CN108235742B - 一种轨迹速度规划方法及轨迹速度规划装置 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明涉及数控***领域,尤其涉及一种轨迹速度规划方法及轨迹速度规划装置。
背景技术
数控***进行的轨迹速度规划,通常包括T型速度规划或S型速度规划,在对指定的一段目标轨迹进行速度规划时,用户通常会给定期望的进给速度F和最大加速度A,之后计算此段轨迹上的轨迹加速度并根据得到的轨迹加速度计算轨迹速度等相关运动参数。其中,轨迹速度是指工件沿目标轨迹运动的实际速度,是相对于单个轴的速度的合成速度;轨迹加速度是和轨迹速度相对应的加速度,满足 为轨迹速度的初始速度。
在进行速度规划的过程中,由于单个轴的最大加速度关系到电机本身的加速能力和加工过程中的震动情况,所以与工件的表面加工质量直接相关,因此需要限定各个轴的合成加速度的最大值,以将单个轴的加速度限定在小于最大加速度A的范围内,对于笛卡尔坐标系XYZ,包括和同时,为了提高加工效率,减少总加工时间,需要提高各个轴的合成加速度即尽量提高单个轴的加速度
通常情况下,合成加速度与单个轴的加速度不在同一直线上,因此现有技术中,在对指定的一段轨迹进行速度规划时,为了保证不超过给定的最大加速度A并且尽量提高合成加速度会将的最大值arm设定为A,并根据确定的的最大值arm计算相关运动参数。
发明内容
本发明实施例的一方面提供了一种轨迹速度规划方法,包括:
对于指定的目标轨迹MP,确定单个轴的加速度与合成加速度之间的关系系数fi,得到点M为目标轨迹MP的起点,点P为目标轨迹MP的终点;确定关系系数fi的最大值为B;根据关系系数fi的最大值B和单个轴的加速度的最大值A,计算合成加速度的最大值arm,得到A为给定的最大加速度值;根据合成加速度的最大值arm和给定的进给速度F进行目标轨迹MP的速度规划。
结合第一方面,在第一方面的第一种可能的实现方式中,目标轨迹MP为线段MP,线段MP以点M和点P作为端点。
结合第一方面,在第一方面的第二种可能的实现方式中,目标轨迹MP为圆弧MP,圆弧MP以点M和点P作为端点。
结合第一方面的第一种可能的实现方式,在第一方面的第三种可能的实现方式中,对于笛卡尔坐标系XYZ,点M的坐标为M(xM,yM,zM),点P的坐标为P(xP,yP,zP),所述确定单个轴的加速度与合成加速度之间的关系系数fi包括:
确定所述关系系数fi为:
其中|MP|为线段MP的长度;
结合第一方面的第二种可能的实现方式,在第一方面的第五种可能的实现方式中,对于笛卡尔坐标系XYZ,点M处的向心单位方向矢量为点M处的切向单位方向矢量为点N为圆弧MP上的点,确定点N处单个轴的加速度与合成加速度之间的关系系数fi包括:
根据如下公式:
根据方程(2)获得如下方程组:
将公式(5)代入方程组(3)得到关系系数fi为:
结合第一方面的第五种可能的实现方式,在第一方面的第六种可能的实现方式中,确定关系系数fi的最大值为B包括:
根据方程组(6),用牛顿迭代法计算fx、fy和fz的最大值分别为fxm、fym和fzm;
确定fxm、fym和fzm中的最大值,得到B=max(fxm,fym,fzm)。
将公式(5)代入如下公式:
本发明实施例的第二方面提供了一种轨迹速度规划装置,包括:
最大值确定模块,用于确定所述关系系数fi的最大值为B;
结合第二方面,在第二方面的第一种可能的实现方式中,所述目标轨迹MP为线段MP,所述线段MP以点M和点P作为端点。
结合第二方面,在第二方面的第二种可能的实现方式中,所述目标轨迹MP为圆弧MP,所述圆弧MP以点M和点P作为端点。
结合第二方面的第一种可能的实现方式,在第二方面的第三种可能的实现方式中,对于笛卡尔坐标系XYZ,点M的坐标为M(xM,yM,zM),点P的坐标为P(xP,yP,zP),所述关系系数确定模块包括:
