專利名稱：微小線段高速加工的前瞻自適應速度控制方法
技術領域：
本發明屬于數控設備一種自適應的加減速控制方法，特別涉及微小線段 高速加工的前瞻自適應速度控制方法。
背景技術：
目前，復雜型面加工往往由CAM軟件生成微小直線段來逼近，其長度大 多不超過lmm(最小0. lmm)，總程序量多達幾萬甚至幾十萬個程序段，進給速 度高達60m/min，加速度高達9. 18-2*9. 18m/s2。常規的加減速方法是以每一 小路徑段為研究對象，并使每段起始和末尾速度都為零。這種方法會造成系 統頻繁啟停、速度緩慢、效率低和加工質量差。因此，必須要解決小線段之 間的加工速度平滑過渡問題。
現有的一些小線段加工控制方法僅考慮了加速度采用恒定值的直線加減 速方式，這種方法將對機床產生較大的柔性沖擊，而且若不考慮拐角誤差對 速度產生的限定，拐角處的插補誤差無法得到保證；同時若僅考慮合成加速 度值的限定，當運動方向與進給軸的夾角過小時，很容易造成單軸的加速能 力超負荷。
發明內容
本發明的目的在于提供一種微小線段高速加工的前瞻自適應速度控制方 法，該方法具有很高的加工精度和加工速度，能滿足高檔數控系統的要求。
本發明提供的微小線段高速加工的前瞻自適應速度控制方法包括數控 系統進行多層預讀譯碼處理，利用預讀的程序段信息對待加工段的末速度進 行預計算，根據計算結果調整加減速時間常數，選擇加減速曲線類型，再進 行S曲線加減速快速計算，使數控設備高速、平滑加工微小線段。
所述的待加工段末速度預計算包括前瞻預處理緩沖區Bs接收譯碼緩 沖區Cs傳送的程序段，根據程序段的信息進行前瞻預處理，計算待加工段 的末速度；1)最大允許加速度預計算 路徑段/,的最大允許加速度之 ,為
<formula>formula see original document page 5</formula>(1)
其中，"raax "",隨,"，,"z隨卩為加工過程中最大加速度，、=(^,， ,,，、,f和
、=(、,,、，,，^,f分別為/(/)段在起點處和終點處的單位方向矢量；
2)相鄰段轉接處最大允許速度預計算
根據轉接點處加速度約束條件和速度約束條件可得，第/(/)段與第/(f + l)段 的轉接處最大允許速度v^^,為
<formula>formula see original document page 5</formula> (2)
其中，；"；,v，,^J為允許的最大進給速度，r為插補周期，^,和^，,
分別為加速度約束條件和速度約束條件所得結果； 3)待加工段末速度的前瞻預計算
分別計算待加工段/(0段以加速方式所能達到的極限速度《)，待加工段 的反向修正末速度v^ ，則待加工段/(0的實際末速度為
<formula>formula see original document page 5</formula> (3)
其中，為第"i)段與第/0' + 1)段的轉接處最大允許速度。
所述的加減速時間常數，選擇加減速曲線類型，前瞻預處理后的各項數 據送到插補緩沖區As，根據加減速過程的起點速度K和終點速度^的絕對差 值h-、l調整加減速時間常數乙，并根據Iv,-、l與預設閾值^^。w大小的比 較，自適應地選擇加減速曲線類型。
所述的S曲線加減速快速計算包括選擇S曲線進行加減速后，根據 As中的各項數據計算加減速的各段區長與各個插補周期的實時進給速度；
1)加速區長、勻速區長、減速區長預計算
加速區長&,為
<formula>formula see original document page 5</formula>(4)減速區長&,為
S _ Jmin{limL(vm,,vei,U /,},當\,<^,, (" 3'' = i。， 當、■》^
勻速區長度&為
、(6) 其中，^是當前路徑段的起始速度，A^是加速度由0達到最大值的插補周 期數，％是最大進給速度，/,.為路徑段長度，limL表示從速度、,到^的理 論段長。
2)各個插補周期的實時進給速度計算 設第y'步時，未加工軌線長度為"m(力，
加速過程若S，,O，則無加速過程；否則存在加速過程，速度變化由
