TW201344383A - 使用於工具機之加工路徑最佳化方法 - Google Patents

Abstract

一種使用於工具機之加工路徑最佳化方法，是一種基於張力雲形線(Tension Spline)的最佳化插補軌跡生成方法，利用此方法所生成之插補軌跡能平滑地經過所有控制點，且藉由更改張力值，可以調整各段曲線之圓滑程度，只要曲線邊界條件相符合，利用此方法可以自由地合併任意兩條插補軌跡，進而達成不間斷之線上軌跡生成之目的。

Description

使用於工具機之加工路徑最佳化方法

本發明是有關於一種使用於工具機之加工路徑最佳化方法，特別是有關於一種使用於工具機之加工路徑軌跡生成與內插的方法，此方法可用於機械設備的數值控制裝置，例如：CNC車床的數值控制裝置、CNC銑床的數值控制裝置、攻牙機的數值控制裝置或是鑽孔機的數值控制裝置等。

隨著電腦數值控制(Computer Numerical Control，CNC)工具機設備的進步，傳統以線段插補的加工路徑規劃方式已不能滿足高速度、高精度的要求，需使用更先進的插補方式來描述複雜的曲面或曲線，最廣泛被使用的插補方式多為B-Spline、三次雲形線(Cubic Spline)、多項式曲線或是直接線性插補，這些方法都存在著缺點。

然而，利用B-Spline作為插補曲線的插補器最常見的就是NURBS(Non-uniform rational B-Spline)，NURBS在應用上最大的麻煩點就是所生成的軌跡並不一定會通過控制點，也就是要經過指定的軌跡，就必須要反求出相對應的控制點讓工具機去追蹤。

另外，Cubic Spline以及多項式的曲線之形狀較難自由調控，Cubic Spline雖然圓滑，但較難生成比較硬直的曲線，多項式曲線則非常容易發生震幅過大與抖動的問題。

而直接線性插補方式所生出的軌跡在速度(一次微分)的部分就已經不連續，對工具機容易造成傷害與震動的問題，故鮮少被使用。

因此，本發明提出利用Tension Spline作為插補曲線之演算法可以做到通過所有控制點、軌跡平順以及軌跡形狀方便調控之優點，相較於前述之插補方式更有優勢，並且具有不同之特長。

為了解決上述問題，本發明之一主要目的在於提供一種使用於工具機之加工路徑最佳化方法，藉由Tension Spline之軌跡插補演算法中的張力值，調整加工路徑上控制點間曲線的圓滑程度，藉此方法可解決一般插補曲線常發生的問題，例如：生成之加工路徑軌跡不一定會經過所有控制點或生成之軌跡容易發生震幅過大與抖動的問題。

根據上述目的，本發明提供一種使用於工具機之加工路徑最佳化方法，包括以下步驟：提供一加工程式，並解譯加工程式；提供一路徑規劃單元，其接收經解譯之加工程式，並依據一數值控制參數規劃出一加工路徑；提供一張力雲形線之軌跡插補演算法之插補器將加工路徑做一平滑化處理；提供一動程規劃單元，係依據數值控制參數及張力雲形線之軌跡插補演算法之插補器，賦予平滑化處理之加工路徑的運動特性；提供一插值單元，係依據數值控制參數及張力雲形線之軌跡插補演算法之插補器，對已完成動程規劃之具有運動特性之加工路徑之資料，進行插補運算並產生一插值命令；提供一驅動器，將插值命令發送至驅動器；利用驅動器發出一控制信號以驅動並控制一軸向馬達；及提供一位置感測元件，其將軸向馬達之位置資訊回授至驅動器。

經由本發明所提供之使用於工具機之加工路徑最佳化方法，藉由張力雲形線(Tension Spline)之軌跡插補演算法調整張力值後，可以達到通過所有控制點、軌跡平順以及軌跡形狀方便調控之優點。

由於本發明主要係揭露一種使用於工具機之加工路徑最佳化方法，其中，所提到機械設備之數值控制裝置的構造與功能以及插補曲線B-Spline、Cubic Spline與多項式曲線的原理，已為相關技術領域具有通常知識者所能明瞭，故以下文中之說明，僅針對與本發明使用於工具機之加工路徑最佳化方法其特徵處進行詳細說明。此外，於下述內文中之圖式，亦並未依據實際之相關尺寸完整繪製，其作用僅在表達與本發明特徵有關之示意圖。

首先，請參閱圖1，係為本發明使用於工具機之加工路徑最佳化方法流程圖。如圖1所示，使用於工具機之加工路徑最佳化方法如下：

步驟100：提供一加工程式，並解譯該加工程式，接著進入步驟101。

步驟101：提供一路徑規劃單元，其接收經過解譯之該加工程式並依據一數值控制參數規劃出一加工路徑；詳言之，工具機於接收加工程式後，會將使用者所編譯完成的加工程式解譯成複數個加工指令，並透過所提供的路徑規劃單元規劃出包含複數個控制點之一加工路徑，接著進入步驟102。