第一确定单元,用于确定所述关系系数fi为:
其中|MP|为线段MP的长度;
所述最大值确定模块包括:
结合第二方面的第三种可能的实现方式,在第二方面的第四种可能的实现方式中,所述速度规划模块包括:
第四确定单元,用于根据如下公式:
第二计算单元,用于根据方程(2)获得如下方程组:
第三计算单元,用于将公式(5)代入方程组(3)得到所述关系系数fi为:
结合第二方面的第五种可能的实现方式,在第二方面的第六种可能的实现方式中,所述最大值确定模块包括:
第四计算单元,用于根据方程组(6),用牛顿迭代法计算fx、fy和fz的最大值分别为fxm、fym和fzm,确定fxm、fym和fzm中的最大值,得到
B=max(fxm,fym,fzm)。
结合第二方面的第六种可能的实现方式,在第二方面的第七种可能的实现方式中,所述速度规划模块包括:
第五计算单元,用于将公式(5)代入如下公式:
本发明实施例的第三方面提供了一种轨迹速度规划装置,包括:
存储器和处理器;
通过调用所述存储器存储的操作指令,所述处理器,用于执行如下步骤:
确定所述关系系数fi的最大值为B;
附图说明
图1是本发明轨迹速度规划方法一个实施例示意图;
图2是本发明轨迹速度规划方法另一个实施例示意图;
图3是本发明轨迹速度规划方法另一个实施例示意图;
图4是本发明轨迹速度规划装置一个实施例示意图;
图5是本发明轨迹速度规划装置另一个实施例示意图;
图6是本发明轨迹速度规划装置另一个实施例示意图;
图7是本发明轨迹速度规划装置另一个实施例示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象,而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换,以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外,术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形,意图在于覆盖不排他的包含,例如,包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元,而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
为便于理解,下面对本发明实施例中的具体流程进行描述,请参阅图1,本发明实施例中轨迹速度规划方法一个实施例包括:
101、确定单个轴的加速度与合成加速度之间的关系系数;
对于指定的目标轨迹MP,其中,点M为目标轨迹MP的起点,点P为目标轨迹MP的终点,确定单个轴的加速度与合成加速度之间的关系系数fi,得到其中fi的取值与该轴相对应,不同轴的加速度与合成加速度之间的关系系数取值可以不同。若轨迹速度规划过程中只有一个轴,那么确定fi是指确定该轴的加速度与合成加速度之间的关系系数;若轨迹速度规划过程中有两个或两个以上轴,比如包括X、Y、Z三个轴,那么确定fi是指分别确定X轴的加速度与合成加速度之间的关系系数fx、Y轴的加速度与合成加速度之间的关系系数fy、Z轴的加速度与合成加速度之间的关系系数fz,其中
102、确定关系系数的最大值;
103、计算合成加速度的最大值;
对于目标轨迹MP的速度规划,用户给定最大加速度A,即单个轴的加速度的值不能超过最大加速度A。将fi=B和代入公式计算得到也就是说,为了保证单个轴的加速度的值不超过最大加速度A,合成加速度的值不能超过即合成加速度的最大值
104、进行目标轨迹MP的速度规划。
对于目标轨迹MP的速度规划,用户给定期望的进给速度F。根据得到的合成加速度的最大值arm和给定的进给速度F可以进行目标轨迹MP的速度规划,比如,计算此段轨迹上的轨迹加速度并根据得到的轨迹加速度计算轨迹速度等相关运动参数。
