TWI431448B - 電腦數值控制工具機及其加減速度規劃方法 - Google Patents

Description

電腦數值控制工具機及其加減速度規劃方法

本發明涉及一種工具機及其加減速規劃方法，特別係關於一種電腦數值控制工具機及其加減速規劃方法。

隨著科技的進步，就工具機械而言，已經由數值控制(Numerical Control)技術轉變為電腦數值控制(Computerized Numerical Control)技術，就電腦數值工具機而言，即是利用電腦數值控制系統(Computerized Numerical Control System)結合工具機機械動作，並藉著輸入資料編碼以控制工具機對加工件的動作控制，而由於目前對於工具機系統的功能性要求越來越高，除了要求電腦體積及驅動設備更加縮小，亦希望能越來越精密，故對於提升加減速速度之規劃的技術，即為電腦數值控制工具機之要項之一。

請參照圖1所示，習知之電腦數值控制工具機1包括一輸入單元11、一移動單元12及一驅動單元13；移動單元12係耦接於輸入單元11及驅動單元13之間，輸入單元11係依序接收一資料訊號D1並轉換為一編碼訊號D2，且編碼訊號D2為一速度訊號(如圖2A所示)。移動單元12包括依次串聯耦接之第一濾波器121、第二濾波器122及第三濾波器123，濾波器121、122、123具有複數權重值 K0~K3n-1及複數暫存器R1~R9(如圖2B所示)，而各權重值K0~K3n-1皆為固定值，暫存器R1~R9之個數係與權重值K0~K3n-1之總和及電腦數值控制工具機1此次加工之一加減速度時間T1相對應。

移動單元12係藉由第一濾波器121、第二濾波器122及第三濾波器123以將編碼訊號D2轉換為複數加減速度訊號D3(如圖2C所示)。驅動單元13則依據各加減速度訊號D3以驅動工具機1之一馬達14的轉速及方向。

上述電腦數值控制工具機1之作動舉例如下：編碼訊號D2的值為30單位(如圖2A所示)，各權重值K0~K3n-1均為1單位(如圖2B所示)，而各濾波器121、122、123係分別以具有3個暫存器為例，即各濾波器121、122、123係分別具有加減速度時間T1為3單位。

對於加減速規劃而言，通常藉由移動平均法之方式，即第一濾波器121接收編碼訊號D2後，於每隔一個加減速度時間T1內將編碼訊號D2分別與權重值K0~K3n-1中的對應一個經由計算及加總後，算出1個加減速度時間單位之速度為一第一速度訊號V1，並送至第二濾波器122，而第二濾波器122及第三濾波器123亦分別使用移動平均法以分別得到一第二速度訊號V2及加減速度D3，即總共使用三次移動平均法，使編碼訊號D2轉換為加減速度訊號D3(如圖2C所示)。

然而，對於使用移動平均法而言，每使用一次時，便會使整體落後一倍的加減速度時間T1(如圖3所示)，而曲線A、B及C分別為經過第一次、第二次及第三次移動平均法後之速度曲線，意即工具機係經過3倍的加減速度時間T1才會到達穩定作動，且無法依加 工情況改變速度曲線之形狀，即使用三次後之速度曲線必為鐘型曲線(如圖2C及圖3所示)，故除了設定加減速度時間T1，並無其他使用彈性，此外，此種方法會產生轉角誤差，且使急衝度(jerk)之曲線的E部分較為尖銳(圖4所示)，甚至因加速距離過短，導致無法加速至最高速度而產生軌跡誤差。

爰因於此，如何提供一種僅使用一次加減速速度規劃，可得到不同加減速度性能，以符合不同加工需求之電腦數值控制工具機及其加減速度規劃方法，已成為重要課題之一。

鑒於以上課題，本發明之目的為提供一種僅使用一次加減速速度規劃，可得到不同加減速度性能，以符合不同加工需求之電腦數值控制工具機。

為達上述目的，依據本發明之一種電腦數值控制工具機之加減速度規劃方法包含下列步驟：接收一加減速時間訊號及依序接收一速度訊號；將加減速時間訊號分別經由一第一函數式及一第二函數式計算以分別得到並儲存複數個相異第一權重值及複數個相異第二權重值；判斷速度訊號之一速度變化量為零值、正值或負值，其中速度變化量為速度訊號與前次之速度訊號之差值；當速度變化量為零值，則輸出速度訊號；當速度變化量為正值，則速度訊號與該等第一權重值相乘積以得到並輸出複數個加速度訊號；當速度變化量為負值，則速度訊號與該等第二權重值相乘積以得到並輸出複數個減速度訊號；以及將速度訊號、該等加速度訊號及該等減速度訊號分別轉換並輸出為一第一驅動訊號、一第二驅動訊號及一第三驅動訊號。

