CN112764393A - 一种确定速度敏感区间的扫描方法以及装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供确定速度敏感区间的扫描方法，可以包括：当第n点在速度敏感区i且第(n‑1)点不在所述速度敏感区i，确定所述第n点为速度敏感区(i+1)的起点；所述第n点为刀轨上任一点，所述第(n‑1)点在所述刀轨上，与所述第n点相邻且靠近所述刀轨的起点；n为正整数，i为自然数；当所述第n点不在速度敏感区i且所述第(n‑1)点在所述速度敏感区i，确定所述第(n‑1)点为所述速度敏感区i的终点；直至确定所述第n点为所述刀轨的终点，结束对所述刀轨的扫描。实施本发明实施例，能够提高对刀轨上速度敏感区间扫描效率。
Description
技术领域
本申请涉及机床测量领域，尤其涉及一种运动轴误差的测量方法以及装置。
背景技术
随着高端装备制造的需求日益迫切，在对复杂曲线与曲面进行加工时，传统的数控加工过程需要将待加工刀轨离散为一系列微小线段与圆弧，一般会造成逼近误差的引入，加工代码文件消耗存储量大，刀轨转接处一阶不连续使得机床需要频繁加减速等问题。在此基础上，需要在参数曲线加工过程中对加工进给速度进行合理的规划，以避免在刀轨上曲率较大的位置弓高误差过大影响加工精度，或者进给轴加速度、加速度超出机床驱动性能限制，影响机床的使用寿命。
在现有速度敏感区间速度规划方法中，在速度敏感区间的端点的确定上，采用了粗精扫描结合的方法，导致确定速度敏感区间的效率不高，进而造成整体运行效率低下。并且，其涉及针对弓高误差引入的进给速度约束的公式不准确；加之在速度规划过程中更新各个速度敏感区间的最终限制速度时，采用的是收敛速度较慢的二分法，影响现有方法中算法运行效率。
因此，如何提高刀轨上速度敏感区间扫描效率，是本申请亟待解决的问题。
发明内容
本申请提供一种确定速度敏感区间的扫描方法，高效确定了目标刀轨上的速度敏感区，提高了扫描效率。
第一方面，本发明实施例提供了一种确定速度敏感区间的扫描方法，可以包括：
当第n点在速度敏感区i且第(n-1)点不在所述速度敏感区i，确定所述第n点为速度敏感区(i+1)的起点；当所述第n点不在速度敏感区i且所述第(n-1)点在所述速度敏感区i，确定所述第(n-1)点为所述速度敏感区i的终点；直至确定所述第n点为所述刀轨的终点，结束对所述刀轨的扫描。
本发明实施例中，根据某一点的曲率半径和限制速度算法，确定某一点的限制速度；限制速度算法用于通过点所在刀轨处的曲率半径和该点的限制速度之间的关系，进一步依据点的曲率半径确定该点的限制速度。然后根据该点的限制速度判断该点是否在速度敏感区，基于不同的位置关系情况进一步判断该点以及该点的前一点两者的位置特征(如当前点在速度敏感区且前一点也在速度敏感区等)，确定该点是下一个敏感区域的起点，还是本敏感区域的终点。对刀轨上所有点都进行确认，一直持续到刀轨的终点。相对现有技术中，本发明实施例在一次扫描过程中就可以得到当前刀轨上所有的速度敏感区间，并确定刀轨上所有速度敏感区的端点，明显提高刀轨的速度敏感区间扫描效率。
在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：
当所述第n点不是所述刀轨的终点，根据所述第n点的位移值和进给步长，确定第(n+1)点的位移值；所述第(n+1)点在所述刀轨上，与所述第n点相邻且靠近所述刀轨的终点；
当所述第(n+1)点的位移值大于或等于所述刀轨的终点位移值，根据所述终点位移值确定所述第(n+1)点；
当所述第(n+1)点的位移值小于所述终点位移值，根据所述第(n+1)点的位移值确定所述第(n+1)点；
根据所述第(n+1)点的限制速度和对应的进给速度，判断所述第(n+1)点是否在所述速度敏感区i。其中，该对应的进给速度可以是当前设定或者预先设定的指令进给速度，与该第(n+1)点的位置对应。
在一种可能的实现方式中，所述直至确定所述第n点为所述刀轨的终点之后，还包括：
确定所述速度敏感区i内曲率半径最小值；
根据所述速度敏感区i内曲率半径最小值，确定所述速度敏感区i内进给速度初始值。
在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：
根据所述第n点的曲率，弓高误差，法向加速度和法向加加速度，确定所述第n点的限制速度；
根据所述第n点的限制速度和对应的进给速度，判断所述第n点是否在所述速度敏感区i。其中，此处的进给速度可以与该第n点对应，是该点当前设定或预先设定的指令进给速度。
在一种可能的实现方式中，所述直至确定所述第n点为所述刀轨的终点，之前还包括：确定所述刀轨的起点参数、起点位移值，以及终点参数、终点位移值。
在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：
根据盛金公式确定逆向和正向扫描速度规划过程中涉及的方程解；所述逆向和正向扫描速度规划为对所述刀轨上所有速度敏感区的进给速度值修正过程中的一部分过程。
在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：
确定所述速度敏感区i和所述速度敏感区(i+1)之间的过渡区域弧长；
判断所述过渡区域弧长是否满足第一限制速度和第二限制速度的弧长要求；所述第一限制速度为所述速度敏感区i的限制速度；所述第二限制速度为所述速度敏感区(i+1)的限制速度；
当满足所述弧长要求，确定所述过渡区域弧长对应的加速过程终止点参数和减速过程起始点参数；
当不满足所述弧长要求，确定所述加速过程终止点参数或所述减速过程起始点参数。
