TWI493303B - Feedforward weight adjustment method and its calculation device - Google Patents

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前饋權重調整方法及其演算裝置
本發明有關於一種依照工件加工軌跡方法及其演算裝置，尤指一種在高速加工的環境下，能依照工件輪廓適時調整權重參數，以降低工件的尺寸誤差與提高工件表面的光潔度。
反饋是指將系統的輸出返回到輸入端以某種方式改變輸入，進而影響系統功能的過程，以達到預定的目的，因此，目前有使用者將反饋理論運用在數位控制機台上，以提高產品尺寸誤差性能。
請參閱第1圖所示，習知前饋演算裝置由一軌跡規劃單元10、一前饋控制單元11、一閉迴路控制單元12以及一驅動單元13所構成，上述軌跡規劃單元10電性連接於上述前饋控制單元11，並用以產生一軌跡規劃訊息，當上述前饋控制單元11接收到上述軌跡規劃訊息會形成一具有固定增益值的前饋訊息並傳輸給上述驅動單元13，同時上述軌跡規劃單元10產生一軌跡位置命令給上述閉迴路控制單元12，再傳輸給上述驅動單元13。
然而，上述軌跡規劃單元10無法依照加工精度的需求與加工表面光潔度的需求形成上述軌跡規劃訊息，再經由上述前饋控制單元11計算出適合的前饋訊息，並供日後數位控制機台實際運行使用，因工件的輪廓樣態眾多，而當數位控制機台運行使用時，加工完成的工件表面往往會發現部分區域不符合加工精度的需求或不符合加工表面光潔度的需求，因此，上述前饋控制單元11需再次於加工精度需求與加工表面光潔度需求之間以手動調整來達成妥協，來形成上述前饋訊息，使數位控制機台再次運行後，讓工件表面能達到一定的 需求，相對會造成製作成本的增加，也需要花費較多的時間找出適合工件表面光潔度的軌跡前饋訊息，因而造成使用者在使用上的不方便。
有鑑於此，習知前饋演算裝置在演算方法上仍有不足之處，實有必要改良創新前饋演算裝置的演算方法藉以降低工件的尺寸誤差與提高工件表面的光潔度。
本發明之主要目的在於數位控制機台運行時，能實際依照工件的加工軌跡適時調整閉迴路控制模組與前饋控制模組，以達到在高速加工的環境下，得到最佳化的工件表面光潔度與尺寸偏差的效果。
為達上述目的，本發明前饋權重調整方法，運用於一數位控制機台，包含以下步驟：提供一軌跡規劃模組產生一軌跡規劃訊息，並同時傳遞給一前饋權重演算模組、一前饋控制模組與一閉迴路控制模組；由一裝設於上述數位控制機台的傳感器模組用以產生一輔助訊息，並傳遞給上述前饋權重演算模組；上述前饋權重演算模組整合上述軌跡規劃訊息與輔助訊息演算形成一調整訊息，並同時傳輸給上述前饋控制模組與上述閉迴路控制模組；上述前饋控制模組將上述軌跡規劃訊息與調整訊息演算形成一第一控制訊息，而上述閉迴路控制模組將上述軌跡規劃訊息與調整訊息演算形成一第二控制訊息，又上述第一控制訊息與第二控制訊息並傳輸至一驅動模組，以完成上述前饋權重調整方法。
於較佳實施例中，上述前饋權重演算模組具有一權重調整資料庫，而上述前饋權重演算模組將上述軌跡規劃訊息、輔助訊息與權重調整資料庫三者相互演算形成上述調整訊息。而當上述前饋權重演算模組將上述調整訊息傳遞給上述前饋控制模組與閉迴路控制模組時，並會將上述調整訊息儲存於上述權重調整資料庫。
