CN102419570A - 数控机床高速加工的加减速前瞻控制方法 - Google Patents

数控机床高速加工的加减速前瞻控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种数控机床高速加工的加减速前瞻控制方法。其操作步骤如下：（1）由CAD/CAM模型的曲线数据，根据轮廓误差，截成NC曲线数据模型；（2）在NC代码的基础上，输入***参数，如插补周期T，最大速度Vmax等；（3）在此基础上进行微段整体S形速度规划及确定各段在S形速度曲线上相对应的速度（i=1：N，N为前瞻段数，即确定从第一段至第N段的速度值）；（4）确定微段转接角允许通过速度（i=1：N）；（5）确定转角允许速度小于规划速度的点；（6）输出加工插补点；（7）运动控制***执行以上信息，完成零件的加工。步骤（5）是在比较S形速度曲线上的速度与转接角允许通过速度的基础上确定微段加工所能通过的合理速度，进而得出一条效率最高的S形速度曲线，最后输出加工插补点至运动控制***。本发明在保证加工精度的同时，大大提高了加工的效率，而且有效地避免了机床的柔性冲击，延长了机床和刀具的使用寿命。

Description

数控机床高速加工的加减速前瞻控制方法
技术领域
本发明涉及一种数控机床高速加工的加减速控制方法，属于数控技术领域。具体地说是一种在保证加工精度和在微段衔接点所允许通过的速度的前提下计算出一条效率最高的S形速度曲线。
背景技术
高速高精度是数控***当前的发展趋势，加减速控制是高速数控***的核心技术之一。
传统的速度规划方法是以每段小路径为研究对象, 通过假设路径段起点和终点速度为零来保证加工精度。该方法虽能保证刀具经过路径的衔接点,对于普通曲面来说加工精度和速度均可满足要求,但随着实际应用中加工曲面的日趋复杂,加工路径越来越短, 造成伺服电机频繁启停, 加大冲击与振动, 降低了加工效率, 影响了加工质量。在这种情况下，采用S形加减速规律进行前加减速插补已逐步成为数控***的主流方案。S形加减速具有加速度均匀变化的特点,兼顾了运动效率和平稳性,因更具有实用价值而日益受到青睐。但由于其模型是分段连续函数,计算量大，不易求解, 使其使用范围受到了极大的限制。因此, 如何有效地减小计算量，兼顾加工路径的几何特性等的制约，合理地进行S形速度规划就成为数控机床高速加工乃至高档数控***研发的关键问题。
发明内容
针对现有技术中数控***速度规划在加减速阶段存在圆整度突变使数控机床运动时产生剧烈机械振动，S形曲线加减速规划计算复杂的问题，本发明的目的在于提供一种在保证加工精度的同时，大大提高了加工的效率，而且有效地避免了机床的柔性冲击的数控机床高速加工的加减速前瞻控制方法。
为实现上述目标，本发明的技术方案如下：
一种用于数控机床高速加工的加减速前瞻控制方法，包括以下步骤：（1）由CAD（计算机辅助设计）/CAM（计算机辅助制造）模型的曲线数据，根据轮廓误差，截成NC（数字控制）曲线数据模型；（2）在NC代码的基础上，输入***参数，如插补周期T，最大速度Vmax等；（3）在此基础上进行微段整体S形速度规划及确定各段在S形速度曲线上相对应的速度                                                
Figure 332646DEST_PATH_IMAGE001
（i=1:N，N为前瞻段数，即确定从第一段至第N段的速度值）；（4）确定微段转接角允许通过速度
Figure 795988DEST_PATH_IMAGE002
（i=1:N）；（5）确定转角允许速度小于规划速度的点；（6）输出加工插补点；（7）运动控制***执行以上信息，完成零件的加工。步骤（5）是在比较S形速度曲线上的速度与转接角允许通过速度的基础上确定微段加工所能通过的合理速度，进而得出一条效率最高的S形速度曲线，最后输出加工插补点至运动控制***。
所述步骤（1）中的由CAD（计算机辅助设计）/CAM（计算机辅助制造）模型的曲线数据，根据轮廓误差，截成NC（数字控制）曲线数据模型是在经过CAD中建模之后，将模型送至CAM中进行加工，并按照一定的加工轮廓误差，本发明中取值为0.025mm，截成NC曲线数据模型。
所述步骤（2）中的在NC代码的基础上，输入***参数是在截成的NC曲线数据模型基础上，输入数控机床***参数，本发明中所需***参数为：插补周期T，最大速度Vmax，最大加速度Amax，最大加加速度Jmax，前瞻段数N。
所述步骤（3）中的微段整体S形速度曲线及各段在S形速度曲线上相对应的速度
Figure 140382DEST_PATH_IMAGE001
（i=1:N，N为前瞻段数）是在***生成的NC曲线数据模型基础上，根据模型上数据点值以及相邻两坐标点之间段长的计算公式计算出段长L的值，根据已知段长L、初速度vs、末速度ve模型可对前瞻段内进行计算，得到整体S形速度曲线，并得到段长L得相对应的在S形速度曲线上的速度值