本申请实施例通过将单个轴的加速度的最大值设定为最大加速度A,进而确定合成加速度的最大值由于fi≤1,并且通常情况下,合成加速度与单个轴的加速度不在同一直线上,因此fi<1,故B<1,因此arm>A,和现有技术相比,提高了加工效率。
上述实施例中,对目标轨迹MP的速度规划可以包括直线速度规划和圆弧速度规划,相应的,目标轨迹MP可以为线段MP,也可以为圆弧MP,下面分别进行说明:
一、目标轨迹MP为线段MP:
在本实施例中,对目标轨迹MP的速度规划为直线速度规划,目标轨迹MP为线段MP,线段MP以点M和点P作为端点,具体请参阅图2,本发明轨迹速度规划方法另一实施例包括:
201、确定线段MP在坐标轴的投影;
线段MP以一个端点M为起点,以另一个端点P为终点。对于笛卡尔坐标系XYZ,点M的坐标为M(xM,yM,zM),点P的坐标为P(xP,yP,zP),那么线段MP在X轴的投影为|xP-xM|,线段MP在Y轴的投影为|yP-yM|,线段MP在X轴的投影为|zP-zM|。
202、根据线段MP在坐标轴的投影确定关系系数;
若数控***各单个轴的加速度的方向分别与X、Y、Z轴相同,此时单个轴的加速度为和确定关系系数fi是指分别确定X轴的加速度与合成加速度之间的关系系数fx、Y轴的加速度与合成加速度之间的关系系数fy、Z轴的加速度与合成加速度之间的关系系数fz,其中并且,对于直线速度规划,合成加速度的方向与线段MP的方向相同。因此可以得到如下方程组:
其中|MP|为线段MP的长度。
203、确定关系系数的最大值;
204、计算合成加速度的最大值;
对于线段MP的速度规划,用户给定最大加速度A,即单个轴的加速度的值不能超过最大加速度A。将和代入公式计算得到也就是说,为了保证单个轴的加速度的值不超过最大加速度A,合成加速度的值不能超过即合成加速度的最大值
205、确定合成加速度的最大值为第一目标轨迹加速度的取值;
由于直线速度规划中,合成加速度的方向与线段MP的方向相同,因此合成加速度即为线段MP的轨迹加速度为了提高加工效率,需要尽量提高第一目标轨迹加速度的值,第一目标轨迹加速度为T型速度规划或S型速度规划中线段MP上匀加速和匀减速阶段轨迹加速度因此可以令第一目标轨迹加速度的取值为合成加速度的最大值arm,即:
206、计算轨迹速度。
本申请实施例通过确定关系系数fi的最大值并将单个轴的加速度的最大值设定为最大加速度A,进而确定合成加速度的最大值通常情况下,合成加速度与单个轴的加速度不在同一直线上,因此因此arm>A,和现有技术相比,提高了加工效率。
二、目标轨迹MP为圆弧MP:
在本实施例中,对目标轨迹MP的速度规划为圆弧速度规划,目标轨迹MP为圆弧MP,圆弧MP以点M和点P作为端点,具体请参阅图3,本发明轨迹速度规划方法另一实施例包括:
301、确定点N处的合成加速度;
对于笛卡尔坐标系XYZ,点M处的向心单位方向矢量为点M处的切向单位方向矢量为当工件运行至点N处时,点N处的合成加速度其中点N可以为圆弧MP上的任意一点N,和分别为点N处的切向加速度和向心加速度,θ为从点M至点N转过角度的弧度值。将上述的表达式进一步整理为关于和的表达式,得到:
302、确定点N处关系系数的表达式;
若数控***各单个轴的加速度的方向分别与X、Y、Z轴相同,此时单个轴的加速度为和单个轴的加速度与合成加速度之间存在关系系数fi,使得确定关系系数fi是指分别确定X轴的加速度与合成加速度之间的关系系数fx、Y轴的加速度与合成加速度之间的关系系数fy、Z轴的加速度与合成加速度之间的关系系数fz,其中
因此点N处关系系数fi的表达式为:
303、确定点N处的切向加速度和向心加速度的关系式;
304、计算点N处的关系系数;
将公式(5)代入方程组(3)得到点N处的关系系数fi为:
需要说明的是,步骤303与步骤301之间,步骤303与步骤302之间均没有时序限制,只要步骤303在步骤304之前完成即可。
305、确定关系系数的最大值;