為達上述目的，依據本發明之一種電腦數值控制工具機包含一輸入單元、一控制單元、一驅動單元以及一馬達。其中，輸入單元接收一加減速時間訊號及依序接收一速度訊號，控制單元與該輸入單元耦接，並具有一第一函數及一第二函數，加減速時間訊號分別經由第一函數及第二函數得到複數個相異第一權重值及複數個相異第二權重值，速度訊號係分別與該等第一權重值及該等第二權重值相乘積以分別得到複數個加速度訊號及複數個減速度訊號，控制單元判斷速度訊號之一速度變化量為零值、正值或負值以選擇輸出速度訊號、該等加速度訊號或該等減速度訊號，其中速度變化量為速度訊號與前次之速度訊號之差值，驅動單元與控制單元耦接，以分別將速度訊號、該等加速度訊號及該等減速度訊號轉換為一第一驅動訊號、一第二驅動訊號及一第三驅動訊號，馬達與驅動單元耦接，驅動單元依據第一驅動訊號、第二驅動訊號或第三驅動訊號以驅動馬達之轉速及方向。

承上所述，本發明之電腦數值控制工具機及其加減速度規劃方法，藉由控制單元透過第一函數及第二函數配合加減速時間計算以得到複數個相異第一權重值及複數個相異第二權重值，並判斷速度訊號之速度變化量以選擇輸出速度訊號、加速度訊號或減速度訊號至驅動單元以驅動馬達。意即本發明係僅使用第一函數及第二函數得到複數個相異第一權重值及第二權重值，不需像習知之電腦數值控制工具機需使用三個濾波器作三次移動平均法，且其權重值皆為相同固定值。此種方式，不僅只需進行一次加減速度規劃即可達到三次移動平均法之效果，更因第一函數及第二函數皆為正弦函數式，故計算後亦得到弦波曲線，而可有效控制急衝量(jerk)，此外，更能有效控制加減速時間訊號，避免造成大量 的時間延遲，進而達到加工精密度及產品品質之提升。