在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：
在实时参数曲线插补过程中，在确定所述第n点所处参数区间后，根据所述第n点所处参数区间两端参数对应的进给速度，确定所述第n点的进给速度；
根据所述第n点的进给速度确定所述第(n+1)点的曲线参数；
根据所述第(n+1)点的曲线参数，确定所述第(n+1)点是否为所述刀轨的终点。
第二方面，本发明实施例提供了一种确定速度敏感区间的扫描装置，应用于机床，可以包括：
起点单元，用于当第n点在速度敏感区i且第(n-1)点不在所述速度敏感区i，确定所述第n点为速度敏感区(i+1)的起点；所述第n点为刀轨上任一点，所述第(n-1)点在所述刀轨上，与所述第n点相邻且靠近所述刀轨的起点；n为正整数，i为自然数；
终点单元，用于当所述第n点不在速度敏感区i且所述第(n-1)点在所述速度敏感区i，确定所述第(n-1)点为所述速度敏感区i的终点；
结束单元，用于直至确定所述第n点为所述刀轨的终点，结束对所述刀轨的扫描。
在一种可能的实现方式中，所述装置还包括变步长单元和速度区域单元；
所述变步长单元，用于：当所述第n点不是所述刀轨的终点，根据所述第n点的位移值和进给步长，确定第(n+1)点的位移值；所述第(n+1)点在所述刀轨上，与所述第n点相邻且靠近所述刀轨的终点；当所述第(n+1)点的位移值大于或等于所述刀轨的终点位移值，根据所述终点位移值确定所述第(n+1)点；当所述第(n+1)点的位移值小于所述终点位移值，根据所述第(n+1)点的位移值确定所述第(n+1)点；
所述速度区域单元，用于根据所述第(n+1)点的限制速度和对应的进给速度，判断所述第(n+1)点是否在所述速度敏感区i。其中，该对应的进给速度可以是当前设定或者预先设定的指令进给速度，与该第(n+1)点的位置对应。
在一种可能的实现方式中，所述结束单元，用于：确定所述速度敏感区i内曲率半径最小值；根据所述速度敏感区i内曲率半径最小值，确定所述速度敏感区i内进给速度初始值。
在一种可能的实现方式中，所述速度区域单元，还用于：根据所述第n点的曲率，弓高误差，法向加速度和法向加加速度，确定所述第n点的限制速度；根据所述第n点的限制速度和对应的进给速度，判断所述第n点是否在所述速度敏感区i。其中，此处的进给速度可以与该第n点对应，是该点当前设定或预先设定的指令进给速度。
在一种可能的实现方式中，所述装置还包括确定数值单元，用于在所述直至确定所述第n点为所述刀轨的终点之前，确定所述刀轨的起点参数、起点位移值，以及终点参数、终点位移值。
在一种可能的实现方式中，所述装置还包括修正单元，用于：根据盛金公式确定逆向和正向扫描速度规划过程中涉及的方程解；所述逆向和正向扫描速度规划为对所述刀轨上所有速度敏感区的进给速度值修正过程中的一部分过程。
在一种可能的实现方式中，所述装置还包括过渡速度单元，用于：
确定所述速度敏感区i和所述速度敏感区(i+1)之间的过渡区域弧长；判断所述过渡区域弧长是否满足第一限制速度和第二限制速度的弧长要求；所述第一限制速度为所述速度敏感区i的限制速度；所述第二限制速度为所述速度敏感区(i+1)的限制速度；当满足所述弧长要求，确定所述过渡区域弧长对应的加速过程终止点参数和减速过程起始点参数；当不满足所述弧长要求，确定所述加速过程终止点参数或所述减速过程起始点参数。
在一种可能的实现方式中，所述装置还包括插补单元，用于：在实时参数曲线插补过程中，在确定所述第n点所处参数区间后，根据所述第n点所处参数区间两端参数对应的进给速度，确定所述第n点的进给速度；根据所述第n点的进给速度确定所述第(n+1)点的曲线参数；根据所述第(n+1)点的曲线参数，确定所述第(n+1)点是否为所述刀轨的终点。
第三方面，本发明实施例提供了一种确定速度敏感区间的扫描测量设备，可以包括处理器、输入设备、输出设备和存储器。该处理器、输入设备、输出设备和存储器相互连接。其中，存储器用于存储计算机程序，该计算机程序包括程序指令；该处理器被配置用于调用该程序指令，执行如本发明实施例第一方面所述的步骤指令。
第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其中，该计算机可读存储介质，存储用于电子数据交换的计算机程序；前述计算机程序使得计算机执行如本发明实施例第一方面所描述的部分或者全部步骤。
第五方面，本发明实施例提供了一种计算机程序产品，其中，该计算机程序产品包括存储了计算机程序的非瞬时计算机可读存储介质，上述计算机程序可操作来使计算机执行如本发明实施例第一方面中所描述的部分或者全部步骤。该计算机程序产品可以为一个软件安装包。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1是本发明实施例提供的一种确定速度敏感区间的扫描流程示意图；
图2是本发明实施例提供的一种速度敏感区扫描以及速度规划流程示意图；
图3是本发明实施例提供的一种确定速度敏感区间的扫描装置的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种设备的结构示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，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、***、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
首先，对本发明实施例中的部分用语进行解释说明，以便于本领域技术人员理解。