根据方程组(6),用牛顿迭代法计算fx、fy和fz的最大值分别为fxm、fym和fzm。之后可以比较fxm、fym和fzm的大小,本实施例以三者中的最大值max(fxm,fym,fzm)=fxm为例进行说明,那么关系系数fi的最大值B=fxm。
306、计算合成加速度的最大值;
对于圆弧MP的速度规划,用户给定最大加速度A,即单个轴的加速度的值不能超过最大加速度A。将fi=B=fxm和代入公式计算得到也就是说,为了保证单个轴的加速度的值不超过最大加速度A,合成加速度的值不能超过即合成加速度的最大值为了提高加工效率,在速度规划中,令合成加速度的最大值达到arm。
在本实施例对圆弧MP的速度规划中,轨迹加速度为切向加速度为了确定圆弧MP上的轨迹加速度需要确定切向加速度的最大值。步骤306确定了合成加速度的最大值,由于存在关系式因此可以确定的取值范围,进而确定的最大值。
307、确定合成加速度与向心加速度的关系式;
将公式(5)代入如下公式:
308、确定向心加速度的最大值;
工件在圆弧MP上的运动可能有以下两种情况:1)一直做匀加速圆周运动,当运动到点P时,切向速度即轨迹线速度的值达到最大;2)先做匀加速圆周运动,加速至用户给定的进给速度,即之后,以速度F做匀速圆周运动。
由于并且因此在从点M运动到点P的过程中,对于第一种情况,当运动到点P时,达到最大,达到最大值arm;对于第二种情况,当时,达到最大,达到最大值arm。由于在匀加速圆周运动过程中,满足因此当达到最大值arm时,以上两种情况相比,第一种情况下,点N与点P重合,θ可以取到最大值θ=θP,其中θP为圆弧MP对应的张角的弧度值,此时达到最大值
309、确定切向加速度的最大值;
310、确定切向加速度的最大值为第二目标轨迹加速度的取值;
本实施例对圆弧MP的速度规划中,轨迹加速度为切向加速度切向加速度的最大值为为了提高加工效率,需要尽量提高第二目标轨迹加速度的值,第二目标轨迹加速度为T型速度规划或S型速度规划中圆弧MP上匀加速和匀减速阶段轨迹加速度因此可以令第二目标轨迹加速度的取值为切向加速度的最大值,即:
311、计算轨迹速度。
上面对本发明实施例中的轨迹速度规划方法进行了描述,下面对本发明实施例中的轨迹速度规划装置进行描述。
请参阅图4,本发明实施例中轨迹速度规划装置的一个实施例包括:
关系系数确定模块401,用于确定单个轴的加速度与合成加速度之间的关系系数;
最大值确定模块402,用于确定关系系数的最大值;
计算模块403,用于计算合成加速度的最大值;
速度规划模块404,用于进行目标轨迹MP的速度规划。
本实施例中的轨迹速度规划装置各模块间的关系参照图1对应的实施例,此处不再赘述。
请参阅图5,本发明实施例中轨迹速度规划装置的另一个实施例包括:
投影确定模块501,用于确定线段MP在坐标轴的投影;
第一确定单元502,用于根据线段MP在坐标轴的投影确定关系系数;
第二确定单元503,用于确定关系系数的最大值;
第九计算单元504,用于计算合成加速度的最大值;
第三确定单元505,用于确定合成加速度的最大值为第一目标轨迹加速度的取值;
第一计算单元506,用于计算轨迹速度。
本实施例中的轨迹速度规划装置各模块间的关系参照图2对应的实施例,此处不再赘述。
请参阅图6,本发明实施例中轨迹速度规划装置的另一个实施例包括:
第四确定单元601,用于确定点N处的合成加速度;
第二计算单元602,用于确定点N处关系系数的表达式;
第五确定单元603,用于确定点N处的切向加速度和向心加速度的关系式;
第三计算单元604,用于计算点N处的关系系数;
第四计算单元605,用于确定关系系数的最大值;
第十计算单元606,用于计算合成加速度的最大值;
第五计算单元607,用于确定合成加速度与向心加速度的关系式;
第六计算单元608,用于确定向心加速度的最大值;
第七计算单元609,用于确定切向加速度的最大值;