1、2‧‧‧電腦數值控制工具機

11‧‧‧輸入單元

12、21‧‧‧移動單元

121‧‧‧第一濾波器

122‧‧‧第二濾波器

123‧‧‧第三濾波器

13、24‧‧‧驅動單元

14、25‧‧‧馬達

A、B、C‧‧‧速度曲線

D1‧‧‧資料訊號

D2‧‧‧編碼訊號

D3‧‧‧加減速度訊號

E‧‧‧部分

K0~K3n-1‧‧‧權重值

R1~R9‧‧‧暫存器

T1‧‧‧加減速度時間

V1‧‧‧第一速度訊號

V2‧‧‧第二速度訊號

22‧‧‧控制單元

23‧‧‧儲存單元

26‧‧‧加工平臺

D4‧‧‧加速度時間訊號

D5‧‧‧速度訊號

D6‧‧‧加速度訊號

D7‧‧‧減速度訊號

DR1‧‧‧第一驅動訊號

DR2‧‧‧第二驅動訊號

DR3‧‧‧第三驅動訊號

F1‧‧‧第一函數式

F2‧‧‧第二函數式

Ts‧‧‧取樣時間

WA、WA1-WA5‧‧‧第一權重值

WS、WS1-WS5‧‧‧第二權重值

△V‧‧‧速度變化量

圖1係習知之電腦數值控制工具機之結構示意圖。

圖2A係圖1所示電腦數值控制工具機之速度訊號之波形圖。

圖2B係圖1所示電腦數值控制工具機之第一濾波器、第二濾波器及第三濾波器之示意圖。

圖2C係圖1所示電腦數值控制工具機之加減速度訊號之波形圖。

圖3係圖1所示電腦數值控制工具機之加減速度訊號之曲線圖。

圖4係圖1所示電腦數值控制工具機之急衝度之曲線圖。

圖5係本發明電腦數值控制工具機之較佳實施方式之結構示意圖。

圖6係圖5所示電腦數值控制工具機之速度訊號之波形圖。

圖7係圖5所示電腦數值控制工具機之第一權重值之波形圖。

圖8係圖5所示電腦數值控制工具機之第二權重值之波形圖。

圖9係圖5所示電腦數值控制工具機經由加減速度規劃後之加速度訊號、減速度訊號及速度訊號之波形圖。

圖10係本發明電腦數值控制工具機之加減速度規劃方法之較佳實施例之流程圖。

以下將參照相關圖式，說明依據本發明較佳實施方式之一種電腦數值控制工具機及其加減速度規劃方法。

請參照圖5所示，本實施方式中之電腦數值控制工具機2包含一輸入單元21、一控制單元22、一儲存單元23、一驅動單元24、一馬達25及一加工平臺26。

輸入單元21接收一加減速時間訊號D4及依序接收一速度訊號D5，速度訊號D5在本實施方式中為一切線速度(如圖6所示)，加減速時間訊號D4之值則為一取樣時間之總數(如圖7與圖8所示)；此外，加減速時間訊號D4及速度訊號D5可由使用者設定、外部輸入或於電腦數值控制工具機2內部預先設定。

請再同時參照圖5、圖7與圖8所示，控制單元22與輸入單元21耦接，其具有一第一函數F1及一第二函數F2，控制單元22透過輸入單元21接收加減速時間訊號D4及速度訊號D5後，將加減速時間訊號D4經由第一函數F1計算而得到複數個相異第一權重值WA(如圖7所示)，第一函數F1的公式為：

其中f(w1)為各第一權重值WA，θ1範圍為0至π，且θ1之總數與加減速時間訊號D4之值相對應，意即於0至π範圍及加減速時間訊號D4之值中，以每間隔一個取樣時間Ts而取一個θ1之值，故θ1之總數即為加減速時間訊號D4之值。

而加減速時間訊號D4亦經由第二函數F2計算而得到複數個相異第二權重值WS(如圖8所示)，且第二函數F2的公式為：

其中f(w2)為各第二權重值WS，θ2範圍為π至2π，且θ2之值與加減速時間訊號D4之值相對應，意即於π至2π範圍及加減速時間訊號D4之值中，以每間隔一個取樣時間Ts而取一個θ2之值，故θ2之總數即為加減速時間訊號D4之值；且第一函數F1及第二函數F2皆為正弦函數，而第一權重值WA之總數及第二權重值WS之總數亦為加減速時間訊號D4之值。

此外，控制單元22判斷速度訊號D5之一速度變化量△V為零值、正值或負值，且速度變化量△V為本次之速度訊號D5與前次之速度訊號D5之差值。

當速度變化量△V為零值時，控制單元22則輸出速度訊號D5；當速度變化量△V為正值時，控制單元22使速度訊號D5分別與各第一權重值WA相乘積以得到並輸出複數個加速度訊號D6；當速度變化量△V為負值時，控制單元22使速度訊號D5分別與各第二權重值WS相乘積以得到並輸出複數個減速度訊號D7。本實施方式中控制單元22為可程式之控制單元22，且為一控制器、一處理器、一微處理器或一微處理晶片，而加速度訊號D6及減速度訊號D7分別為一速度訊號。

儲存單元23與控制單元22耦接，儲存單元23用以儲存各第一權重值WA及各第二權重值WS，其可為一記憶體或一暫存器。

驅動單元24與控制單元22耦接，並分別接收及依據速度訊號D5、加速度訊號D6及減速度訊號D7轉換為一第一驅動訊號DR1、一第二驅動訊號DR2及一第三驅動訊號DR3。驅動單元24於實施上為一運動控制器(exquisite position control and inputs/outputs，EPCIO)或一運動軸卡，第一驅動訊號DR1、第二驅動訊號DR2及 第三驅動訊號DR3則分別為一脈波值或一電壓值。