其中，上述軌跡規劃訊息為命令軌跡速度、命令軌跡加速度、命令軌跡急衝度其中一種資料訊息。而上述輔助訊息為系統反饋速度、系統反饋加速度、系統反饋急衝度、系統扭矩監測值、系統位置與速度閉迴路控制偏差值、伺服演算法內部變數、傳感器模組反饋值其中一種資料訊息。
而上述軌跡規劃模組以梯度法整合上述軌跡規劃訊息與輔助訊息產生上述調整訊息。
此外，本發明前饋權重調整演算裝置，運用於一數位控制機台，包含：一軌跡規劃模組，用以產生一軌跡規劃訊息；一傳感器模組，裝設於上述數位控制機台並用以產生一輔助訊息；一前饋權重演算模組，電性連接於上述軌跡規劃模組與傳感器模組，並接受上述規劃訊息與輔助訊息用以產生一調整訊息；一前饋控制模組，電性連接於上述軌跡規劃模組與前饋權重演算模組，用以接收上述軌跡規劃訊息與調整訊息並演算形成一第一控制訊息；一閉迴路控制模組，電性連接上述軌跡規劃模組與前饋權重演算模組，用以接收上述軌跡規劃訊息與調整訊息並演算形成一第二控制訊息；以及一驅動模組，接受上述第一控制訊息與第二控制訊息並電性連接上述前饋控制模組與閉迴路控制模組。
其中，上述軌跡規劃訊息為命令軌跡速度、命令軌跡加速度、命令軌跡急衝度其中一種資料訊息。而上述輔助訊息為系統反饋速度、系統反饋加速度、系統反饋急衝度、系統扭矩監測值、系統位置與速度閉迴路控制偏差值、伺服演算法內部變數、傳感器模組反饋值其中一種資料訊息。
再者，上述前饋權重演算模組具有一權重調整資料庫，上述權重調整資料庫用以儲存上述調整訊息。
本發明特點在於軌跡規劃模組產生軌跡規劃訊息並同時傳遞給前饋權重演算模組、前饋控制模組與閉迴路控制模組，而裝設於數位控制機台的 傳感器模組產生輔助訊息，並傳輸給前饋權重演算模組，經由前饋權重演算模組演算產生調整訊息並傳輸給前饋控制模組與閉迴路控制模組，而前饋控制模組與閉迴路控制模組接收到軌跡規劃訊息與調整訊息並分別演算形成第一控制訊息與第二控制訊息傳輸給驅動模組。藉此數位控制機台運行時，能實際依照工件的加工軌跡適時調整閉迴路控制模組與前饋控制模組，以達到在高速加工的環境下，得到最佳化的工件表面光潔度效果與尺寸偏差的效果。
 (習知)
10‧‧‧軌跡規劃單元
11‧‧‧前饋控制單元
12‧‧‧閉迴路控制單元
13‧‧‧驅動單元
(本發明)
20‧‧‧數位控制機台
30‧‧‧軌跡規劃模組
40‧‧‧傳感器模組
50‧‧‧前饋權重演算模組
51‧‧‧權重調整資料庫
52‧‧‧平滑功能模組
60‧‧‧前饋控制模組
70‧‧‧閉迴路控制模組
80‧‧‧驅動模組
第1圖為習知前饋演算裝置之方塊圖；第2圖為本發明前饋權重調整方法之步驟流程圖；第3圖為本發明前饋權重演算模組之方塊圖；第4圖為本發明位置誤差公式與圓角輪廓誤差公式具體運用之示意圖；以及第5圖為本發明梯度法之示意圖。
茲為便於更進一步對本發明之構造、使用及其特徵有更深一層明確、詳實的認識與瞭解，爰舉出較佳實施例，配合圖式詳細說明如下：
請參閱第2圖至第3圖所示，本發明前饋權重調整方法及其演算裝置運用於一數位控制機台20，並由一軌跡規劃模組30、一傳感器模組40、一前饋權重演算模組50、一前饋控制模組60、一閉迴路控制模組70以及一驅動模組80所構成。
上述軌跡規劃模組30電性連接於上述前饋權重演算模組50、前饋控制模組60與閉迴路控制模組70，並產生一軌跡規劃訊息同時傳輸給上述前饋權重演算模組50、前饋控制模組60與閉迴路控制模組70。於較佳實施例中，上述軌跡規劃訊息為命令軌跡速度、命令軌跡加速度、命令軌跡急衝度其中一種 資料訊息。