—％;
勻速過程若&,,=0，則無勻速過程；否則存在勻速過程，設速度均為、,； 減速過程若&,,=0，則無減速過程；否則，先判斷是否進入減速區當 wmC/)S&,0時，進入減速區，速度變化由v^,—ve,。
本發明提供的微小線段高速加工的前瞻自適應速度控制方法，應用于數 控系統加工中，最大指令速度可以達到40m/min，微小線段長度達O.OOlmm， 精度達到0.001mm，能滿足高精度數控系統的要求，在工業上有很高的實用 性。
圖l譯碼流程示意圖； 圖2是前瞻自適應S曲線加減速參數圖3(a)是含勻加速段且4^ =^.<77的加速段理論長度計算示意圖； 圖3(b)是含勻加速段且A^ # W.JT的加速段理論長度計算示意圖； 圖3(c)是不含勻加速段且人ax =1 JT的加速段理論長度計算示意圖； 圖3(d)是不含勻加速段且4^ ^iV.JT的加速段理論長度計算示意圖； 圖4(a)是含勻減速段且-《^ = iV.(-JT)的減速段理論長度計算示意圖； 圖4(b)是含勻減速段且-《ax ^iV.(-JT)的減速段理論長度計算示意圖； 圖4(c)是不含勻減速段且-= iV. (-JT)的減速段理論長度計算示意圖；圖4(d)是不含勻減速段且-《m ^AK-JT)的減速段理論長度計算示意圖。
具體實施例方式
本發明提供了一種微小線段高速加工的前瞻自適應速度控制方法，對數 控系統進行多層預讀譯碼處理，根據多段的過渡情況和線段的長度，自動地 調節加減速時間常數與加減速曲線類型。
本發明提供的微小線段加工的前瞻自適應速度控制方法包括待加工段 的末速度預計算；加減速時間常數與加減速曲線類型的自適應選擇策略；S 曲線加減速快速計算。
下面將結合附圖對本發明進行詳細描述。
參見圖1所示，本系統為了避免加工對軌跡的影響，采用多級緩沖區結 構，即譯碼緩沖區Cs，前瞻預處理緩沖區Bs，插補緩沖區As。
譯碼緩沖區Cs用以存放所讀入的一段新程序；前瞻預處理緩沖區Bs由 N個緩沖寄存器BsReg[i]組成，用于前瞻法規劃速度，其中前兩個寄存器 BsReg[l]、 BsReg[2]既用于速度規劃，也用于刀補計算；插補緩沖區As用于 存放當前運動控制指令。其中，Cs、 BsRegl[i]、 BsReg2[j]的數據結構均相同， 定義如下
N;
GX[7]; MCode[5]; X,Y,Z，A，B，C; I,J,K,R; F,S;
〃表示文件號，
int
int
long
long
int
〃存儲每行中的G代碼 〃存儲每行中的M代碼 〃存儲每行的坐標數據 〃圓弧相關參數
〃存儲本行中的進給速度和主軸轉
速
};
As的數據結構如下 struct UnReg2{
int long long int
Type;
X，Y,Z,A,B，C; I，J，K,R,Plate; F,S;
〃插補類型
〃存儲加工段的終點坐標數據 //存儲加工段的圓弧相關參數 〃存儲加工段的進給速度和主軸轉int MCode[5]; long v0，ve;
〃存儲加工段的M代碼 〃存儲加工段的起點速度和終點速
};
i.待加工段末速度計算
所述待加工段末速度計算包括前瞻預處理緩沖區Bs接收譯碼緩沖區 Cs傳送的程序段，根據程序段的信息進行前瞻預處理，計算待加工段的末速
(1)最大允許加速度預計算
為了簡化計算過程，計算最大允許加速度A^，,時，僅考慮起點處與終點 處的各軸加速度約束條件，艮口
max
4
"max 氣
《
其中，"_=(",腿,",隨,"_)"為加工過程中最大加速度， 、=(%,^,、,f分別為/①段在起點處和終點處的單位方向矢量。
因此，最大允許加速度i^為
廣和
":cmax ";cn
、, ,,
(1)
(2)相鄰段轉接處最大允許速度預計算 第/(/)段與第/(/ +1)段的轉接處最大允許速度計算如下-轉接點處加速度約束條件為
max"""
-v . e . ， 一e 化a 77 轉接點處的速度約束條件為
max
"e，i J ^ V戸祖且Ve，i ^^+11 ^ ^ymax
其中，v鵬—、匪,v^^狀f為允許的最大進給速度，r為插補周期。由式(4)'(5)可得，相鄰段轉接處最大允許速度、 ^為
