CN105785909B - 一种高速高精的路径动态前瞻规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速高精的路径动态前瞻规划方法。初始化过渡圆弧的半径，并进行半径初次调整。然后根据当前过渡圆弧的最大允许速度，判断从前一个过渡圆弧到当前圆弧是加速过程，还是减速过程。如果是加速过程，结合速度规划判断加速到当前圆弧时，能否达到当前圆弧允许的最大速度，如果可以，修改前瞻窗口中的数据，否则调整当前过渡圆弧的半径。如果是减速过程，且从前一个过渡圆弧减速到当前圆弧时的速度，大于当前过渡圆弧允许的最大过渡速度，则从当前圆弧开始，进行反向速度规划，并修改、存储前瞻窗口中的已有数据。最后，将前瞻窗口中的数据传给伺服***进行加工。本发明将速度规划与路径规划结合起来，提高了加工速度。

Description

一种高速高精的路径动态前瞻规划方法

技术领域

本发明涉及数控技术领域的速度规划与路径规划，具体的说是一种高速高精的路径动态前瞻规划方法。

背景技术

传统数控加工过程中，后置处理软生成加工路径，数控***按照加工路径，以特定的速度规划方法进行加工。这种路径规划方法与速度规划方法之间没有直接联系、规划过程相分离的加工方式，简化了路径规划与速度规划时需要考虑的因素，但不可避免的减少了二者之间的信息交互。在路径规划时，为了使路径上允许的最大加工速度值最大，通常将轮廓在***允许的最大误差内调节，但限于加速度、速度规划方式等因素的影响，实际加工时并不一定能够能达到相应的最大加工速度，此时，轮廓精度的损失并不能带来加工速度的提高，出现了低速、低精度的加工现象。

现有的路径规划方法主要分为以下几种：一是直接过渡法，这种方法最简单，但加工误差最大。二是单周期的圆弧过渡法，但在过渡点处加工速度会降低，而且轮廓精度难以保证。三是基于矢量的曲线过渡，这种方法不适用于加工长度过短的小线段。四是样条曲线过渡法和样条曲线拟合法。样条曲线过渡法包括Ferguson曲线过渡法、NURBS曲线过渡法，样条曲线拟合法包括NURBS曲线等样条曲线拟合。样条曲线的拟合和插补过程中涉及到的计算量较大，不适用于实时***。

现有的速度规划方法主要有线性速度规划法，铃形速度规划法，钟形速度规划法。其中，铃形、钟形速度规划方法产生的加工速度在实际加工时产生的振动较小，但计算复杂，计算量较大，不适用于实时***。

发明内容

针对由于路径规划与速度规划相分离而对加工产生的不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种能够提高加工速度与加工质量的高速高精的路径动态前瞻规划方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种高速高精的路径动态前瞻规划方法，用于有小线段加工功能的数控***中，包括以下步骤：

初始化过渡圆弧的半径，根据当前过渡圆弧半径值与前一个过渡圆弧半径值之间的关系，对当前过渡圆弧的半径值进行初次调整；

根据当前过渡圆弧的最大允许速度，判断从前一个过渡圆弧到当前圆弧是加速过程还是减速过程；如果是加速过程，结合速度规划判断加速到当前圆弧时，能否达到当前圆弧允许的最大速度，如果能，则修改前瞻窗口中的数据，否则调整当前过渡圆弧的半径；如果是减速过程，且从前一个过渡圆弧减速到当前圆弧时的速度，大于当前过渡圆弧允许的最大过渡速度，则从当前圆弧开始，进行反向速度规划，并修改、存储前瞻窗口中的已有数据；

将前瞻窗口中的数据传给伺服***进行加工。

所述初始化过渡圆弧的半径，具体为：

其中，erro_{contour_max}表示***允许的最大轮廓误差，erro_{chord_max}表示***允许的最大弓高误差，表示线段P_mP_q的长度，表示线段P_nP_m的长度，线段P_nP_m和P_mP_q为待加工的相邻线段，在拐角P_nP_mP_q处***过渡圆弧，圆心为点O_m，O_m与线段P_nP_m的切点为Q₁，为线段P_mQ₁的长度，θ表示相邻线段的夹角∠P_nP_mP_q的1/2，r表示过渡圆弧半径的初始值。

