CN114077226A - S型曲线速度规划方法、控制终端及计算机可读存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数控技术领域，提供一种S型曲线速度规划方法、控制终端及计算机可读存储介质。所述方法包括：根据工件加工轨迹获得速度规划参数；根据速度规划参数计算得到加速段的总插补周期数；根据总插补周期数计算得到加速段中各插补周期所对应的瞬时速度，并构建加速段的速度规划曲线；设定减速点，当加速段的瞬时速度达到最大速度后进入匀速段，匀速运动至减速点并进入减速段，且减速段的速度规划曲线与加速段的速度规划曲线相对称；采用上述规划方法、控制终端及计算机可读存储介质，可构建出平滑的S型速度曲线，在加减速初始阶段和末尾阶段加速度变化平缓，不易对电机造成冲击，且能够根据各种加工工艺灵活调整速度曲线形态，运用合理方便。

Description

S型曲线速度规划方法、控制终端及计算机可读存储介质

技术领域

本发明属于数控技术领域，尤其涉及一种S型曲线速度规划方法、控制终端及计算机可读存储介质。

背景技术

数控机床在工作过程中需要按照预设的各种不同轨迹进行运动，以此满足各种加工需求。因此，必须对机床的运行速度提出合理规划，使其能够在满足机床的机械运动要求的前提下，保证加工过程平滑、稳定，柔性冲击小，同时反应迅速，这样才能提高机床加工效率，同时保证机床的使用寿命和使用安全。

目前数控***中常见的速度规划方法有：梯形曲线加减速、S型曲线加减速等。梯形加减速是按直线加减速方式控制电机，从初始速度到末速度以直线形势增加或减少。这种方式计算简单，加减速效果明显。但是根据直线形态加减速有加速度突变现象，容易造成机床抖振，不利于机床的安全使用，因而只适用于低速运行控制***。S型曲线加减速中比较有代表性的方法是七段加减速控制方法，其模型构造相对较为复杂，根据机床运行状态，不断改变加速度大小，能够实现加速度连续，降低运动过程加速度变化对机床产生的冲击影响。其缺点是计算得到的运动时间不一定是插补周期的整数倍，会造成在运动末段积分时间不足一个周期时，运动形态发生突变，如果忽略最后一个不满一个插补积分时间的位移量，则会损失精度。该模型构造复杂且参数限制较多，难以消除该现象。S型加减速还有用三角函数来搭建模型的方法，其加速度和加加速度都是连续的，因而运动的平滑性较好，但需要通过查表的方式来实现计算，计算效率不够高，模型只在一个时间点达到最大加速度，运动响应不够迅速，因而加减速的效率相对较低。

发明内容

本发明主要目的是提供一种S型曲线速度规划方法、控制终端及计算机可读存储介质，用以解决现有技术中速度变化不够平滑、运动响应速度较慢的技术问题。

为实现上述目的，一方面，提供了一种S型曲线速度规划方法，包括步骤：

根据工件加工轨迹获得工件加工的速度规划参数，所述速度规划参数包括路径总长S_Total、最大速度v_max以及最大加速度a_max；

根据所述速度规划参数通过预设的速度规划模型，计算得到加速段的总插补周期数T；

根据所述总插补周期数T通过所述速度规划模型，计算得到所述加速段中各插补周期t所对应的瞬时速度V，并构建所述加速段的速度规划曲线；

根据所述路径总长设定减速点，当所述加速段的瞬时速度V达到所述最大速度v_max后进入匀速段，匀速运动至所述减速点并进入减速段，且所述减速段的速度规划曲线与所述加速段的速度规划曲线相对称；

其中，所述速度规划模型包括下列公式：

所述加速段的瞬时速度的计算公式：

式中，f(t)为插补t时刻的瞬时速度，t代表插补周期，n为总插补周期数T的一半，v_min为加速段的初速度。

一个实施例中，通过对公式(1)进行求导，获得瞬时加速度的计算公式：

根据加速度在加速段的中间时刻达到最大值，在已知初速度v_min、末速度v_max、最大加速度a_max、T＝2n情况下，根据公式(2)获得加速段总插补周期数T的计算公式：

一个实施例中，通过对公式(1)求积分，获得瞬时位移的计算公式

根据公式(4)计算出每个插补周期的电机进给量，其计算公式

F(i)＝F(t_i)-F(t_i-1) (5)