(1)数控机床(Computer numerical control，CNC)，是一种装有程序控制***的自动化机床。该控制***能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。
(2)刀轨，或称刀具轨迹，是切削刀具上规定点所走过的轨迹。此规定点通常为刀具加工中在空间的位置点。曲面加工的刀具轨迹生成是实现曲面数控加工的关键环节。它是通过零件几何模型，根据所选用的加工机床、刀具、走刀方式以及加工余量等工艺方法进行刀位计算并生成加工运动轨迹。刀具轨迹的生成能力直接决定数控编程***的功能及所生成加工程序的质量。高质量的数控加工程序除了应保证编程精度和避免干涉之外，同时应满足通用性好、加工时间短、编程效率高、代码量小等要求。刀具轨迹在CNC领域内是不可少的东西。
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种确定速度敏感区间的扫描流程示意图；如图1所示，该方法实施例中以应用该确定速度敏感区间的扫描的机床为执行主体为例，从机床该侧进行说明，具体可以包括步骤S101-步骤S103。
步骤S101：当第n点在速度敏感区i且第(n-1)点不在所述速度敏感区i，确定所述第n点为速度敏感区(i+1)的起点。
具体地，所述第n点为刀轨上任一点，所述第(n-1)点在所述刀轨上，与所述第n点相邻且靠近所述刀轨的起点；n为正整数，i为自然数。特别地，当i＝0且第n点对应的是刀轨起点，起点的前一点可以认为并不存在。可选地，可以单独判断第n点是否是刀轨起点，或者在不单独判断。
步骤S102：当所述第n点不在速度敏感区i且所述第(n-1)点在所述速度敏感区i，确定所述第(n-1)点为所述速度敏感区i的终点。
具体地，该步骤S102与步骤S101并不存在严格的执行顺序。本步骤与前一步骤是在判断第n点是否在速度敏感区i内的判断结果中的一种。可以认为本步骤和前步骤是并行的。在方法执行过程中，速度敏感区i的起点是在判断第(n-1)点时就可以确定。具体地，当确定速度敏感区1的时候，在刀轨上必定存在速度敏感区1的起点和相邻非起点的位置，从而可以确定速度敏感区1的起点位置。在本步骤中，满足第n点不在速度敏感区i且第(n-1)点在所述速度敏感区i的情况下，默然存在第n点和第(n-1)点，就排除了第n点是起点的情况。
步骤S103：直至确定所述第n点为所述刀轨的终点，结束对所述刀轨的扫描。
具体地，重复前述步骤，对刀轨上每一个点进行速度敏感区间判断，并确定了每一个速度敏感区的起点和终点；当确定到第n点是该刀轨的终点时，结束对该刀轨的速度敏感区的扫描。
本发明实施例中，根据某一点的曲率半径和限制速度算法，确定某一点的限制速度；限制速度算法用于通过点所在刀轨处的曲率半径和该点的限制速度之间的关系，进一步依据点的曲率半径确定该点的限制速度。然后根据该点的限制速度判断该点是否在速度敏感区，基于不同的位置关系情况进一步判断该点以及该点的前一点两者的位置特征(如当前点在速度敏感区且前一点也在速度敏感区等)，确定该点是下一个敏感区域的起点，还是本敏感区域的终点。对刀轨上所有点都进行确认，一直持续到刀轨的终点。相对现有技术中，本发明实施例在一次扫描过程中就可以得到当前刀轨上所有的速度敏感区间，并确定刀轨上所有速度敏感区的端点，明显提高刀轨的速度敏感区间扫描效率。
上面描述了本发明实施例中主要的技术方案，下面对该技术方案中涉及的优选的实施方案进行描述
在一种可能的实现方式中，当所述第n点不是所述刀轨的终点，根据所述第n点的位移值和进给步长，确定第(n+1)点的位移值；所述第(n+1)点在所述刀轨上，与所述第n点相邻且靠近所述刀轨的终点；当所述第(n+1)点的位移值大于或等于所述刀轨的终点位移值，根据所述终点位移值确定所述第(n+1)点；当所述第(n+1)点的位移值小于所述终点位移值，根据所述第(n+1)点的位移值确定所述第(n+1)点；根据所述第(n+1)点的限制速度和对应的进给速度，判断所述第(n+1)点是否在所述速度敏感区i。其中，进给速度可以是与当前点对应设置的速度。
其中，根据当前点的名义限制速度(对应限制速度)，计算当前进给步长Δl，即为名义下一当前点的位移值为l’＝l(u)+Δl；因此本发明实施例中插补步长会随着当前刀位点限制速度而改变；若有l’≥l_e，则表示下一步会超出当前刀轨终点，则取l’＝l_e，即将刀轨终点为新的当前点，再判断该点与速度敏感区的位置关系；若有l’<l_e，则表示下一步不会超出当前刀轨终点，则取位移l’处的点为新的当前点，再判断该点与速度敏感区的位置关系；如此循环直到遍历整条刀轨。
当判断当前点是为刀轨终点，则结束整个扫描流程。
在一种可能的实现方式中，确定第n点为所述刀轨的终点后，再确定所述速度敏感区i内曲率半径最小值；根据所述速度敏感区i内曲率半径最小值，确定所述速度敏感区i内进给速度初始值。可选地，在确定每一个速度敏感区之后确定每个速度敏感区内进给速度初始值。例如，设参数u位置处的刀轨曲率半径为ρ(u)，计算第i个速度敏感区间内曲率半径最小值ρmin,i，计算得到
ρmin,i＝min{ρ(u)|u∈Ri}
进而初步确定第i个速度敏感段内的进给速度初始值：
vmin,i＝min{vg(ρmin,i),va(ρmin,i),vj(ρmin,i)}
其中，当加工进给速度为v时，曲线上该点处的弓高误差δ为：
其中，为了满足δ≤δ_n，则弓高误差限制下的最大许用加工进给速度v_g(ρ)为：
其中，加工进给速度v与法向加速度a的关系为：
其中，为了满足a≤a_n，则法向加速度限制下的最大许用进给速度v_a(ρ)为：
其中，加工进给速度v与法向加加速度j的关系为：