^巾，v . = mill ] "^max^j^ , "ymax^j^ , "zmax^
max Vxmax 、 maxV少max V2 max\ max
(2)
=mm
(3)待加工段末速度的前瞻預計算
假設前瞻法中所需的預讀段數為N，其計算步驟為
步驟l:令r0，由當前路徑段/("")的信息(路徑長度/,+ ，起點速度、+ ， 指令速度《+ ),按S型加速的方式求該路徑段的終點進給速度v:";
步驟2:讀下一條指令以獲取下一條路徑段/(f + w + l)的信息。如果下一條 指令不是運動指令或者第/(/ + ")段為最后一條指令，則令當前路徑段的終點 進給速度為《)+ -0，轉到步驟6，否則轉到步驟3;
步驟3:根據當前路徑段/("")和下一路徑段/(/ + " + 1)之間的夾角，修正 當前路徑段+ ")的終點進給速度《)+ 得到《+ ，并令/(/ + w +1)段起點進給速 度\,+ +1=《 ，轉點處的修正速度為
v—+1=vS+" =min{vS)+",v,+"} °
步驟4:以減速的方式計算下一路徑段/(/ + " + 1)的終點速度《)+ +1。如果 能在/(/ + " + 1)段內把進給速度降為零，即《L+^0，則不必獲取后續路徑段的 信息，轉到步驟6，否則轉到步驟5;
步驟5:把下一路徑段/(z' + w + l)作為當前處理的路徑段，以遞歸方式轉到 步驟2;
步驟6:利用S型加速規律反向修正速度。設《為需反向修正的路徑段 段數，若路徑段/(/ + " + 1)不存在(由步驟2跳轉而來)，貝1』令《="，否則，路
徑段/(/ + "+1)存在(由步驟4跳轉而來)，則令《="+ 1。反向修正《步，得到
待加工段的反向修正末速度《 。
由此，待加工段/⑦的實際末速度為
v,min(《),v—,^ (3) 2.加減速時間與加減速曲線類型的自適應選擇策略
所述的加減速時間與加減速曲線類型的自適應選擇策略包括前瞻預處 理后的各項數據送到插補緩沖區As，根據加減速過程的起點速度v,和終點速度^的絕對差值卜,-v"調整加減速時間常數T^，并選擇加減速曲線類型。
(1) 加減速時間常數7L,的自適應調整
加減速時間常數乙與加減速過程的起點速度v,和終點速度、的絕對差值 卜,-v」成正比，從而完成其自適應調整。
(2) 加減速曲線類型的自適應選擇策略
由于直線加減速方法其計算簡單，但加速度變化不連續，容易對數控設
備產生沖擊；而S型加減速方法能保證加速度變化連續，其計算較直線加減 速方法復雜，兩者各有其優缺點。為了更好地發揮直線加減速方法與S型加 減速方法的特點，根據加減速過程的起點速度與終點速度的絕對差值卜,-v」 與預設閾值KteA。w大小的比較，自適應地選擇加減速曲線類型。
若k-v」《^^。,J寸，采用直線加減速方法；否則采用S型加減速方法。
3. S曲線加減速快速計算
所述的S曲線加減速快速計算包括選擇S曲線進行加減速后，根據 As中的各項數據進行加(減)速過程的理論路徑長度limL",^Ag的計算， 當前加工段的最大進給速度預計算，加速區長、勻速區長、減速區長預計算， 各個插補周期的實時進給速度計算。
參見圖2所示，運行過程可分為7段加加速段、勻加速段、減加速段、 勻速段、加減速段、勻減速段、減減速段。圖中起點速度為^，終點速度為^。 ,是時間坐標；""0,1,2,...，7;)是各個階段的過渡點時亥1」；&^ = 1，2,...,7;)是局部 時間坐標，表示以各個階段的起始點作為時間零點的時間表示，7;(* = 1,2,...,7) 是各個階段的持續運行時間。 一般情況下，電機正反向的負載驅動能力是一 致的，因此可假設電機的正向和反向最大加速度相等，即4^-Ahm。假設電 機加速度從0達到最大值和從最大值減至0的時間相等，將這個時間設定為 系統的一個特性時間常數，以L表示。L越大，加減速時間長，柔性大。 (1)加(減)速過程的理論路徑長度limL",^,iVj的計算
參見圖3、圖4所示，若^-^l〉Ki^+iyr2時，則加(減)速過程存在 勻加(減)速段；若^-1(1+1)^2時，則加(減)速過程不存在勻加