式中，F(i)为t_i时刻插补周期内电机需要运行的距离。

一个实施例中，根据公式(3)和公式(4)计算得到所述加速段的位移量S_up，且所述加速段的位移量S_up等于所述减速段的位移量S_down，设路径总长S_Total≥2S_up，机床已运行的位移量为S_moved，当所述S_moved＝S_Total-S_up时为所述减速点，机床经过所述减速点后开始进入减速段进行减速。

一个实施例中，根据所述路径总长S_Total以及所述加速段的位移量S_up计算设所述匀速段的位移量S_stay：

S_stay＝S_Total-S_up-S_down (6)

根据所述匀速段的位移量S_stay以及所述最大速度计算所述匀速段的插补周期数T_stay：

T_stay＝S_stay/V_max (7)

对所述插补周期数T_stay进行整数值修正，获得修正后的实际插补周期数T′_stay

并根据所述实际插补周期数T′_stay来计算所述匀速段的修正速度v_stay：

v_stay＝S_stay/T′_stay (8)

使所述匀速段以所述修正速度v_stay匀速的运行，直至达到所述减速点开始减速进入所述减速段。

另一方面，提供了一种控制终端，包括：

至少一个处理器；以及，

与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述实施例所述的速度规划数控方法。

再一方面，还提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述实施例所述的速度规划数控方法。

从上述本发明实施例可知，具有如下优点：

通过对Sigmoid函数做变形处理，可构建出一段平滑的S型速度曲线，在加减速初始阶段和末尾阶段加速度变化平缓，不容易对电机造成冲击，在加减速中间阶段，由于能够达到规定的最大加速度，加快了加减速过程，效率更高的同时符合电机所要求的平滑、快速响应等特性；且速度规划模型简单，能够根据各种加工工艺灵活调整速度曲线形态，运用合理方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例S型曲线速度规划方法的流程图；

图2为本发明实施例中整段路径的速度曲线和加速度曲线；

图3为本发明实施例中加加速度曲线。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域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，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1所示，本发明实施例公开了一种S型曲线速度规划方法，包括步骤：

S1、根据工件加工轨迹获得工件加工的速度规划参数，速度规划参数包括路径总长S_Total、最大速度v_max以及最大加速度a_max。

需要说明的是，工件加工轨迹为需要进行速度规划的运动轨迹，本实施例以其整个路径的初速度和末速度均为0进行举例说明，即表示在工件加工轨迹的整个路径被规划成加速段、匀速度以及减速段中，加速段的初速度以及减速段的末速度为0。当然，也可工件加工轨迹的实际需要限定整个路径的初速度和末速度，即在其他实施例中，加速段的初速度以及减速段的末速度可以不为0。

S2、根据速度规划参数通过预设的速度规划模型，计算得到加速段的总插补周期数T。如图2所示，当机床从静止状态即初速度v_min＝0开始加速时，加速度从0按照插补周期逐渐增加，这样能够避免突然加速引起的机床振动问题；S曲线中间段可根据最大加速度a_max大小改变瞬时斜率，如此可灵活调整加工响应时间；同时，当加速到加速段的后半阶段时，加速度按照插补周期从中间时刻开始递减到0，机床能够平稳达到最大速度；也就是说总插补周期数T是通过最大速度v_max和最大加速度a_max根据速度规划模型计算得出的。

S3、根据总插补周期数T通过速度规划模型，计算得到加速段中各插补周期t所对应的瞬时速度V，并构建加速段的速度规划曲线；该速度规划模型通过对Sigmoid函数做变形处理，包括如下加速段的瞬时速度的计算公式：

式中，f(t)为插补t时刻的瞬时速度，t代表插补周期，n为总插补周期数T的一半，在加速段中，v_min表示加速段的初速度且等于0；根据所获得的最大速度v_max以及总插补周期数T通过公式(1)即可计算出加速段中各插补周期t所对应的瞬时速度V，从而构造出如图2所示一段平滑的加速段S型速度曲线，符合电机所要求的平滑、快速响应等特性。

S4、根据路径总长设定减速点，当加速段的瞬时速度V达到最大速度v_max后进入匀速段，匀速运动至减速点并进入减速段，且减速段的速度规划曲线与加速段的速度规划曲线相对称。具体的，减速段的瞬时速度计算公式：