Figure 808999DEST_PATH_IMAGE001
，具体推导如下：
Figure 518329DEST_PATH_IMAGE003
                                   （1）
Figure 406650DEST_PATH_IMAGE004
                   （2）
Figure 289155DEST_PATH_IMAGE005
               （3）
上式中，J为加加速度，
Figure 641639DEST_PATH_IMAGE006
为加速度
Figure 521871DEST_PATH_IMAGE007
达到最大值
Figure 396024DEST_PATH_IMAGE008
时所需的时间，
Figure 82220DEST_PATH_IMAGE009
为匀速段时间，
Figure 289210DEST_PATH_IMAGE010
为可以达到的最大速度，
Figure 340343DEST_PATH_IMAGE011
为加速度
Figure 265574DEST_PATH_IMAGE012
降到0时所需的时间，
Figure 489882DEST_PATH_IMAGE008
为机床所允许的最大加速度。
完整的 S曲线加减速实现方法中，加减速的过程被分为加加速、匀加速、减加速、匀速、加减速、匀减速、减减速七个阶段，如图2所示，为了得到整段加减速曲线的模型，需要确定
Figure 754641DEST_PATH_IMAGE006
 到
Figure 773412DEST_PATH_IMAGE013
 各个阶段的时间，计算量较大，程序实现复杂，为此，本发明提出将七阶段 S曲线加减速简化为五个阶段， 即加减速过程由加加速、减加速、匀速、加减速和减减速阶段组成，如图3所示，由图可看出，与七阶段 S曲线加减速实现方法相比，虽然省略了匀加速段和匀减速段，但五阶段 S曲线加减速同样能始终保证加速度连续、速度与时间关系一阶连续、位移与时间关系二阶连续，满足柔性加减速的要求。
所述步骤（4）中的转接角允许通过速度
Figure 123622DEST_PATH_IMAGE014
（i=1:N）是在***生成的NC曲线数据模型基础上，根据模型上数据点值以及相邻两坐标点之间夹角的计算公式计算出夹角
Figure 151621DEST_PATH_IMAGE015
的值，考虑到数控***加工的插补周期T及机床所允许的最大加速度
Figure 333204DEST_PATH_IMAGE016
的限制，转接角允许通过速度模型如图4所示，刀具沿路径段AB加工到终点B时的进给速度为
Figure 224674DEST_PATH_IMAGE017
，然后进入下一个路径段BC的加工，在BC段起点处的进给速度，其与
Figure 362711DEST_PATH_IMAGE019
的夹角为
Figure 664380DEST_PATH_IMAGE015
，大小相同。由此计算在该相邻路径段连接处的加速度大小为：
                             
Figure 290533DEST_PATH_IMAGE020
                 （4）
上式中T为插补周期。由于数控***一般有最大的加速度限制，即：
Figure 349756DEST_PATH_IMAGE021
             （5）
由上式可得出对相邻路径段连接处进给速度大小的限制为：
Figure 719558DEST_PATH_IMAGE022
                       （6）
    根据上式可确定各段在转接角限制下的通过速度
Figure 875732DEST_PATH_IMAGE023
，本发明记为
Figure 610470DEST_PATH_IMAGE024
，此即为限制条件下所允许的最大临界通过速度，只有当实际通过速度小于或等于此速度时，才为各段的可行通过速度。
取出在曲线速度规划中不满足
Figure 219306DEST_PATH_IMAGE025
Figure 127219DEST_PATH_IMAGE026
Figure 591697DEST_PATH_IMAGE027
点进行整体S形速度规划，重新得到各段在S形速度曲线上相对应的速度
Figure 559653DEST_PATH_IMAGE025
，各段的
Figure 655785DEST_PATH_IMAGE024
值不变；当S形速度曲线上各段相对应的速度
Figure 305072DEST_PATH_IMAGE025
Figure 170260DEST_PATH_IMAGE026
Figure 309117DEST_PATH_IMAGE027
时，此时所得的速度曲线即为规划的效率最高的S形速度曲线；
所述的输出加工插补点是在上述计算的插补点输出至运动控制***。
运动控制***执行以上信息，完成零件的加工。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的实质性特点和优点：