而上述傳感器模組40裝設於上述數位控制機台20並與上述前饋權重演算模組50相互電性連接，並產生一輔助訊息傳遞給上述前饋權重演算模組50。其中，上述輔助訊息為系統反請速度、系統反饋加速度、系統反饋急衝度、系統扭矩監測值、系統位置與速度閉迴路控制偏差值、伺服演算法內部變數、傳感器模組40反饋值其中一種資料訊息。
上述前饋權重演算模組50具有一權重調整資料庫51，而上述前饋權重演算模組50接收上述軌跡規劃訊息和輔助訊息，並結合上述權重調整資料庫51中的數值資料進行演算形成一調整訊息，而上述調整訊息被上述前饋權重演算模組50同時傳輸給上述前饋控制模組60、閉迴路控制模組70與權重調整資料庫51，上述權重調整資料庫51會儲存上述調整訊息，藉此，於下次使用時，上述數位控制機台20能藉由上述權重調整資料庫51的數值資料來提升加工工件的平滑化效果。其中，上述前饋權重演算模組50係以梯度法整合上述權重調整資料庫51、軌跡規劃訊息與輔助訊息產生上述調整訊息。
上述前饋控制模組60電性連接於上述前饋權重演算模組50，用以接收上述軌跡規劃訊息與調整訊息，並經由演算形成一第一控制訊息，而上述閉迴路控制模組70電性連接於上述前饋權重演算模組50，用以接收上述軌跡規劃訊息與調整訊息並形成一第二控制訊息。此外，上述驅動模組80電性連接於上述前饋控制模組60與閉迴路控制模組70並用以接受上述第一控制訊息與第二控制訊息。
請參閱第3圖至第5圖所示，於本發明具體應用時，上述軌跡規劃模組30會針對工件的加工軌跡具有不同的路徑幾何特徵、加工進給率以及對於工件表面光滑度的要求不同進行演算形成上述軌跡規劃訊息，同時上述傳感器模組40針對上述數位控制機台20的進給速度、扭力、切削力量進行反饋演算， 並求得上述輔助訊息。
上述前饋權重演算模組50接收到上述軌跡規劃訊息與輔助訊息，並將上述軌跡規劃訊息與輔助訊息作為形成上述調整訊息的基本軌跡特性，設H=H(Fc,Rc)，Fc為軌跡規劃訊息之進給速度資料，Rc為軌跡規劃訊息之圓弧半徑資料，另設Hc0、Hc1為精度與光潔度的臨界值，若H<Hc0則傾向要求光潔度，H>Hc1則傾向要求精度，因此，上述前饋權重演算模組50會先行評估未來執行工件程式單節的H值，來判斷是否適合運用於傾向精度或傾向光潔度，再由位置誤差公式推算精度公式以及由圓角輪廓誤差公式推算求得精度需求(C1)與軌跡急衝度估算求得光潔度指標(C2)。
位置誤差公式如下所示：
其中，進給速度：工件程式指定：最小檢測單位：傳感模組40之參數；位置增益：軌跡規劃訊息；以及α ：調整訊息。
而在加工圓弧時，由於伺服系統的徑向滯後，會造成的圓弧輪廓誤差，而需利用圓角輪廓誤差公式求得圓角誤差，使工件表面達到指定的光潔度或精度，而圓角輪廓誤差公式如下所示圓角誤差公式如下所示：
其中，進給速度：工件程式指定；半徑：工件所執行工件程式軌跡的幾何特性；位置增益：軌跡規劃訊息；以及α ：調整訊息。
再經由推算後求得精度公式，精度指標如下所示：C1=C1(Fc,Kp,Rc,α,β)
其中，Rc：軌跡規劃訊息之圓弧半徑參數；Fc：軌跡規劃訊息之進給速度參數；Kp：軌跡規劃訊息之私服增益；α ：調整訊息；以及β ：閉迴路調整訊息，為1-α 。
