 如請求項10所述之軌跡規劃方法，更判斷該加工節段是否為線性段或曲線段，以配置對應之切線加速度或法線加速度。
  12. 如請求項11所述之軌跡規劃方法，更判斷該加工節段為曲線段，以配置該加工節段之法線加速度，該法線加速度係依據該曲線段之該切線加速度以及曲率半徑進行配置。
  13. 如請求項12所述軌跡規劃方法，更依據前序之該加工節段之速度參數以及現階段之該加工節段之速度參數，以重計算現階段之該加工節段之該加工速度(v i )。
  14. 如請求項13所述之軌跡規劃方法，更分析該加工節段之該加工速度是否符合一允許條件，以重配置該加工節段之該切線加速度或該法線加速度。
  15. 一種用於配置加工軌跡之電腦程式產品，當電腦裝置載入並執行該電腦程式產品，可完成如請求項11~14任一項所述之步驟。
  16. 一種整合數值控制機之加工軌跡配置系統，包含：一數值控制機台；以及如請求項1至9任一項所述之軌跡規劃裝置，其中該軌跡規劃裝置係連接並控制該數值控制機台，該軌跡規劃裝置更依據該加工設定以配置該數值控制機台進行加工作業。
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