其中，为了满足a≤a_n，则法向加速度限制下的最大许用进给速度v_j(ρ)为：
在一种可能的实现方式中，根据所述第n点的曲率，弓高误差，法向加速度和法向加加速度，确定所述第n点的限制速度；根据所述第n点的限制速度和对应的进给速度，判断所述第n点是否在所述速度敏感区i。例如，在综合前述三点，在刀轨当前参数为u的刀位点处，在弓高误差、法向加速度、法向加加速度约束下的名义限制进给速度为：
vlim(u)＝min{vg(ρ),va(ρ),vj(ρ)}
该公式是一种本发明实施例可以选择的限制速度算法。
在一种可能的实现方式中，直至确定所述第n点为所述刀轨的终点之前，确定所述刀轨的起点参数、起点位移值，以及终点参数、终点位移值。例如，在本发明实施例中可以假设刀轨上的当前参数为u的刀位点处刀轨的曲率为ρ，机床的进给插补周期为T，弓高误差上限为δ_n，法向加速度上限为a_n，法向加加速度上限为j_n。
在一种可能的实现方式中，根据盛金公式确定逆向和正向扫描速度规划过程中涉及的方程解；所述逆向和正向扫描速度规划为对所述刀轨上所有速度敏感区的进给速度值修正过程中的一部分过程。
在一种可能的实现方式中，确定所述速度敏感区i和所述速度敏感区(i+1)之间的过渡区域弧长；判断所述过渡区域弧长是否满足第一限制速度和第二限制速度的弧长要求；所述第一限制速度为所述速度敏感区i的限制速度；所述第二限制速度为所述速度敏感区(i+1)的限制速度；当满足所述弧长要求，确定所述过渡区域弧长对应的加速过程终止点参数和减速过程起始点参数；当不满足所述弧长要求，确定所述加速过程终止点参数或所述减速过程起始点参数。
在一种可能的实现方式中，在实时参数曲线插补过程中，在确定所述第n点所处参数区间后，根据所述第n点所处参数区间两端参数对应的进给速度，确定所述第n点的进给速度；根据所述第n点的进给速度确定所述第(n+1)点的曲线参数；根据所述第(n+1)点的曲线参数，确定所述第(n+1)点是否为所述刀轨的终点。
本发明实施例中提出了较为详细的速度敏感区间的自适应变步长扫描与速度规划方法，实现了除部分过渡区域外保持进给速度恒定的参数曲线插补；建立了满足弓高误差、机床法向/切向加速度与法向/切向加加速度约束，且满足S型变速策略的综合速度规划方法，可以满足数控加工进给速度的二阶连续性，对提高数控加工的加工效率、加工质量以及机床寿命的提高具有重要意义。相比于现有的一些速度敏感区间恒速速度规划方法，能够较好地修正了其中涉及的弓高误差速度约束公式，建立了更加准确的进给速度约束模型。而且，在传统的粗-精扫描方法基础上，采用一种自适应变扫描步长的方法，可以在一次扫描过程中精确地确定整条刀轨中的所有速度敏感区间，在实时性上较传统算法有较大优势。而且，在速度敏感区间限制速度修正的步骤中，避免因传统的数值求解方法(通常为二分法)需要迭代过程而导致收敛速度较慢；而且，本发明实施例中直接利用盛金公式给出了方程的解析解，避免了迭代过程，可进一步提高实时性。
上面对对主要技术方案以及优选方案进行了描述，下面是对整个方案涉及的一种优选方案的整体描述。
请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种速度敏感区扫描以及速度规划流程示意图；如图2所示，首先可以确定刀轨各项参数(包括起点参数、位移值，以及终点处的参数、位移值Le，并将当前速度敏感区间的序数值i初始化为0)；
接着，确定刀轨上某一点限制进给速度不等式。该某一点可以是刀轨上任一点，比如起点或者终点等等。
然后判断该点是否在速度敏感段(或称速度敏感区，两者在此处可近似认为相同，不做区分描述)。
根据不同的判断结果进行不同处理，实现对目标的速度敏感区的起点和终点进行确定。当扫描到最后一个点，即刀轨终点，结束速度敏感区的全部扫描。
可选地，本发明实施例还提供了其他关于速度的相关实施例。在确定速度敏感区的基础上完善对刀轨有关速度规划的优化。下面对上述涉及的方案进行进一步详细的描述。
1.刀轨上各点的名义限制进给速度计算方法：
假设刀轨上的当前参数为u的刀位点处刀轨的曲率为ρ，机床的进给插补周期为T，弓高误差上限为δn，法向加速度上限为an，法向加加速度上限为jn。当加工进给速度为v时，曲线上该点处的弓高误差δ为：
为了满足δ≤δn，则弓高误差限制下的最大许用加工进给速度vg(ρ)为：
加工进给速度v与法向加速度a的关系为：
为了满足a≤an，则法向加速度限制下的最大许用进给速度va(ρ)为：
加工进给速度v与法向加加速度j的关系为：
为了满足a≤an，则法向加速度限制下的最大许用进给速度vj(ρ)为：
综合以上三点，在刀轨当前参数为u的刀位点处，在弓高误差、法向加速度、法向加加速度约束下的名义限制进给速度为：
vlim(u)＝min{vg(ρ),va(ρ),vj(ρ)} (7)
2.速度敏感区间的定义及区间内曲率半径极小值的计算方法：
假设当前设定的指令进给速度为F，则将满足不等式vlim(u)≤F (8)的所有连续刀位点构成的集合称为当前刀轨上的速度敏感段，每个速度敏感段对应的参数区间称为速度敏感区间，第i个速度敏感段对应的速度敏感区间记作：
Ri＝[us,i,ue,i] (9)
其中Ri为第i个速度敏感区间，us,i为其起点参数值，ue,i为其终点参数值。
设参数u位置处的刀轨曲率半径为ρ(u)，计算第i个速度敏感区间内曲率半
径最小值ρmin,i，有：
ρmin,i＝min{ρ(u)|u∈Ri} (10)
进而初步确定第i个速度敏感段内的进给速度初始值：
vmin,i＝min{vg(ρmin,i),va(ρmin,i),vj(ρmin,i)} (11)
3.速度敏感区间的自适应变步长扫描确定方法：