馬達25分別與加工平臺26及驅動單元24耦接，驅動單元24依據第一驅動訊號DR1、第二驅動訊號DR2或第三驅動訊號DR3驅動馬達25之轉速及方向，以使馬達25移動加工平臺26。

為使本發明的內容更加清楚，以下將列舉一實例以說明依本發明較佳實施方式之電腦數值控制工具機2之作動(如圖5所示)，且藉由一使用者自外部設定及輸入速度訊號D5及加減速時間訊號D4。

當電腦數值控制工具機2開始運作時，先藉由輸入單元21接收加減速時間訊號D4為5個取樣時間Ts(如圖7及圖8所示)，並送至控制單元22，而控制單元22則使加減速時間訊號D4經由第一函數F1得到5個第一權重值WA1、WA2、WA3、WA4、WA5，分別為0.095、0.345、0.654、0.904及1(如圖7所示)，另外，控制單元22亦使加減速時間訊號D4經由第二函數F2得到5個第二權重值WS1、WS2、WS3、WS4、WS5，分別為1、0.904、0.654、0.345及0.095(如圖8所示)，並將各第一權重值WA1、WA2、WA3、WA4、WA5及各第二權重值WS1、WS2、WS3、WS4、WS5儲存至儲存單元23中。

請參照圖6所示，同時，電腦數值控制工具機2亦開始進行加減速規劃，且控制單元22即持續檢查速度訊號D5是否有變化，即檢查速度變化量△V；於時間值為1時，輸入單元21開始接收速度訊號D5，故速度訊號D5由0急升至10單位，即速度變化量△V為正值，控制單元22將速度訊號D5分別與各第一權重值WA1、WA2、WA3、WA4、WA5相乘積以得到並輸出加速度訊號D6分別為0.9、3.4、6.5、9及10(如圖9所示)至驅動單元24，而驅動單元24則將加速度訊號D6轉換為第二驅動訊號DR2以驅動馬達25來移動加工平臺 26。

接著，因輸入單元21依序接收速度訊號D5，故於時間值為1後至時間值為11之前，此段時間速度訊號D5皆為10單位(如圖6所示)，而速度變化量△V皆為零值，控制單元22直接輸出速度訊號D5至驅動單元24，以轉換為第一驅動訊號DR1而驅動馬達25。

最後，於時間值為11時，速度訊號D5停止送入輸入單元21，則速度訊號D5由10單位急降至0單位(如圖6所示)，即速度變化量△V為負值，控制單元22將速度訊號D5分別與各第二權重值WS1、WS2、WS3、WS4、WS5相乘積以得到並輸出減速度訊號D7分別為10、9、6.5、3.4及0.9(如圖9所示)至驅動單元24，而驅動單元24則將減速度訊號D7轉換為第三驅動訊號DR3以驅動馬達25來移動加工平臺26。

此外，控制單元22係於電腦數值控制工具機2中斷運作前，亦會持續檢查速度變化量△V，直至電腦數值控制工具機2運作停止為止。

故本實施方式係僅需藉由一次加減速度規劃，即藉由第一函數F1及第二函數F2就可得到與習知技術相同的效果。

另外，請參照圖10所示，依本發明較佳實施方式之加減速度規劃方法係應用於上述(如圖5所示)電腦數值控制工具機2，並包括步驟S01至S07。

步驟S01，接收一加減速時間訊號及依序接收一速度訊號。

步驟S02，將加減速時間訊號分別經由一第一函數及一第二函數分別得到並儲存複數個相異第一權重值及複數個相異第二權重值 。本實施方式中，第一函數的公式為，且f(w1)為各第一權重值，θ1範圍為0至π，第二函數的公式為，且f(w2)為各第二權重值，θ2範圍為π至2π，θ1之總數與θ2之總數分別與加減速時間訊號之值相對應。