所述对当前过渡圆弧的半径值进行初次调整，具体为：

通过为每个相邻线段的交点设置参数ignore_chord表示当前过渡圆弧产生的弓高误差与***允许的最大弓高误差之间的关系，其值如下：

其中，erro_{chord_max}表示***允许的最大弓高误差，为线段P₁P₅的长度，线段P_nP_m和P_mP_q为代加工的相邻线段，P_n-1、P_n、P_m、P_q为相邻小线段的端点，在拐角P_nP_mP_q处***过渡圆弧，圆心为点O_m,半径为r_m，线段P_mO_m与圆弧交于点P₁，Q₁、Q₂为圆心O_m与线段P_nP_m、P_mP_q的切点，点P₅为点Q₁、Q₂的连线与P_mO_m的交点，θ为表示相邻线段的夹角∠P_nP_mP_q的1/2；

ignore_chord值为1时，表示过渡圆弧的半径减小时，在过渡圆弧上进行插补产生的弓高误差小于***允许的最大弓高误差，调节半径时只需考虑轮廓误差符合***要求即可；

当ignore_chord值为0时，其中，erro_{contour_max}表示***允许的最大轮廓误差；如果则过渡圆弧的初始半径值调整为否则过渡圆弧的初始半径值调整为

所述根据当前过渡圆弧的最大允许速度，判断从前一个过渡圆弧到当前圆弧是加速过程还是减速过程，具体为：V_m为当前过渡圆弧允许的最大速度，V_n为前一圆弧允许的最大速度，V _n＜V_m为加速过程，否则为减速过程。

所述判断加速到当前圆弧时，能否达到当前圆弧允许的最大速度，具体为：V_m为当前过渡圆弧允许的最大速度，V_n为前一圆弧允许的最大速度，在速度V_m的基础上从前一圆弧开始加速，到达当前圆弧后的速度为V_m'，V_m'≤V_m表示能够达到当前圆弧允许的最大速度，V_m'＞V_m表示不能够达到当前圆弧允许的最大速度。

所述修改前瞻窗口中的数据，具体为：前瞻窗口中的每一个存储单元存储一个过渡圆弧的位置信息，最大允许速度信息，在最大允许速度调整后，将新的数据值保存在前瞻窗口中。

所述调整当前过渡圆弧的半径，具体为：根据自适应调整参数ignore_chord以及采用的速度规划方法，调整每个过渡圆弧的半径值。

本发明具有以下优点及有益效果：

1.提出基于速度规划的路径规划方法提高了加工时的轮廓精度。

2.提出基于速度规划的路径规划方法缩短了加工时间，提高了加工效率。

3.利用前瞻方法，结合采用的具体的速度规划方式，进一步调整过渡圆弧的半径值，确保加工过程中既可以加速到规划好的路径所允许的最大加工速度，又可以在减速点前进行有效的减速。

附图说明

图1为圆弧过渡模型示意图；

图2为前瞻窗口；

图3为***流程图；

图4为传统方法规划的过渡圆弧；

图5为传统加工方法的速度曲线；

图6为传统方法加工产生的轮廓误差；

图7为本发明方法规划的过渡圆弧示意图；

图8为本发明方法加工的速度曲线示意图；

图9为本发明方法加工产生的轮廓误差。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

步骤1：根据由线段表示的相邻加工路径间的关系，规划出过渡圆弧半径的初始值。假设当前为拐角P_nP_mP_q进行路径规划，erro_{chord_max}表示***允许的最大弓高误差，erro_{contour_max}表示***允许的最大轮廓误差，此时，erro_max值如下所示：