(減)速段。圖3 (a)和圖3 (b)存在勻加速過程，圖4 (a)和圖4 (b) 存在勻減速過程。
力口 (減)速理論段長limL(^^Ag的計算速度變化由^4^，加速度由 0 — i狀(或i^—0)時間為L-A^T，其加(減)速過程的理論段長 limL()^2式)為<formula>formula see original document page 11</formula>
A， w2， ^及J等參數定義為
'夂，當M〉0 ^=JAf2, 當M^0J3^為整數 ，"2 「M2"]，當M^O且A^不為整數
M,, 當^>0_@^1為整數 「M,"l，當M,〉(XgJ^不為整數； 0, 當M^0
^=1
A, 加速過程"<^) -巧，減速過程(^>^)
/， 加速過程(^<「2)
- /， 減速過程(^>^)
廿^
=*(-w,-r2i/^2+i) ， n為上取整符號'
a1=
K - 72| - (A+"2)( i -
(2 j + w2)r
(2)當前加工段的最大進給速度預計算 令當前路徑段/(/)的起始速度為、,，終止速度為、，路徑段長度為/,，指
令速度為《，插補周期為r，加速度由o達到最大值i^,,(或最大值i雙，,減
至0)的插補周期數為A^。 limL",^，Ag表示速度變化由F;4J/2，加速度由
0 —iax(或i狀40)，時間為4=^7時加(減)速過程的理論段長。最大
進給速度 為
V = V0 ^ f Of V ，, > Vf且A ^ A) W V ^ A且Vw > Ve,且A > A)
《，
0，
ve 2《且ve" > 1^ or《> ve,, > V, j且/,《Z0
^>^且《>、且/,々丄1+丄2 其他
(5)
其中，Z。=limL(\,，Ve,,,iVm,,)， Z^limL( ，《,A^)， Z2 =limLiVm,,) ， vm。
(、。<巧)為"加速—減速過程"的最大進給速度。 (3)加速區長、勻速區長、減速區長預計算 加速區長S,，,.為
)min(limL(vs,.，,iVm,■ )， /J,當v,, <v
0,
當v,
(6)
減速區長&,.為<formula>formula see original document page 12</formula>
勻速區長度&，,為
<formula>formula see original document page 12</formula>
(4)各個插補周期的實時進給速度計算 設第y步時，未加工軌線長度為m^(力，則加速過程 若S,，,O，則無加速過程；否則存在加速過程，速度變化由、—、,，設 加速過程中的第&步速度為《，貝U:
<formula>formula see original document page 12</formula>
其中，《=
<formula>formula see original document page 12</formula>， n為上取整符號。
勻速過程
若&,=0，則無勻速過程；
否則存在勻速過程，設勻速過程中的第&步速度為《) . 減速過程
若&，,=0，則無減速過程； 否則，先判斷是否進入減速區當"mC/)S&，^0時，進入減速區，速度 變化由^,4、，設減速過程中的第&步速度為vf，貝U:
<formula>formula see original document page 12</formula>其中，d
，3)>0
，3)《0，23)為微，
封)so贈)不為纖
《 酬3)>0_^3)為纖
當<):>0_@_<)不為纖'
0， 當Mf)SO
"1 _(2nf)《)r ，'
《,2
Mn(-i+抓廠gK+i)， 「.l為上取整符號。
本發明提出的利用前瞻自適應速度控制實現數控機床加工中復雜型面微 小
線段的加工速度控制方法，具有很高的加工速度和加工精度，實驗表明該算
法最大運動速度可達到40m/min，微小線段長度達0.001mm，精度達到 0.001mm，加工過程中設備運行平穩，能滿足高速數控系統的要求。