而經由軌跡急衝度推算後求得光潔度指標，光潔度指標為軌跡急衝度之函數如下所示：C2=C2(J)
其中，J：急衝度。
利用上述法則，即可計算出精度指標與光潔度指標，而急衝度(J)是由上述軌跡規劃訊息來決定，其為軌跡圓弧半徑與進給速度之函數H如下J=J(Rc,Fc)
其中，Rc：軌跡規劃訊息之圓弧半徑參數；以及Fc：軌跡規劃訊息之進給速度參數。
再將求得的精度指標與光潔度指標帶入代價公式以求得代價指標函數(C)。代價公式如下所示：
其中，W1與W2之參數請參閱第5圖所示。
接著，上述前饋權重演算模組50藉由梯度法求得上述調整訊息(α )。其中，上述梯度法係以α 值與β 值設為二維函數空間中的兩個維度，並利用下列公式找出最佳化的α 值與β 值。其中，β 值等於1減α 。
(αk ,βk )=(αk-1 ,βk-1 )+M×(dαk ,dβk )=(αk-1 +M×dαk ,βk-1 +M×dβk )
首先會先給定α 值與β 值的初始值，並在二維函數空間中找出α 值與β 值的最佳改變方向(dα ,dβ )，即可得要最小化的上述指標函數(C)，進而求出最佳化的α 值與β 值，如此在第k次求得的α 值與β 值為依據第k-1次的α 值與β 值，並由第k次的改變方向(dα ,dβ )求得最佳化的α 值與β 值。因此，上述前饋重演算模組50以梯度法進行演算，以自動調整上述調整訊息(α )的比重值，而達到符合不同精度與光潔度的要求。上述調整訊息在實施時將以平滑連續的方式變化以防止權重調整過程對上述前饋控制模組60與閉迴路控制單模組70之衝擊。
如圖所示，接下來上述前饋控制模組60與閉迴路控制模組70接收上述調整訊息(α )，使上述前饋控制模組60與閉迴路控制模組70進行演算，以得到上述第一控制訊息與第二控制訊息。
而上述前饋權重演算模組50設有一平滑功能模組52，而上述平滑功能模組52可為一低通濾波功能或其他數值之平均化功能的模組。上述驅動模組80接收上述第一控制訊號與第二控制訊號，使上述數位控制機台20能在高速加工的環境下，得到最佳化的工件表面光潔度效果與尺寸偏差的效果。
綜所上述，本發明藉由軌跡規劃模組與裝設於數位控制機台的傳感器模組各別產生軌跡規劃訊息與輔助訊息，並傳輸給前饋權重演算模組，經由前饋權重演算模組演算產生調整訊息並傳輸給前饋控制模組與閉迴路控制模組，而前饋控制模組與閉迴路控制模組分別形成第一控制訊息與第二控制訊息傳輸給驅動模組。藉此數位控制機台運行時，能實際依照工件的加工軌跡適時調整閉迴路控制模組與前饋控制模組，以達到在高速加工的環境下，得到最佳化的工件表面光潔度效果與尺寸偏差的效果。
以上所舉實施例，僅用為方便說明本發明並非加以限制，在不離 本發明精神範疇，熟悉此一行業技藝人士依本發明申請專利範圍及發明說明所作之各種簡易變形與修飾，均仍應含括於以下申請專利範圍中。

Claims (10)

  1. 