erro_max＝erro_{contour_max}-erro_{chord_max}

将erro_max带入公式(1)，可得过渡圆弧的初始半径值如下所示：

其中，r_m为过渡圆弧的半径，θ为相邻线段的夹角(在图1中为∠P_nP_mP_q)的1/2，为线段P_mP_q的长度，为线段P_nP_m的长度，为线段P_nQ₁的长度，Q₁、Q₂分别为圆O_m与线段P_nP_m、P_mP_q的切点，r为过渡圆弧的初始半径值。线段P_nP_m和P_mP_q为上面说的相邻线段；P₁、P₂、P₃、P₄、Q₁、Q₂、O_m为相邻线段确定的点，具体含义如图1所示：图1为圆弧过渡模型，P_n-1、P_n、P_m、P_q为相邻小线段的端点。为了提高圆弧过渡速度，在拐角P_nP_mP_q处***过渡圆弧，圆心为点O_m,半径为r_m，线段P_mO_m与圆弧交于点P₁，线段P₃P₄垂直于直线P_mO，交P_mO于点P₂。线段P₂P₁的长度表示弓高误差，线段P₂P_m的长度表示轮廓误差。

如图1所示，Q₁、Q₂的连线交P_mO_m于点P₅，则有下式成立：

为了更有效的调节过渡圆弧半径与过渡圆弧上允许的最大过渡速度间的关系，为每个相邻线段的交点设置参数ignore_chord，其值如下：

ignore_chord值为1，表示过渡圆弧的半径减小时，在过渡圆弧上进行插补产生的弓高误差不会超过***的最大允许值，调节半径(值增大或减小)时只需考虑轮廓误差符合***要求即可。

当m.ignore_chord值为1时，在保证轮廓误差与弓高误差不超过***最大允许值的前提下，可以适当调节并放大半径值。此时值如下：

如果则否则

步骤2：根据当前过渡圆弧半径值与前一个过渡圆弧半径值之间的关系，调整当前过渡圆弧的半径值。令点P_n、P_m处的速度为如果需要调整过渡圆弧半径r的大小。假设具体方法如下：(1)令根据速度V调节点P_m处的过渡圆弧。

如果m.ignore_chord＝1，则对应于速度V的半径值为：r_m＝VT/(2cosθ)。

如果m.ignore_chord值不为1，r_m值如下：

其中V_{throat_m}值如下所示：

(2)如果则继续减小的值，令调整后的速度为V'，则

令V_{throat_1}＝min(V_{throat_m},V_{throat_n})，V_{throat_2}＝max(V_{throat_m},V_{throat_n})。

1)如果V≤V_{throat_1}，调整后的速度大小如下所示：

2)如果V_{throat_1}＜V＜V_{throat_2}，速度调节方法如下文所述：

a)当时

如果V_{throat_m}≤V_{throat_n}，α＝θ、β＝η，否则α＝η、β＝θ。

b)时，

3)如果V≥V_{throat_2}，

a)当时，

b)当时，

如果V_{throat_m}≤V_{throat_n}，α＝θ、β＝η，否则α＝η、β＝θ。

c)当时，

在2)、3)中，

其中表示当速度为V_y时，相邻线段焦点P_x处允许的过渡圆弧的半径，该值可由公式(2)求得。

经过1)、2)、3)的调整，可以求出V'，然后采用(1)中的方法可以求解出相邻线线段的焦点m,n处过渡圆弧的半径值。

步骤3：利用前瞻方法，结合采用的具体的速度规划方式，进一步调整过渡圆弧的半径值，确保加工过程中既可以加速到规划好的路径所允许的最大速度，又可以在减速点前进行有效的减速。经过2后，有成立。假设相邻线线段的焦点m,n处的过渡圆弧上允许的最大速度分别为V_m、V_n，当时，有V_n！＝V_m，