由于不等式(7)难以直接解析求解，这里采用一种自适应变步长扫描方法，来确定各个速度敏感区间Ri的两个端点的起点us,i与终点ue,i的值：
[1]读取当前刀轨的起点参数us、位移值ls，以及终点处的参数ue、位移值le，并将当前速度敏感区间的序数值i初始化为0；
[2]将当前刀轨起点作为首个当前点；
[3]计算当前点处刀轨的曲率半径ρ(u)，根据前面给出的名义限制进给速度计算方法，计算当前点的vlim(u)；
[4]判断不等式(7)，以确定当前点是否属于速度敏感段；若当前点属于速度敏感段，跳转至[5]，若当前点不属于速度敏感段，跳转至步骤[6]；
[5]若当前点为刀轨起点，或当前点的前一点不属于速度敏感段时，将i增加1，将当前点的参数u赋值给us,i，跳转至步骤[7]；反之则直接跳转至步骤[7]；
[6]若当前点不是刀轨起点，且当前点的前一点属于速度敏感段时，将当前点前一点的参数u赋值给ue,i，跳转至步骤[8]；反之，则直接跳转至步骤[9]；
[7]若当前点为刀轨终点，则将当前点的参数u赋值给ue,i，跳转至步骤[8]，反之则直接跳转至步骤[9]；
[8]按照(10)与(11)两式，计算当前第i个速度敏感段内的进给速度初始值vmin,i，跳转步骤[9]；
[9]判断当前点是否为刀轨终点(在7中已经判断是否为刀轨终点后，本步骤中对当前点是否为刀轨终点可以作为一种选择的方式)，是则结束整个
扫描流程，否则计算当前进给步长Δl:
Δl＝vlim(u)·T (12)
其中，T为插补周期，vlim(u)即为前面计算出的当前点的名义限制速度，计算所得名义下一当前点的位移值为l′＝l(u)+Δl，可见本方法的插补步长会随着当前刀位点限制速度而改变；若有l′≥le，则表示下一步会超出当前刀轨终点，此时取l′＝le，即将刀轨终点为新的当前点，返回步骤[3]；若有l′<le，则表示下一步不会超出当前刀轨终点，则取位移l′处的点为新的当前点，返回步骤[3]，如此循环直到便利整条刀轨。在经过了这一自适应变步长扫描过程后，就可以得到当前刀轨上所有的速度敏感区间以及它们对应的进给速度初始限制值。
4.修正各个速度敏感区间的进给速度值：
在前一大步中，已经得到了各个速度敏感区间内的进给速度初始限制值vmin,i。但是在切向加速度与切向加加速度的约束下，实际加工进给速度可能无法在两速度敏感区间之间的弧长范围内从前一敏感区间的初始限制速度变速到下一敏感区间的初始限制速度；这就需要利用切向加速度、切向加加速度限制，在S型加减速模式下，对各个速度敏感区间的进给速度值进行修正。
设机床的切向加速度、切向加加速度的极限值分别为at，jt,在S型加减速策略下，从起点速度vs变速到终点速度ve所需要的位移值Sr(vs,ve)为：
其中变速过程中的最大加速度值amax＝jtt1，加加速或加减速过程用时为t1，匀加速或匀减速过程用时t2，减加速或减减速过程用时为t3：
首先通过逆向扫描进行降速过程进给速度规划，假设一共有n个速度敏感区间，其流程为：
[1]取i＝n-1；
[2]判断是否为降速过程，若vlim,i≤vlim,i+1,则跳转至步骤[7]反之执行步骤[3]；[3]计算从vlim,i降速至vlim,i+1所需的位移值Sr(vlim,i,vlim,i+1)；
[4]计算第i敏感段终点与第(i+1)个速度敏感段起点之间的弧长Sr,i，其中||C′(u)||为描述刀轨的参数曲线方程C(u)对参数u的导矢的二范数：
判断是否有Sr(vlim,i,vlim,i+1)，若为是则跳转步骤[7]，若为否则执行步骤[5]；
[5]在区间Sr(vlim,i,vlim,i+1)内，利用盛金公式(该公式作为一优选的替换公式)直接求解方程Sr(vnew,i,vlim,i+1)＝Sr,i (17)，其求解结果为：
其中，
[6]将解vnew,i作为第i个速度敏感段新的限制速度，赋值给vlim,i；
[7]若i为1，则逆向扫描过程结束；反之，令i减小1，跳转至步骤[2]进行循环。
其次，进行正向扫描进行升速过程进给速度规划，其流程与逆向规划方法类似：
[1]取i＝1；
[2]判断是否为升速过程，若vlim,i≥vlim,i+1,则跳转至步骤[7]，反之执行步骤[3]；
[3]计算从vlim,i升速至vlim,i+1所需的位移值Sr(vlim,i,vlim,i+1)；
[4]计算第i敏感段终点与第(i+1)个速度敏感段起点之间的弧长Sr,i(可以直接利用逆向扫描过程的计算结果)，其中||C′(u)||为描述刀轨的参数曲线方程C(u)对参数u的导矢的二范数：
判断是否有Sr(vlim,i,vlim,i+1)≤Sr,i，若为是则跳转步骤[7]，若为否则执行步骤[5]；
[5]在区间Sr(vlim,i,vlim,i+1)内，利用盛金公式直接求解方程Sr(vlim,i,vnwe,i+1)＝Sr,i (21)，其求解结果与降速过程类似：
其中，
[6]将解vnew,i+1作为第(i+1)个速度敏感段新的限制速度，赋值给vlim,i+1；
[7]若i为(n-1)，则正向扫描过程结束；反之，令i增加1，跳转至步骤[2]进行循环。
经过上述逆向与正向扫描速度规划后，就完成了对各个速度敏感段的限制速度的修正过程，所得的最终更新的vlim,i即为满足切向加速度与切向加加速度规划的第i个速度敏感区间的最终进给速度规划值。原有的反向-正向扫描速度规划过程中，方程(17)与(21)的求解方法通常为二分法，然而二分法的收敛速度较慢，故本发明做了相应的改进，直接采用了盛金公式进行解析求解，避免了迭代过程。
5.确定速度敏感区间之间过渡区域的升/降速起始/终止点，以及对应的进给速度：