一種前饋權重調整方法，運用於一數位控制機台，包含以下步驟：提供一軌跡規劃模組產生一軌跡規劃訊息，並同時傳遞給一前饋權重演算模組、一前饋控制模組與一閉迴路控制模組；由一裝設於上述數位控制機台的傳感器模組用以產生一輔助訊息，並傳遞給上述前饋權重演算模組；上述前饋權重演算模組具有一權重調整資料庫，並將上述軌跡規劃訊息與輔助訊息作為基本軌跡特性，另設精度與光潔度的臨界值而計算出一精度指標與一光潔度指標，再由上述精度指度與光潔度指標求得代價指標函數，而上述前饋權重演算模組共同整合上述軌跡規劃訊息、輔助訊息與上述前饋權重演算模組的數值資料而演算形成一調整訊息，並同時傳輸給上述前饋控制模組、上述閉迴路控制模組與上述權重調整資料庫，其中，上述前饋權重演算模組配合上述代價指標函數而調整上述調整訊息的比重值；上述前饋控制模組將上述軌跡規劃訊息與調整訊息演算形成一第一控制訊息，而上述閉迴路控制模組將上述軌跡規劃訊息與調整訊息演算形成一第二控制訊息，又上述第一控制訊息與第二控制訊息傳輸至一驅動模組，以完成上述前饋權重調整方法。
  2. 如申請專利範圍第1項所述前饋權重調整方法，其中，上述前饋權重演算模組具有一權重調整資料庫，而上述前饋權重演算模組將上述軌跡規劃訊息、輔助訊息與權重調整資料庫三者相互演算形成上述調整訊息。
  3. 如申請專利範圍第2項所述前饋權重調整方法，其中，當上述前饋權重演算模組將上述調整訊息傳遞給上述前饋控制模組與閉迴路控制模組時，並會將上述調整訊息儲存於上述權重調整資料庫。
  4. 如申請專利範圍第1項所述前饋權重調整方法，其中，上述軌跡規劃訊息為命令軌跡速度、命令軌跡加速度、命令軌跡急衝度其中一種資料訊息。
  5. 如申請專利範圍第1項所述前饋權重調整方法，其中，上述輔助訊息為系統反饋速度、系統反饋加速度、系統反饋急衝度、系統扭矩監測值、系統位置與速度閉迴路控制偏差值、伺服演算法內部變數、傳感器模組反饋值其中一種資料訊息。
  6. 如申請專利範圍第1項所述前饋權重調整方法，其中，上述軌跡規劃模組以梯度法或其他數值最佳化方法整合上述軌跡規劃訊息與輔助訊息產生上述調整訊息。
  7. 一種前饋權重調整演算裝置，運用於一數位控制機台，包含：一軌跡規劃模組，用以產生一軌跡規劃訊息；一傳感器模組，裝設於上述數位控制機台並用以產生一輔助訊息；一前饋權重演算模組，具有一權重調整資料庫並電性連接於上述軌跡規劃模組與傳感器模組，且接受上述軌跡規劃訊息與輔助訊息計算出一精度指標與一光潔度指標，再由上述精度指度與光潔度指標求得代價指標函數，而上述前饋權重演算模組再透過上述軌跡規劃訊息、輔助訊息與上述前饋權重演算模組的數值資料用以產生一調整訊息，上述權重調整資料庫接收上述調整訊息；一前饋控制模組，電性連接於上述軌跡規劃模組與前饋權重演算模組，用以接收上述軌跡規劃訊息與調整訊息並演算形成一第一控制訊息； 一閉迴路控制模組，電性連接上述軌跡規劃模組與前饋權重演算模組，用以接收上述軌跡規劃訊息與調整訊息並演算形成一第二控制訊息；以及一驅動模組，接受上述第一控制訊息與第二控制訊息並電性連接上述前饋控制模組與閉迴路控制模組。
  8. 如申請專利範圍第7項所述前饋權重調整演算裝置，其中，上述軌跡規劃訊息為命令軌跡速度、命令軌跡加速度、命令軌跡急衝度其中一種資料訊息。
  9. 如申請專利範圍第7項所述前饋權重調整演算裝置，其中，上述輔助訊息為系統反饋速度、系統反饋加速度、系統反饋急衝度、系統扭矩監測值、系統位置與速度閉迴路控制偏差值、伺服演算法內部變數、傳感器模組反饋值其中一種資料訊息。
  10. 如申請專利範圍第7項所述前饋權重調整演算裝置，其中，上述前饋權重演算模組具有一權重調整資料庫，上述權重調整資料庫用以儲存上述調整訊息。
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