其与加速段的瞬时速度计算公式区别在于，减速段式中的v_min表示末速度且等于0，即机床从减速点以以匀速段的速度(即最大速度v_max)开始减速直到速度为0后停止运行；在其所述构建减速段的S型速度曲线中，当减速到减速段的后半阶段时，加速度按照插补周期从中间时刻开始递减到0，机床能够平稳的停止运行。

本实施例的技术方案通过对Sigmoid函数做变形处理，可构建出一段平滑的S型速度曲线，在加减速初始阶段和末尾阶段加速度变化平缓，不容易对电机造成冲击，在加减速中间阶段，由于能够达到规定的最大加速度，加快了加减速过程，效率更高的同时符合电机所要求的平滑、快速响应等特性；且速度规划模型简单，能够根据各种加工工艺灵活调整速度曲线形态，运用合理方便。

在本发明的一个实施例中，通过对公式(1)进行求导，获得瞬时加速度的计算公式：

根据加速度在加速段的中间时刻达到最大值，在已知初速度v_min、末速度v_max、最大加速度a_max、T＝2n情况下，根据公式(2)获得步骤S2中加速段总插补周期数T的计算公式：

需要说明的是，减速段的瞬时加速度和总插补周期数也是通过上述公式(2)和公式(3)获得，区别在于，在减速段中，v_max为初速度，v_min为末速度；且根据公式(3)的特性，本实施例的速度规划方法可以通过最大加速度a_max来限定加减速时间，即可根据最大加速度a_max的大小改变来调节瞬时斜率，灵活调整加工响应时间。

图3所示为本实施例中加加速度曲线图，由图3可知，在加速段中，机床从静止状态启动按工件加工轨迹开始加速，且加速段的前半段加速度逐渐加大至最大加速度，加加速度先逐渐加大后又逐渐减小至0；加速段的前半段加速度逐渐减小至0，加加速度变成负值并先逐渐减小后又逐渐增加至0；表示在加速初始阶段和末尾阶段的加速度变化平缓，不容易对电机造成冲击，符合电机所要求速度变化的平滑过渡。同理，在减速段中，于减速初始阶段和末尾阶段的加速度变化同样平缓。

在本发明的一个实施例中，通过对公式(1)求积分，获得瞬时位移的计算公式：

根据公式(4)计算出每个插补周期的电机进给量，即相邻两个插补周期的瞬时位移差值，其计算公式：

F(i)＝F(t_i)-F(t_i-1) (5)

式中，F(i)为t_i时刻插补周期内电机需要运行的距离，当数控***处于加速阶段时，t的取值范围为[0，T]；当数控***处于减速阶段时，t的取值范围为[T，0]。

在本发明的一个实施例中，步骤S4中的减速点计算方式为：根据公式(3)和公式(4)计算得到加速段的位移量S_up，而由于加速段和减速段的速度规划模型相同，始末速度和最大加速度也相同，可以知道加速段的位移量S_up等于减速段的位移量S_down，设路径总长S_Total≥2S_up，机床已运行的位移量为S_moved，机床走完S_Total的总时间为T_n，那么加速阶段和减速阶段的速度曲线关于t＝T_n/2对称，且当S_moved＝S_Total-S_up时为减速点，机床经过减速点后开始进入减速段进行减速，直到速度为0后停止运行。

在本发明的一个实施例中，步骤S4进入匀速段之前还包括如下步骤：

根据路径总长S_Total以及加速段的位移量S_up计算设匀速段的位移量S_stay：

S_stay＝S_Total-S_up-S_down (6)

根据匀速段的位移量S_stay以及最大速度计算匀速段的插补周期数T_stay：

T_stay＝S_stay/V_max (7)

对插补周期数T_stay进行整数值修正，获得修正后的实际插补周期数T′_stay

并根据实际插补周期数T′_stay来计算匀速段的修正速度v_stay：

v_stay＝S_stay/T′_stay (8)

使步骤S4中匀速段以修正速度v_stay匀速的运行，直至达到减速点开始减速进入减速段。这种近似方法可以有效保证整段速度规划路程与所给距离之间的误差很小，并且能够保证加速度波动较小，速度变化平滑，减少电机振动。

仿真验证：

数控***中的机床参数设为：插补周期T_s＝0.5ms，最大速度60m/min，最大加速度为5m/s²。换算为数控***中采用的时间和距离单位后，最大速度为1mm/ms，最大加速度为0.005mm/ms²，总位移量5000mm。通过上述实施例的速度规划方法进行规划，得到结果如表1所示，由于计算过程数据类型带来的偏差，规划出的总位移量与实际路径仅存在0.0006的偏差。