本发明根据计算机辅助制造（CAM）***产生加工数据代码（G代码）后，根据加工数据代码（G代码）的坐标值信息，进行微段整体计算，得出其S形速度曲线，以及各段在S形速度曲线上相对应的速度
Figure 830228DEST_PATH_IMAGE025
（i=1:N，N为前瞻段数）、微段转接角允许通过速度
Figure 345523DEST_PATH_IMAGE028
（i=1:N），当S形速度曲线上各段相对应的速度
Figure 65218DEST_PATH_IMAGE025
时，此时所得的速度曲线即为规划的效率最高的S形速度曲线，在保证了精度的同时，有效地提高了效率，同时有利于克服机床的柔性冲击，适应于各种数控机床，尤其是经济型数控机床，具有较好的通用性。
附图说明
图1是本发明速度规划流程图。
图2是完整的7段S形速度曲线图。
图3是本发明所采用的5段S形速度曲线图。
 图4是转接角所允许通过速度模型示意图。
 图5是本发明确定速度差异点的流程图。
图6是本发明的一个实例。
图7是截成的NC曲线数据模型。
图8是所得的S形速度曲线图。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图说明如下：
实施例一：
 参见图1，本数控机床高速加工的加减速前瞻控制方法，包括以下步骤：由CAD/CAM模型的曲线数据，截成NC曲线数据模型，在NC代码的基础上，进行微段整体计算，得出其S形速度曲线及各段在S形速度曲线上相对应的速度
Figure 873008DEST_PATH_IMAGE029
（i=1:N，N为前瞻段数）；确定微段内转接角允许通过速度（i=1:N）；确定转角允许速度小于规划速度的点；从而得出一条效率最高的S形速度曲线，最后输出加工插补点至运动控制***。
实施例二：
参见图1，图2，图3、图4和图5，本实施例与实施例一相同，特创之处如下：
所述的微段整体S形速度规划及各段在S形速度曲线上相对应的速度
Figure 193448DEST_PATH_IMAGE001
（i=1:N，N为前瞻段数）的确定是在数控***生成的NC代码基础上，根据模型上数据点值以及相邻两坐标点之间段长的计算公式计算出段长L的值，得到相邻两坐标点之间的段长L，根据整体段长、初速度vs、末速度ve模型可对前瞻段内进行整体计算，得出其S形速度曲线，并得到各段相对应的在S形速度曲线上的速度值
Figure 689152DEST_PATH_IMAGE001
，具体推导如下：
Figure 280670DEST_PATH_IMAGE030
                                   （7）
                   （8）
Figure 829780DEST_PATH_IMAGE032
               （9）
上式中，J为加加速度，
Figure 609517DEST_PATH_IMAGE006
为加速度
Figure 942410DEST_PATH_IMAGE007
达到最大值
Figure 193000DEST_PATH_IMAGE033
时所需的时间，
Figure 15463DEST_PATH_IMAGE034
为匀速段时间，
Figure 220179DEST_PATH_IMAGE035
为可以达到的最大速度，
Figure 419079DEST_PATH_IMAGE036
为加速度
Figure 87958DEST_PATH_IMAGE037
降到0时所需的时间，
Figure 19005DEST_PATH_IMAGE033
为机床所允许的最大加速度。
所述的转接角允许通过速度
Figure 773334DEST_PATH_IMAGE038
（i=1:N）的确定是在***生成的NC曲线数据模型基础上，根据模型上数据点值以及相邻两坐标点之间夹角的计算公式计算出夹角的值，考虑到数控***加工的插补周期T及机床所允许的最大加速度
Figure 971415DEST_PATH_IMAGE016
的限制，得：
Figure 401259DEST_PATH_IMAGE039
Figure 79103DEST_PATH_IMAGE040
 ，
Figure 354226DEST_PATH_IMAGE041
为路径段夹角                             （10）
此即为限制条件下所允许的最大临界通过速度，只有当实际通过速度小于或等于此速度时，才为各段的可行通过速度。
所述的速度最大差异点的确定是在不满足
Figure 997697DEST_PATH_IMAGE042
Figure 270547DEST_PATH_IMAGE026
Figure 999468DEST_PATH_IMAGE027
时，取
Figure 78283DEST_PATH_IMAGE043
、
Figure 513943DEST_PATH_IMAGE044