对于两个相邻的速度敏感区间Ri与Ri+1之间的过渡区域(ue,i,us,i+1)，在前一步骤中已经求得其弧长为Sr,i，首先判断该弧长能否满足从区间Ri的最终限制速度vlim,i按S型变速策略加速至指令进给速度F，再减速至区间Ri+1的最终限制速度vlim,i+1，即判断不等式(24)是否成立：
Sr,i≥Sr(vlim,i,F)+Sr(F,vlim,i+1) (24)
若不等式(24)成立，则表示可以完成从区间Ri的最终限制速度vlim,i按S型变速策略加速至指令进给速度F，再减速至区间Ri+1的最终限制速度vlim,i+1的加速与减速过程；加速过程的起始点的参数即为ue,i，对应的进给速度值为vlim,i，设加速过程终止点的参数为ur,i，可以根据方程(25)求解：
类似地，减速过程的起始点参数ud,i可以由方程(26)求解：
即加速过程起始点参数为ue,i，起始速度为vlim,i，加速过程终止点参数为ur,i，终止速度为F；
减速过程起始点参数为ud,i，起始速度为F，减速过程终止点参数为us,i+1，终止速度为vlim,i+1；ur,i与ud,i之间则是进给速度为F的匀速过程。
若不等式(24)不成立，则表示无法先加速到F再减速下来，此时在此过渡区域内只执行加速或减速过程，若vlim,i<vlim,i+1则只执行S型加速过程，若vlim,i>vlim,i+1则只执行S型减速过程。
若只执行加速过程，加速过程终止点的参数ur,i可以根据方程(27)求解：
类似地，减速过程的起始点参数ud,i可以由方程(28)求解：
即加速过程起始点参数为ue,i，起始速度为vlim,i，加速过程终止点参数为ur,i，终止速度为vlim,i+1；减速过程起始点参数为ud,i，起始速度为vlim,i，减速过程终止点参数为us,i+1，终止速度为vlim,i+1；在加速阶段之后为进给速度为vlim,i+1的匀速过程，减速阶段之前为进给速度为vlim,i的匀速过程。对每个过渡区域做此计算，即可得到所有过渡区域的加减速策略，以及加减速过程起始/终止参数，起始/终止速度。
6.实时计算当前插补点处的进给速度：
将上一步中得到的所有加减速过程的起始/终止点曲线参数，以及对应的起始/终止速度的对应关系表作为该步骤中实时插补器的输入。在实时参数曲线插补过程中，先判断当前插补点所在的参数区间[ur,i,ur,i+1]；若该参数区间两端参数对应的进给速度值相同，则表示当前插补点处于匀速区间，此时采用恒速插补；若该参数区间两端参数对应的进给速度值不同，则按照S型加减速策略来确定当前插补点的进给速度值。当前插补点所在参数区间两端速度不同时，该区间内的插补时间t与进给速度的关系为：
其中amax＝jtt1，t1，t2，t3由式(14)与(15)计算，起始与终止速度为当前参数区间的起始与终止速度。
7.计算一下插补点处的曲线参数：
在上一步计算出当前插补点的进给速度vk后，根据二阶Taylor公式，计算下一个插补点的曲线参数为：
其中uk为当前插补点处的样条曲线参数，C′(uk)为当前插补点处曲线的一阶导矢，C″(uk)为当前插补点处曲线的二阶导矢。随后判断是否到达刀轨终止点，若到达了刀轨终止点，则结束插补，反之则将k增加1，返回上一步计算当前插补点进给速度的步骤，如此循环直到对整条刀轨完成插补。至此，就实现了满足弓高误差，法向/切向加速度，法向/切向加加速度综合约束的速度敏感区间变步长自适应扫描速度与S型变速策略速度规划的全部过程。
上面详细说明了本发明实施例涉及的方法实施例，下面对向涉及的一种装置实施例进行描述。
请参见图3，图3是本发明实施例提供的一种确定速度敏感区间的扫描装置的结构示意图；如图3所示，该装置30可应用于机床，可以包括起点单元301、终点单元302、结束单元303、变步长单元304、速度区域单元305、确定数值单元306、修正单元307、过渡速度单元308和插补单元309。可选的单元还可以包括变步长单元304、速度区域单元305、确定数值单元306、修正单元307、过渡速度单元308和插补单元309。
起点单元301，用于当第n点在速度敏感区i且第(n-1)点不在所述速度敏感区i，确定所述第n点为速度敏感区(i+1)的起点；所述第n点为刀轨上任一点，所述第(n-1)点在所述刀轨上，与所述第n点相邻且靠近所述刀轨的起点；n为正整数，i为自然数；
终点单元302，用于当所述第n点不在速度敏感区i且所述第(n-1)点在所述速度敏感区i，确定所述第(n-1)点为所述速度敏感区i的终点；
结束单元303，用于直至确定所述第n点为所述刀轨的终点，结束对所述刀轨的扫描。
在一种可能的实现方式中，所述装置还包括变步长单元304和速度区域单元305；
所述变步长单元304，用于：当所述第n点不是所述刀轨的终点，根据所述第n点的位移值和进给步长，确定第(n+1)点的位移值；所述第(n+1)点在所述刀轨上，与所述第n点相邻且靠近所述刀轨的终点；当所述第(n+1)点的位移值大于或等于所述刀轨的终点位移值，根据所述终点位移值确定所述第(n+1)点；当所述第(n+1)点的位移值小于所述终点位移值，根据所述第(n+1)点的位移值确定所述第(n+1)点；
所述速度区域单元305，用于根据所述第(n+1)点的限制速度和对应的进给速度，判断所述第(n+1)点是否在所述速度敏感区i。其中，该对应的进给速度可以是当前设定或者预先设定的指令进给速度，与该第(n+1)点的位置对应。
在一种可能的实现方式中，所述结束单元303，用于：确定所述速度敏感区i内曲率半径最小值；根据所述速度敏感区i内曲率半径最小值，确定所述速度敏感区i内进给速度初始值。