(1)如果V_n＜V_m，需要判断从Q'₂点开始在速度V_n的基础上开始加速，到达Q₁点时，速度能否达到V_m。如果速度达不到V_m，需要调节过渡圆弧的半径。

采用线性加减速速度规划，设从Q'₂点开始加速，到Q₁点时实际达到的速度为V_{m_1}，调节后的速度为V_{m_2}。

1)当m.ignore_chord＝1时，调节后的速度值如下所示：

此时对应的过渡圆弧的半径如下：

r＝V_{m_2}T/(2cosθ)

2)当m.ignore_chord！＝1，在半径大小等于erro_{chord_max}/(1-sinθ)时，有如下公式成立。

a)当V_m'_{_2}≤V_{throat_m}时，采用1)中方法重新确立半径值。

b)当V_m'_{_2}＞V_{throat_m}时，调节后的速度值如下所示：

(2)V_n＜V_m时，需要判断从Q'₂点开始在速度V_n的基础上开始减速，到达Q₁点时，速度能否减小到V_m。如果速度减不到V_m，需要调节过渡圆弧的半径。

对于减速不到的情况，用下文所述前瞻方法解决：

图2所示为前瞻方法采用的前瞻窗口，插补过程中，每个插补周期从当前插补点开始进行前瞻。如果当前前瞻点处对应的过渡圆弧上的最大允许速度过小，出现邻近的前一个前瞻点减速不到的情形，则从当前前瞻点开始，进行回溯，即逆向加速。

在逆向加速的过程中，按照加速过程中的方法，调节过渡圆弧的大小，直到加速到前瞻窗口中的某个点，从该点减速可以达到当前前瞻点所要求的速度。

整个***的流程如图3所示。

首先，初始化过渡圆弧的半径，并进行半径初次调整。然后根据当前过渡圆弧的最大允许速度，判断从前一个过渡圆弧到当前圆弧是加速过程，还是减速过程。如果是加速过程，结合速度规划判断加速到当前圆弧时，能否达到当前圆弧允许的最大速度，如果可以，修改前瞻窗口中的数据，否则调整当前过渡圆弧的半径。如果是减速过程，且从前一个过渡圆弧减速到当前圆弧时的速度，大于当前过渡圆弧允许的最大过渡速度，则从当前圆弧开始，进行反向速度规划，并修改、存储前瞻窗口中的已有数据。最后，将前瞻窗口中的数据传给伺服***进行加工。

本发明的执行效果：

设定x,y,z轴允许的最大加速度为0.02ms/mm²，指令速度为1.6mm/ms，最大轮廓误差为2.5mm，最大弓高误差为1mm，插补周期为2ms。图4-6为***采用常规方法的加工结果，图7-9为***采用本文方法的加工结果。从图4与图7的对比可以看出，采用本文方法时相邻线段间的过渡圆弧半径更小，加工过程中产生的轮廓误差如图6与图9所示，可见采用本发明方法加工产生的轮廓误差更小，加工精度更高。加工过程中的速度曲线如图5、图8所示，传统加工方法用了286ms，本发明方法仅用了178ms，所以虽然本文方法在拐角点处的最大允许插补速度低于传统方法，但平均加工速度更高，加工时间更短。

通过路径动态前瞻规划方法，本发明将速度规划与路径规划结合起来，提高了加工速度；同时，由于过渡圆弧的规划更加合理，使得拐角处的轮廓误差更小，真正实现了高速、高精加工。

Claims (7)

1.一种高速高精的路径动态前瞻规划方法，其特征在于，用于有小线段加工功能的数控***中，包括以下步骤：

初始化过渡圆弧的半径，根据当前过渡圆弧半径值与前一个过渡圆弧半径值之间的关系，对当前过渡圆弧的半径值进行初次调整；

根据当前过渡圆弧的最大允许速度，判断从前一个过渡圆弧到当前过渡圆弧是加速过程还是减速过程；如果是加速过程，结合速度规划判断加速到当前过渡圆弧时，能否达到当前过渡圆弧允许的最大速度，如果能，则修改前瞻窗口中的数据，否则调整当前过渡圆弧的半径；如果是减速过程，且从前一个过渡圆弧减速到当前过渡圆弧时的速度，大于当前过渡圆弧允许的最大过渡速度，则从当前过渡圆弧开始，进行反向速度规划，并修改、存储前瞻窗口中的已有数据；