1權利要求
1. 一種微小線段高速加工的前瞻自適應速度控制方法，其特征在于，數控系統進行多層預讀譯碼處理，利用預讀的程序段信息對待加工段的末速度進行預計算，根據計算結果調整加減速時間常數，選擇加減速曲線類型，再進行S曲線加減速快速計算，使數控設備高速、平滑加工微小線段。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的待加工段末速度預計算包括前瞻預處理緩沖區BS接收譯碼緩沖區CS傳送的程序段，根據程序段的信息進行前瞻預處理，計算待加工段的末速度； 1)最大允許加速度預計算 路徑段/;的最大允許加速度i^為<formula>formula see original document page 2</formula>其中，"隨隨,"z薩;T為加工過程中最大加逢度，、,=(^,,、,,，、,)7和 、=(^,,^,,%f分別為/(o段在起點處和終點處的單位方向矢量；2) 相鄰段轉接處最大允許速度預計算 根據轉接點處加速度約束條件和速度約束條件可得，第/(/)段與第/("i)段的轉接處最大允許速度v￡max，,為-其中，；+,腿,V狀，；aJ為允許的最大進給速度，r為插補周期， 和％分別為加速度約束條件和速度約束條件所得結果；3) 待加工段末速度的前瞻預計算分別計算待加工段/。段以加速方式所能達到的極限速度v^ ，待加工段 的反向修正末速度vg ,則待加工段/(/)的實際末速度為ve, 二min(《)，Ve隨"v)" (3)其中，Lax，,為第/(0段與第/(/ + 1)段的轉接處最大允許速度。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的加減速時間常數，選擇加減速曲線類型，前瞻預處理后的各項數據送到插補緩沖區As，根據加減速過程的起點速度K和終點速度、的絕對差值卜,-v」調整加減速時間常數 L，并根據卜,-V"與預設閾值K^^大小的比較，自適應地選擇加減速曲線 類型。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的S曲線加減速快速計算包括選擇S曲線進行加減速后，根據As中的各項數據計算加減速的 各段區長與各個插補周期的實時進給速度；1)加速區長、勻速區長、減速區長預計算加速區長\,為<formula>formula see original document page 3</formula>減速區長&,為<formula>formula see original document page 3</formula>(4)(5)勻速區長度52，;為(6)其中，、是當前路徑段的起始速度，1，;是加速度由0達到最大值的插補周 期數，、,是最大進給速度，〖為路徑段長度，limL表示從速度、到v,的理 論段長。2)各個插補周期的實時進給速度計算 設第7步時，未加工軌線長度為mK力，加速過程若&=0，則無加速過程；否則存在加速過程，速度變化由勻速過程若&，,=0，則無勻速過程；否則存在勻速過程，設速度均為\;; 減速過程若&，,=0，則無減速過程；否則，先判斷是否進入減速區當 ^m(7)《&，^0時，進入減速區，速度變化由
全文摘要
本發明公開一種高速數控設備的前瞻自適應速度控制方法。該方法數控系統進行多層預讀譯碼處理，利用預讀的程序段信息對待加工段的末速度進行預計算，根據計算結果調整加減速時間常數，選擇加減速曲線類型，再進行S曲線加減速快速計算，使數控設備高速、平滑加工微小線段。前瞻自適應速度控制方法包括待加工段末速度預計算；加減速時間常數與加減速曲線類型的自適應選擇策略；S曲線加減速快速計算。本發明為數控設備提供了一種自適應的加減速控制方法，使數控設備具有高速、平滑地加工微小線段的能力，滿足了高速高精度數控設備的速度控制要求。
文檔編號G05B19/416GK101510087SQ20091002101
公開日2009年8月19日 申請日期2009年1月21日 優先權日2009年1月21日
發明者張家良, 曹建福, 李余強, 霖 汪 申請人:西安交通大學