中速度最大差异点为
Figure 285590DEST_PATH_IMAGE045
，如图5所示，具体包括以下步骤：
分别对1：段和
Figure 56417DEST_PATH_IMAGE045
：N段进行整体计算，得出其S形速度曲线，重新得到各段在S形速度曲线上相对应的速度
Figure 408901DEST_PATH_IMAGE046
，各段的
Figure 351449DEST_PATH_IMAGE047
值不变；当S形速度曲线上各段相对应的速度
Figure 231461DEST_PATH_IMAGE048
Figure 652078DEST_PATH_IMAGE026
Figure 124648DEST_PATH_IMAGE049
时，此时所得的速度曲线即为规划的效率最高的S形速度曲线；
实施例三：
本数控机床高速加工的加减速前瞻控制方法，以S形加减速速度规律曲线模型为基础，综合考虑各段在S形速度曲线上相对应的速度
Figure 175781DEST_PATH_IMAGE029
（i=1:N，N为前瞻段数）、微段转接角允许通过速度（i=1:N）的影响，确定微段加工所能通过的合理速度，从而得出一条效率最高的S形速度曲线。本发明方案如图1所示：
根据输入的工件加工数据，在数控***生成的NC代码基础上，首先根据已知条件（微段段长L，初始速度vs, 末速度ve）对前瞻段内进行整体计算，得出其S 形速度曲线，同时可得微段内各段在S形速度曲线上所对应的速度值
Figure 325319DEST_PATH_IMAGE001
，然后进行各段所允许通过速度的计算，综合考虑机床***参数（如机床插补周期T，最大速度Vmax, 最大加速度
Figure 324499DEST_PATH_IMAGE051
，最大加加速度Jmax，前瞻段数N）的影响，并考虑相邻路径段连接角的约束条件，得出连接角所允许通过的速度
Figure 608850DEST_PATH_IMAGE002
。对于前瞻段数为N的微段，比较各段的
Figure 959060DEST_PATH_IMAGE052
、
Figure 987059DEST_PATH_IMAGE053
值，若各段的值，则S形速度曲线图上各段的速度都是在限制条件下所能达到的速度，即此S形速度曲线为所规划的效率最高的速度曲线。否则取出在曲线速度规划中不满足
Figure 694356DEST_PATH_IMAGE026
Figure 260466DEST_PATH_IMAGE024
点进行整体S形速度规划，重新得到各段在S形速度曲线上相对应的速度
Figure 499818DEST_PATH_IMAGE001
，各段的
Figure 860392DEST_PATH_IMAGE002
值不变；当S形速度曲线上各段相对应的速度
Figure 247511DEST_PATH_IMAGE046
Figure 554995DEST_PATH_IMAGE026
Figure 445591DEST_PATH_IMAGE055
时，此时所得的速度曲线即为规划的效率最高的S形速度曲线；最终得到的S形速度曲线即为满足段内允许速度、相邻转接角约束条件下所能得到的可以实现的最大效率的速度曲线图。
图6为本发明的一个实例，根据本发明实施步骤，（1）由CAD（计算机辅助设计）/CAM（计算机辅助制造）模型的曲线数据，根据轮廓误差，截成NC（数字控制）曲线数据模型是在经过CAD中建模之后，将模型送至CAM中进行加工，并按照一定的加工轮廓误差，本发明中取值为0.025mm，截成NC曲线数据模型。如图7所示；（2）在NC代码的基础上，输入***参数，本发明中所需***参数为：插补周期T＝0.004s，最大速度Vmax=250mm/s，最大加速度Amax=3535.5mm/s^2，最大加加速度Jmax=50000mm/s^3，前瞻段数N=15;（3）***生成的NC曲线数据模型基础上，根据模型上数据点值以及相邻两坐标点之间段长的计算公式计算出段长L的值，其L值具体如下：L＝[0.019 2.056 0.056 2.171 0.066 1.457 0.064 1.302 0.064 1.26 0.095 2.622 0.117 2.823 0.073]；并得
Figure 180329DEST_PATH_IMAGE001
值，
Figure 789165DEST_PATH_IMAGE001
＝[4.96 108.73 110.16 145.17 145.81 155.64 155.90 158.29 158.27 155.24 154.79 128.28 126.25 12.39 0]；（4）在***生成的NC曲线数据模型基础上，根据模型上数据点值以及相邻两坐标点之间夹角的计算公式计算出夹角的值，
Figure 409557DEST_PATH_IMAGE015
＝[1.98 0.872 1.297 1.292 1.242 1.396 1.042 1.366 1.05 1.909 1.702 2.206 2.286 1.629]，并得值，