步驟102：提供一張力雲形線(Tension Spline)之軌跡插補演算法之插補器(Interpolator)，將該加工路徑做一平滑化處理；此步驟主要藉由張力雲形線之軌跡插補演算法之插補器，並設定加工路徑上控制點間位置、速度與加速度之邊界條件，以平滑加工路徑上控制點間的插補曲線，其張力雲形線之軌跡插補演算法的演算方程式如下式(1)所示：

其中，q _j,i (t)代表的是第j軸在i段的插補軌跡，σ _j,i 代表第j軸第i段曲線之張力值，可藉以調整加工路徑上控制點間曲線的圓滑程度(顯示於圖2)，當張力值σ _j,i 越大時可得到愈硬直之插補曲線，反之，當張力值σ _j,i 越小時可得到越滑順之插補曲線，而h _i 代表第i段時間段長短，即h _i =t _{i + 1} -t _i ，其中t _i 代表到達第i個控制點之時間點，可藉以調整加工路徑上從一控制點至另一控制點所需經過的時間；而式(2)～式(4)分別代表張力雲形線之軌跡插補演算法其位置、速度與加速度之邊界條件方程式：

步驟103：提供一動程規劃單元，係依據一數值控制參數及張力雲形線之軌跡插補演算法之插補器，賦予平滑化處理之該加工路徑的運動特性；詳言之，所提供之動程規劃單元依據一數值控制參數賦予加工路徑運動特性，包含其速度與加速度。

步驟104：提供一插值單元，係依據一數值控制參數及張力雲形線之軌跡插補演算法之插補器，對已完成動程規劃之具有運動特性之加工路徑之資料，進行插補運算並產生一插值命令；詳言之，所提供之插值單元會將完成動程規劃並具有運動特性的加工路徑資料進行上述張力雲形線之軌跡插補運算，接著進入步驟105。

步驟105：提供一驅動器，將插值命令發送至驅動器；詳言之，經過插補運算後所得到之一插值命令會傳送至驅動器，接著進入步驟106。

步驟106：利用一驅動器發出一控制信號以驅動並控制工具機之軸向馬達；詳言之，驅動器於接收到插值命令後會發送出一控制信號驅動軸向馬達動作，最後進入步驟107。

步驟107：提供一位置感測元件，其將工具機之軸向馬達之位置資訊回授至驅動器。

接著，請參閱圖2，係為本發明之不同張力值之下的張力雲形線曲率表現圖。如圖2所示，以張力值=100、4、1與0.01來比較其張力雲形線的曲率表現，當張力值越大時，例如：張力值=100，會生成越硬直的曲線；而當張力值越小時，例如：張力值=0.01，會得到較為平滑的曲線，因此藉由調整其張力值，可以調整加工路徑上控制點間曲線的圓滑程度，進而達成不同加工需求。

以一實施例來說明使用於工具機之加工路徑最佳化方法，請參閱圖3，係為一種CNC機械裝置之數值控制器方塊示意圖。如圖3所示，首先，藉由一加工程式32，並將其加工程式32進行解譯，輸入至數位控制模組30中，產生一控制信號驅動一軸向馬達44動作，其中數位控制模組30係由路徑規劃單元34、動程規劃單元36、插值單元38以及數值控制參數40所組成；其中路徑規劃單元34，係接收經過解譯之加工程式32並依據數值控制參數40，規劃出包含複數個控制點之一加工路徑，再經由張力雲形線之軌跡插補演算法之插補器將其加工路徑做平滑化處理，以平滑加工路徑控制點間的插補曲線；接著，動程規劃單元36會依據數值控制參數40以及張力雲形線之軌跡插補演算法之插補器賦予平滑化處理之加工路徑的運動特性，例如：速度與加速度；之後，插值單元38會依據數值控制參數40以及張力雲形線之軌跡插補演算法之插補器，將已完成動程規劃之具有運動特性之加工路徑之資料進行插值運算並產生一插值命令，再將插值命令發送至一驅動器42；然後，驅動器42於收到插值命令後，會發出一控制信號以驅動並控制工具機之一軸向馬達44動作；此外，位於各軸向的位置感測元件46，例如：馬達編碼器或光學尺，會迴授軸向馬達44之位置資訊回授至驅動器42作閉迴路的控制。因此本發明將張力雲形線之軌跡插補演算法之插補器，應用在路徑規劃單元34、動程規劃單元36以及插值單元38上，用以平滑加工路徑，使其獲得滑順之插補曲線。

接著，請參考圖4，係代表本發明之加工程式示意圖。如圖4所示，G01代表直線切削指令，Z引數代表所設定單節之終點座標，F2000代表設定切削進給率；而G5.1 Q1 E0.02即表示開啟張力雲形線之軌跡插補演算法，其中E為使用者可以自行調整的參數，即誤差容許值，雖然本發明以容許誤差0.02mm為例，但不限於使用0.02mm，接下來G01 X0. Y10.與X30. Y20.等單節會開始進行平滑規劃與插補，直到遇到G5.1 Q0將結束以張力雲形線之軌跡插補演算法之軌跡插補。因此，利用CNC機械裝置之數值控制器上所設定的數值控制參數40以及使用者所下的誤差容許值E值，可藉以調整式(1)中的張力值σ，以達到平滑加工路徑的效果。