将前瞻窗口中的数据传给伺服***进行加工。

2.根据权利要求1所述的一种高速高精的路径动态前瞻规划方法，其特征在于，所述初始化过渡圆弧的半径，具体为：

其中，erro_{contour_max}表示***允许的最大轮廓误差，erro_{chord_max}表示***允许的最大弓高误差，表示线段P_mP_q的长度，表示线段P_nP_m的长度，线段P_nP_m和P_mP_q为待加工的相邻线段，在拐角P_nP_mP_q处***过渡圆弧，圆心为点O_m，O_m与线段P_nP_m的切点为Q₁，为线段P_mQ₁的长度，θ表示相邻线段的夹角∠P_nP_mP_q的1/2，r表示过渡圆弧半径的初始值。

3.根据权利要求1所述的一种高速高精的路径动态前瞻规划方法，其特征在于，所述对当前过渡圆弧的半径值进行初次调整，具体为：

通过为每个相邻线段的交点设置参数ignore_chord表示当前过渡圆弧产生的弓高误差与***允许的最大弓高误差之间的关系，其值如下：

其中，erro_{chord_max}表示***允许的最大弓高误差，为线段P₁P₅的长度，线段P_nP_m和P_mP_q为待加工的相邻线段，P_n-1、P_n、P_m、P_q为相邻小线段的端点，在拐角P_nP_mP_q处***过渡圆弧，圆心为点O_m,半径为r_m，线段P_mO_m与过渡圆弧交于点P₁，Q₁、Q₂为圆心O_m与线段P_nP_m、P_mP_q的切点，点P₅为点Q₁、Q₂的连线与P_mO_m的交点，θ为表示相邻线段的夹角∠P_nP_mP_q的1/2；

ignore_chord值为1时，表示过渡圆弧的半径减小时，在过渡圆弧上进行插补产生的弓高误差小于***允许的最大弓高误差，调节半径时只需考虑轮廓误差符合***要求即可；

当ignore_chord值为0时，其中，erro_{contour_max}表示***允许的最大轮廓误差；如果则过渡圆弧的初始半径值调整为否则过渡圆弧的初始半径值调整为

4.根据权利要求1所述的一种高速高精的路径动态前瞻规划方法，其特征在于，所述根据当前过渡圆弧的最大允许速度，判断从前一个过渡圆弧到当前过渡圆弧是加速过程还是减速过程，具体为：V_m为当前过渡圆弧允许的最大速度，V_n为前一圆弧允许的最大速度，V_n＜V_m为加速过程，否则为减速过程。

5.根据权利要求1所述的一种高速高精的路径动态前瞻规划方法，其特征在于，所述判断加速到当前过渡圆弧时，能否达到当前过渡圆弧允许的最大速度，具体为：V_m为当前过渡圆弧允许的最大速度，V_n为前一圆弧允许的最大速度，在速度V_m的基础上从前一圆弧开始加速，到达当前过渡圆弧后的速度为V′_m，V′_m≤V_m表示能够达到当前过渡圆弧允许的最大速度，V′_m＞V_m表示不能够达到当前过渡圆弧允许的最大速度。

6.根据权利要求1所述的一种高速高精的路径动态前瞻规划方法，其特征在于，所述修改前瞻窗口中的数据，具体为：前瞻窗口中的每一个存储单元存储一个过渡圆弧的位置信息，最大允许速度信息，在最大允许速度调整后，将新的数据值保存在前瞻窗口中。

7.根据权利要求1所述的一种高速高精的路径动态前瞻规划方法，其特征在于，所述调整当前过渡圆弧的半径，具体为：根据自适应调整参数ignore_chord以及采用的速度规划方法，调整每个过渡圆弧的半径值。