第六确定单元610,用于确定切向加速度的最大值为第二目标轨迹加速度的取值;
第八计算单元611,用于计算轨迹速度。
本实施例中的轨迹速度规划装置各模块间的关系参照图3对应的实施例,此处不再赘述。
上面从模块化功能实体的角度对本发明实施例中的轨迹速度规划装置进行描述,下面从硬件处理的角度对本发明实施例中的轨迹速度规划装置进行描述,请参阅图7,本发明实施例中的轨迹速度规划装置另一实施例包括:
处理器701和存储器702等,其中轨迹速度规划装置中的处理器的数量可以一个或多个,图7中以一个处理器701为例。本领域技术人员可以理解,图7中示出的轨迹速度规划装置结构并不构成对轨迹速度规划装置的限定,可以包括比图示更多或更少的部件,或者组合某些部件,或者不同的部件布置。
其中,通过调用存储器702存储的操作指令,处理器701,用于执行如下步骤:
确定关系系数fi的最大值为B;
在本发明的一些实施例中,处理器701还用于执行以下步骤:
对于笛卡尔坐标系XYZ,点M的坐标为M(xM,yM,zM),点P的坐标为P(xP,yP,zP),确定关系系数fi为:
其中|MP|为线段MP的长度;
在本发明的一些实施例中,处理器701还用于执行以下步骤:
在本发明的一些实施例中,处理器701还用于执行以下步骤:
根据方程(2)获得如下方程组:
将公式(5)代入方程组(3)得到关系系数fi为:
在本发明的一些实施例中,处理器701还用于执行以下步骤:
根据方程组(6),用牛顿迭代法计算fx、fy和fz的最大值分别为fxm、fym和fzm;
确定fxm、fym和fzm中的最大值,得到B=max(fxm,fym,fzm)。
在本发明的一些实施例中,处理器701还用于执行以下步骤:
将公式(5)代入如下公式:
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (17)
2.根据权利要求1所述的轨迹速度规划方法,其特征在于,所述目标轨迹MP为线段MP,所述线段MP以点M和点P作为端点。
3.根据权利要求1所述的轨迹速度规划方法,其特征在于,所述目标轨迹MP为圆弧MP,所述圆弧MP以点M和点P作为端点。
6.根据权利要求3所述的轨迹速度规划方法,其特征在于,对于笛卡尔坐标系XYZ,点M处的向心单位方向矢量为点M处的切向单位方向矢量为点N为圆弧MP上的点,确定点N处单个轴的加速度与合成加速度之间的关系系数fi包括:
根据如下公式:
根据方程(2)获得如下方程组:
将公式(5)代入方程组(3)得到所述关系系数fi为:
7.根据权利要求6所述的轨迹速度规划方法,其特征在于,所述确定所述关系系数fi的最大值为B包括:
根据方程组(6),用牛顿迭代法计算fx、fy和fz的最大值分别为fxm、fym和fzm;
确定fxm、fym和fzm中的最大值,得到B=max(fxm,fym,fzm)。
10.根据权利要求9所述的轨迹速度规划装置,其特征在于,所述目标轨迹MP为线段MP,所述线段MP以点M和点P作为端点。
11.根据权利要求9所述的轨迹速度规划装置,其特征在于,所述目标轨迹MP为圆弧MP,所述圆弧MP以点M和点P作为端点。
第四确定单元,用于根据如下公式:
第二计算单元,用于根据方程(2)获得如下方程组:
第三计算单元,用于将公式(5)代入方程组(3)得到所述关系系数fi为:
15.根据权利要求14所述的轨迹速度规划装置,其特征在于,所述最大值确定模块包括:
第四计算单元,用于根据方程组(6),用牛顿迭代法计算fx、fy和fz的最大值分别为fxm、fym和fzm,确定fxm、fym和fzm中的最大值,得到
B=max(fxm,fym,fzm)。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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