表1加减速段速度规划结果

本发明实施例还涉及一种控制终端，至少一个处理器；以及，与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行上述速度规划数控方法的实施方式。

其中，存储器和处理器采用总线方式连接，总线可以包括任意数量的互联的总线和桥，总线将一个或多个处理器和存储器的各种电路连接在一起。总线还可以将诸如***设备、稳压器和功率管理电路等之类的各种其他电路连接在一起，这些都是本领域所公知的，因此，本文不再对其进行进一步描述。总线接口在总线和收发机之间提供接口。收发机可以是一个元件，也可以是多个元件，比如多个接收器和发送器，提供用于在传输介质上与各种其他装置通信的单元。经处理器处理的数据通过天线在无线介质上进行传输，进一步，天线还接收数据并将数据传送给处理器。

处理器负责管理总线和通常的处理，还可以提供各种功能，包括定时，***接口，电压调节、电源管理以及其他控制功能。而存储器可以被用于存储处理器在执行操作时所使用的数据。

本发明实施例涉及一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序。计算机程序被处理器执行时实现上述速度规划数控方法实施例。

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，可以参见其它实施例的相关描述。

以上为对本发明所提供的技术方案的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种S型曲线速度规划方法，其特征在于，包括步骤：

根据工件加工轨迹获得工件加工的速度规划参数，所述速度规划参数包括路径总长S_Total、最大速度v_max以及最大加速度a_max；

根据所述速度规划参数通过预设的速度规划模型，计算得到加速段的总插补周期数T；

根据所述总插补周期数T通过所述速度规划模型，计算得到所述加速段中各插补周期t所对应的瞬时速度V，并构建所述加速段的速度规划曲线；

根据所述路径总长设定减速点，当所述加速段的瞬时速度V达到所述最大速度v_max后进入匀速段，匀速运动至所述减速点并进入减速段，且所述减速段的速度规划曲线与所述加速段的速度规划曲线相对称；

其中，所述速度规划模型包括下列公式：

所述加速段的瞬时速度的计算公式：

式中，f(t)为插补t时刻的瞬时速度，t代表插补周期，n为总插补周期数T的一半，v_min为加速段的初速度。

2.如权利要求1所述的S型曲线速度规划方法，其特征在于，通过对公式(1)进行求导，获得瞬时加速度的计算公式：

根据加速度在加速段的中间时刻达到最大值，在已知初速度v_min、末速度v_max、最大加速度a_max、T＝2n情况下，根据公式(2)获得加速段总插补周期数T的计算公式：

3.如权利要求2所述的S型曲线速度规划方法，其特征在于，通过对公式(1)求积分，获得瞬时位移的计算公式

根据公式(4)计算出每个插补周期的电机进给量，其计算公式

F(i)＝F(t_i)-F(t_i-1) (5)

式中，F(i)为t_i时刻插补周期内电机需要运行的距离。

4.如权利要求3所述的S型曲线速度规划方法，其特征在于，根据公式(3)和公式(4)计算得到所述加速段的位移量S_up，且所述加速段的位移量S_up等于所述减速段的位移量S_down，设路径总长S_T ^otal≥2S_up，机床已运行的位移量为S_moved，当所述S_moved＝S_Total-S_up时为所述减速点，机床经过所述减速点后开始进入减速段进行减速。

5.如权利要求4所述的S型曲线速度规划方法，其特征在于，根据所述路径总长S_Total以及所述加速段的位移量S_up计算设所述匀速段的位移量S_stay：

S_stay＝S_Total-S_up-S_down (6)

根据所述匀速段的位移量S_stay以及所述最大速度计算所述匀速段的插补周期数T_stay：

T_stay＝S_stay/V_max (7)

对所述插补周期数T_stay进行整数值修正，获得修正后的实际插补周期数T′_stay并根据所述实际插补周期数T′_stay来计算所述匀速段的修正速度v_stay：

v_stay＝S_stay/T′_stay (8)

使所述匀速段以所述修正速度v_stay匀速的运行，直至达到所述减速点开始减速进入所述减速段。

6.一种控制终端，其特征在于，包括：

至少一个处理器；以及，

与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如权利要求1至5中任一所述的速度规划数控方法。

7.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至5中任一项所述的速度规划数控方法。

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