請繼續參考圖5，係不同張力值對於加工路徑的影響示意圖，本發明可用在任何物件的加工路徑上，依所給定的誤差容許值E值可調整張力值進而調整曲線的圓滑程度，當張力值(σ)越大時可得到愈硬直之插補曲線，本實施例以張力值(σ)=100為例但是不限於使用張力值(σ)=100；反之，當張力值(σ)越小時可得到越平滑之插補曲線，本實施例以張力值(σ)=0.1為例但是不限於使用張力值(σ)=0.1。

再接著，請參閱圖6，係代表利用不同插補方法經過相同控制點所生成的曲線示意圖。如圖6所示，其插補方法包含：三次雲形線(Cubic Spline)、直線、固定張力值之張力雲形線(Tension Spline)以及變化張力值之張力雲形線(Tension Spline)，其中，線性插補之方法所生之插補曲線不夠平滑，在實際應用中極少被使用；另外，三次雲形線(Cubic Spline)乃由多段三次多項式組成，基本性質上為多項式，曲線之形狀較難自由調控；而變化張力值之張力雲形線(Tension Spline)擁有較多變的特性，在張力小之時可生出跟三次雲形線(Cubic Spline)相似的曲線，在中等張力之時可以得到震動較小相對較平滑之曲線，在大張力之下，會得到較硬直的曲線，因此本發明提出的方法能適用於不同加工需求。

最後，請參閱圖7，係代表張力雲形線(Tension Spline)與多項式曲線比較圖，雖然兩種方法都能完全通過所有控制點，但張力雲形線(Tension Spline)能夠比多項式曲線更能平滑地通過所需經過的控制點且震盪情況較少，而且所有要通過的控制點都在轉折的頂點處，曲線不會輕易地超出控制點，這代表著張力雲形線(Tension Spline)擁有比較好的可控制性，只要適當地選定控制點，如此所生成的曲線就不會超出所選定的控制點。

雖然本發明以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

100、101、102、103、104、105、106、107．．．步驟

30．．．數位控制模組

32．．．加工程式

34．．．路徑規劃單元

36．．．動程規劃單元

38．．．插值單元

40．．．數值控制參數

42．．．驅動器

44．．．軸向馬達

46．．．位置感測元件

圖1係為本發明之使用於工具機之加工路徑最佳化方法流程圖。

圖2係為本發明之不同張力值之下的張力雲形線曲率表現圖。

圖3係為本發明之CNC機械裝置之數值控制器方塊示意圖；

圖4係為本發明之加工程式示意圖；

圖5係為本發明之不同張力值對於加工路徑的影響示意圖；

圖6係為本發明之利用不同插補方法經過相同控制點所生成的曲線示意圖；

圖7係為本發明之張力雲形線與多項式曲線比較圖。

100、101、102、103、104、105、106、107．．．步驟

Claims (7)

1. 一種使用於工具機之加工路徑最佳化方法，包括：提供一加工程式，並解譯該加工程式；提供一路徑規劃單元，其接收經解譯之該加工程式，並依據一數值控制參數規劃出一加工路徑；提供一張力雲形線之軌跡插補演算法之插補器將該加工路徑做一平滑化處理；提供一動程規劃單元，係依據該數值控制參數及該張力雲形線之軌跡插補演算法之插補器，賦予該平滑化處理之該加工路徑的運動特性；提供一插值單元，係依據該數值控制參數及該張力雲形線之軌跡插補演算法之插補器，對已完成該動程規劃之具有運動特性之該加工路徑之資料，進行插補運算並產生一插值命令；提供一驅動器，將該插值命令發送至該驅動器；利用該驅動器發出一控制信號以驅動並控制一軸向馬達；及提供一位置感測元件，其將該軸向馬達之位置資訊回授至該驅動器。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之使用於工具機之加工路徑最佳化方法，其中該加工路徑包含複數個控制點。
3. 根據申請專利範圍第2項所述之使用於工具機之加工路徑最佳化方法，其中該些控制點係藉由該張力雲形線之軌跡插補演算法之插補器設定一邊界條件。
4. 根據申請專利範圍第3項所述之使用於工具機之加工路徑最佳化方法，其中該邊界條件係為該些控制點之位置、速度與加速度。
5. 根據申請專利範圍第2項所述之使用於工具機之加工路徑最佳化方法，其中該張力雲形線之軌跡插補演算法之插補器包含一張力值係用以調整該加工路徑之該些控制點間曲線的圓滑程度。
6. 根據申請專利範圍第2項所述之使用於工具機之加工路徑最佳化方法，其中該張力雲形線之軌跡插補演算法之插補器包含一時間值係用於調整該加工路徑從一控制點至另一控制點所經過的時間。
7. 根據申請專利範圍第1項所述之使用於工具機之加工路徑最佳化方法，其中賦予平滑化處理之該加工路徑的運動特性之步驟包含賦予該加工路徑速度與加速度。