Figure 411328DEST_PATH_IMAGE014
＝[4.6508 250 14.0756 250 16.5927 250 15.8823 250 16.1012 250 23.8657 250 29.3310 250 18.3746]；（5）确定转角允许速度小于规划速度的点，本实例中为1、3、5、7、9、11、13点；根据实施例二中速度差异点的计算方法，得最终的速度曲线图如图8所示；（6）将上述曲线中的速度值输出至运动控制***；（7）运动控制***执行指令，完成零件的加工。

Claims (7)

1.一种数控机床高速加工的加减速前瞻控制方法，其特征在于：操作步骤如下：（1）由CAD/CAM模型的曲线数据，根据轮廓误差，截成NC曲线数据模型；（2）在NC代码的基础上，输入***参数－插补周期T和最大速度Vmax；（3）在此基础上进行微段整体S形速度规划及确定各段在S形速度曲线上相对应的速度                                               ，i=1:N，N为前瞻段数，即确定从第一段至第N段的速度值；（4）确定微段转接角允许通过速度，i=1:N；（5）确定转角允许速度小于规划速度的点；（6）输出加工插补点；（7）运动控制***执行以上信息，完成零件的加工；步骤（5）是在比较S形速度曲线上的速度与转接角允许通过速度的基础上确定微段加工所能通过的合理速度，进而得出一条效率最高的S形速度曲线，最后输出加工插补点至运动控制***。
2.根据权利要求1所述的数控机床高速加工的加减速前瞻控制方法，其特征在于：所述步骤（1）中的由CAD/CAM模型的曲线数据，根据轮廓误差，截成NC曲线数据模型是在经过CAD中建模之后，将模型送至CAM中进行加工，并按照设定的加工轮廓误差0.025mm，截成NC曲线数据模型。
3.根据权利要求2所述的数控机床高速加工的加减速前瞻控制方法，其特征在于：所述步骤（2）中的在NC代码的基础上，输入***参数插补周期T和最大速度Vmax是在所述截成的NC曲线数据模型基础上，输入数控机床***参数，所需***参数为：插补周期T、最大速度Vmax、最大加速度Amax、最大加加速度Jmax和前瞻段数N。
4.根据权利要求2所述的数控机床高速加工的加减速前瞻控制方法，其特征在于：所述步骤（3）中的微段整体S形速度曲线及各段在S形速度曲线上相对应的速度是在***生成的NC曲线数据模型基础上，根据模型上数据点值以及相邻两坐标点之间段长的计算公式计算出段长L的值，根据已知段长L、初速度vs、末速度ve模型可对前瞻段内进行计算，得到整体S形速度曲线，并得到段长L得相对应的在S形速度曲线上的速度值
Figure 2011102992099100001DEST_PATH_IMAGE008
。
5.根据权利要求2所述的数控机床高速加工的加减速前瞻控制方法，其特征在于：所述步骤（4）中的转接角允许通过速度
Figure 2011102992099100001DEST_PATH_IMAGE010
是在***生成的NC曲线数据模型基础上，根据模型上数据点值以及相邻两坐标点之间夹角的计算公式计算出夹角
Figure 2011102992099100001DEST_PATH_IMAGE012
的值，考虑到数控***加工的插补周期T及机床所允许的最大加速度
Figure 2011102992099100001DEST_PATH_IMAGE014
的限制，得：
Figure 2011102992099100001DEST_PATH_IMAGE016
 ，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为路径段夹角；此即为限制条件下所允许的最大临界通过速度，只有当实际通过速度小于或等于此速度时，才为各段的可行通过速度。
6.根据权利要求2所述的数控机床高速加工的加减速前瞻控制方法，其特征在于：所述步骤（5）确定转角允许速度小于规划速度的点是：取在曲线速度规划中不满足
Figure DEST_PATH_IMAGE022
Figure DEST_PATH_IMAGE024
点进行整体S形速度规划，重新得到各段在S形速度曲线上相对应的速度
Figure DEST_PATH_IMAGE028
，各段的值不变；当S形速度曲线上各段相对应的速度
Figure DEST_PATH_IMAGE032
Figure 918281DEST_PATH_IMAGE024
时，则所求的S形速度曲线即为在限制条件下的合理通过速度；此时所得的速度曲线即为规划的效率最高的S形速度曲线。
7.根据权利要求6所述的数控机床高速加工的加减速前瞻控制方法，其特征在于：所述步骤（6）中的输出加工插补点是在所述规划的效率最高的S形速度曲线的基础上将插补点输出至运动控制***。
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