在一种可能的实现方式中，所述速度区域单元305，还用于：根据所述第n点的曲率，弓高误差，法向加速度和法向加加速度，确定所述第n点的限制速度；根据所述第n点的限制速度和对应的进给速度，判断所述第n点是否在所述速度敏感区i。其中，此处的进给速度可以与该第n点对应，是该点当前设定或预先设定的指令进给速度。
在一种可能的实现方式中，所述装置还包括确定数值单元306，用于在所述直至确定所述第n点为所述刀轨的终点之前，确定所述刀轨的起点参数、起点位移值，以及终点参数、终点位移值。
在一种可能的实现方式中，所述装置还包括修正单元307，用于：根据盛金公式确定逆向和正向扫描速度规划过程中涉及的方程解；所述逆向和正向扫描速度规划为对所述刀轨上所有速度敏感区的进给速度值修正过程中的一部分过程。
在一种可能的实现方式中，所述装置还包括过渡速度单元308，用于：
确定所述速度敏感区i和所述速度敏感区(i+1)之间的过渡区域弧长；判断所述过渡区域弧长是否满足第一限制速度和第二限制速度的弧长要求；所述第一限制速度为所述速度敏感区i的限制速度；所述第二限制速度为所述速度敏感区(i+1)的限制速度；当满足所述弧长要求，确定所述过渡区域弧长对应的加速过程终止点参数和减速过程起始点参数；当不满足所述弧长要求，确定所述加速过程终止点参数或所述减速过程起始点参数。
在一种可能的实现方式中，所述装置还包括插补单元309，用于：在实时参数曲线插补过程中，在确定所述第n点所处参数区间后，根据所述第n点所处参数区间两端参数对应的进给速度，确定所述第n点的进给速度；根据所述第n点的进给速度确定所述第(n+1)点的曲线参数；根据所述第(n+1)点的曲线参数，确定所述第(n+1)点是否为所述刀轨的终点。
需要说明的是，本发明装置实施例中所确定速度敏感区间的扫描装置30的各功能单元的功能，可参见上述图1对应的方法实施例中相关描述，此处不再赘述。
请参见图4，图4是本发明实施例提供的一种设备的结构示意图。前述装置可以以图4中的结构来实现，该设备4可以包括至少一个存储部件401、至少一个通信部件402、至少一个处理部件403。此外，该设备还可以包括天线、电源等通用部件，在此不再详述。
存储部件401，可以是只读存储器(read-only memory，ROM)或可存储静态信息和指令的其他类型的静态存储设备，随机存取存储器(random access memory，RAM)或者可存储信息和指令的其他类型的动态存储设备，也可以是电可擦可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)、只读光盘(CompactDisc Read-Only Memory，CD-ROM)或其他光盘存储、光碟存储(可以包括压缩光碟、激光碟、光碟、数字通用光碟、蓝光光碟等)、磁盘存储介质或者其他磁存储设备、或者能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质，但不限于此。存储器可以是独立存在，通过总线与处理器相连接。存储器也可以和处理器集成在一起。
通信部件402，可以是用于与其他设备或通信网络通信，如升级服务器、密钥服务器、车载内部的设备等。
处理部件403，可以是通用中央处理器(CPU)，微处理器，特定应用集成电路(application-specific integrated circuit，ASIC)，或一个或多个用于控制以上方案程序执行的集成电路。
图4所示的设备为确定速度敏感区间的扫描装置40时，处理部件403用于当第n点在速度敏感区i且第(n-1)点不在所述速度敏感区i，确定所述第n点为速度敏感区(i+1)的起点；所述第n点为刀轨上任一点，所述第(n-1)点在所述刀轨上，与所述第n点相邻且靠近所述刀轨的起点；n为正整数，i为自然数；当所述第n点不在速度敏感区i且所述第(n-1)点在所述速度敏感区i，确定所述第(n-1)点为所述速度敏感区i的终点；直至确定所述第n点为所述刀轨的终点，结束对所述刀轨的扫描。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其中，该计算机可读存储介质可存储有程序，该程序执行时可以包括上述方法实施例中记载的任意一种的部分或全部步骤。
本发明实施例还提供一种计算机程序或者计算机程序产品，该计算机程序可以包括指令，当该计算机程序被计算机执行时，使得计算机可以执行包括上述方法实施例中记载的任意一种的部分或全部步骤。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可能可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置，可通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如上述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。上述装置实施例的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。
另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。上述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，可以包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以为个人计算机、服务器或者网络设备等，具体可以是计算机设备中的处理器)执行本发明各个实施例上述方法的全部或部分步骤。其中，而前述的存储介质可以包括：U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、只读存储器(Read-Only Memory，缩写：ROM)或者随机存取存储器(Random Access Memory，缩写：RAM)等各种可以存储程序代码的介质。以上所述，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 (10)
1.一种确定速度敏感区间的扫描方法，其特征在于，包括：
当第n点在速度敏感区i且第(n-1)点不在所述速度敏感区i，确定所述第n点为速度敏感区(i+1)的起点；所述第n点为刀轨上任一点，所述第(n-1)点在所述刀轨上，与所述第n点相邻且靠近所述刀轨的起点；n为正整数，i为自然数；
当所述第n点不在速度敏感区i且所述第(n-1)点在所述速度敏感区i，确定所述第(n-1)点为所述速度敏感区i的终点；
直至确定所述第n点为所述刀轨的终点，结束对所述刀轨的扫描。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
当所述第n点不是所述刀轨的终点，根据所述第n点的位移值和进给步长，确定第(n+1)点的位移值；所述第(n+1)点在所述刀轨上，与所述第n点相邻且靠近所述刀轨的终点；
当所述第(n+1)点的位移值大于或等于所述刀轨的终点位移值，根据所述终点位移值确定所述第(n+1)点；
当所述第(n+1)点的位移值小于所述终点位移值，根据所述第(n+1)点的位移值确定所述第(n+1)点；
根据所述第(n+1)点的限制速度和对应的进给速度，判断所述第(n+1)点是否在所述速度敏感区i。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述直至确定所述第n点为所述刀轨的终点之后，还包括：
确定所述速度敏感区i内曲率半径最小值；
根据所述速度敏感区i内曲率半径最小值，确定所述速度敏感区i内进给速度初始值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述第n点的曲率，弓高误差，法向加速度和法向加加速度，确定所述第n点的限制速度；
根据所述第n点的限制速度和对应的进给速度，判断所述第n点是否在所述速度敏感区i。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述直至确定所述第n点为所述刀轨的终点，之前还包括：
确定所述刀轨的起点参数、起点位移值，以及终点参数、终点位移值。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据盛金公式确定逆向和正向扫描速度规划过程中涉及的方程解；所述逆向和正向扫描速度规划为对所述刀轨上所有速度敏感区的进给速度值修正过程中的一部分。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
确定所述速度敏感区i和所述速度敏感区(i+1)之间的过渡区域弧长；
判断所述过渡区域弧长是否满足第一限制速度和第二限制速度的弧长要求；所述第一限制速度为所述速度敏感区i的限制速度；所述第二限制速度为所述速度敏感区(i+1)的限制速度；
当满足所述弧长要求，确定所述过渡区域弧长对应的加速过程终止点参数和减速过程起始点参数；
当不满足所述弧长要求，确定所述加速过程终止点参数或所述减速过程起始点参数。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在实时参数曲线插补过程中，在确定所述第n点所处参数区间后，根据所述第n点所处参数区间两端参数对应的进给速度，确定所述第n点的进给速度；
根据所述第n点的进给速度确定所述第(n+1)点的曲线参数；
根据所述第(n+1)点的曲线参数，确定所述第(n+1)点是否为所述刀轨的终点。
9.一种确定速度敏感区间的扫描装置，其特征在于，包括：
起点单元，用于当第n点在速度敏感区i且第(n-1)点不在所述速度敏感区i，确定所述第n点为速度敏感区(i+1)的起点；所述第n点为刀轨上任一点，所述第(n-1)点在所述刀轨上，与所述第n点相邻且靠近所述刀轨的起点；n为正整数，i为自然数；
终点单元，用于当所述第n点不在速度敏感区i且所述第(n-1)点在所述速度敏感区i，确定所述第(n-1)点为所述速度敏感区i的终点；
结束单元，用于直至确定所述第n点为所述刀轨的终点，结束对所述刀轨的扫描。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质存储有程序指令，所述程序指令当被处理器执行时使所述处理器执行如权利要求1-8任一项所述的方法。
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| CN103048953A (zh) * | 2013-01-05 | 2013-04-17 | 福建工程学院 | 一种基于arm9嵌入式***和fpga的nurbs曲线分段插补方法 |
| CN104678899A (zh) * | 2015-02-11 | 2015-06-03 | 北京配天技术有限公司 | 曲线速度规划方法、装置及其数控加工路径数据处理方法 |
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-
2020
- 2020-12-28 CN CN202011581142.3A patent/CN112764393B/zh active Active
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