步驟S03，判斷速度訊號之一速度變化量為零值、正值或負值，其中速度變化量為本次之速度訊號與前次之速度訊號之差值。

當判斷速度變化量為零值、正值或負值時，則分別對應選擇進行步驟S04、S05或S06。

步驟S04，當速度變化量為零值，則直接輸出速度訊號。

步驟S05，當速度變化量為正值，則將速度訊號與該等第一權重值相乘積以得到並輸出複數個加速度訊號。

步驟S06，當速度變化量為負值，則將速度訊號與該等第二權重值相乘積以得到並輸出複數個減速度訊號。

於步驟S07，將速度訊號、該等加速度訊號及該等減速度訊號分別轉換並輸出為一第一驅動訊號、一第二驅動訊號及一第三驅動訊號。

當電腦數值控制工具機2繼續運作時，持續進行步驟S03，直至電腦數值控制工具機2停止運作。

本發明之電腦數值控制工具機及其加減速度規劃方法，藉由控制單元透過第一函數及第二函數配合加減速時間計算以得到複數個相異第一權重值及複數個相異第二權重值，並判斷速度訊號之速度變化量以選擇輸出速度訊號、加速度訊號或減速度訊號至驅動單元以驅動馬達。與習知技術相較，本發明係僅使用第一函數及第二函數得到複數個相異第一權重值及第二權重值，不需像習知之電腦數值控制工具機需使用三個濾波器作三次移動平均法，且其權重值皆為相同固定值。此種方式，不僅只需進行一次加減速度規劃即可達到三次移動平均法之效果，更因第一函數及第二函數皆為正弦函數，故計算後亦得到弦波曲線，而可有效控制急衝量(jerk)，此外，更能有效控制加減速時間訊號，避免造成大量的時間延遲，進而達到加工精密度及產品品質之提升。

本發明符合發明專利要件，爰依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，舉凡熟悉本案技藝之人士，在爰依本發明精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下之申請專利範圍內。

Claims (16)

1. 一種電腦數值控制工具機之加減速度規劃方法，包含下列步驟：接收一加減速時間訊號及依序接收一速度訊號；將該加減速時間訊號分別經由一第一函數及一第二函數得到並儲存複數個相異第一權重值及複數個相異第二權重值，其中該第一函數之公式為，且f(w1)為該等第一權重值，θ1範圍為0至π，該第二函數之公式為，且f(w2)為該等第二權重值，θ2範圍為π至2π，θ1之總數與θ2之總數分別與該加減速時間訊號之值相對應；判斷該速度訊號之一速度變化量為零值、正值或負值，其中該速度變化量為本次速度訊號與前次速度訊號之差值；當該速度變化量為零值，則直接輸出該速度訊號；當該速度變化量為正值，則將該速度訊號與該等第一權重值相乘積以得到並輸出複數個加速度訊號；當該速度變化量為負值，則將該速度訊號與該等第二權重值相乘積以得到並輸出複數個減速度訊號；以及將該速度訊號、該等加速度訊號及該等減速度訊號分別轉換並輸出為一第一驅動訊號、一第二驅動訊號及一第三驅動訊號。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電腦數值控制工具機之加減速度規劃方法，其中於輸出該第一驅動訊號、該第二驅動訊號及該第三驅動訊號之步驟 後，若電腦數值控制工具機繼續運作，則進行步驟：進行判斷速度變化量為零值、正值或負值之步驟。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電腦數值控制工具機之加減速度規劃方法，其中該速度訊號係為一切線速度訊號。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電腦數值控制工具機之加減速度規劃方法，其中該加減速時間訊號之值係為一取樣時間之總數。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電腦數值控制工具機之加減速度規劃方法，其中該等加速度訊號與該等減速度訊號係分別為一速度訊號。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電腦數值控制工具機之加減速度規劃方法，其中該第一驅動訊號、該第二驅動訊號及該第三驅動訊號係分別為一脈波值或一電壓值。
7. 一種電腦數值控制工具機，包含：一輸入單元，接收一加減速時間訊號及依序接收一速度訊號；一控制單元，與該輸入單元耦接，並具有一第一函數及一第二函數，該加減速時間訊號分別經由該第一函數及該第二函數得到複數個相異第一權重值及複數個相異第二權重值，該速度訊號係分別與該等第一權重值及該等第二權重值相乘積以分別得到複數個加速度訊號及複數個減速度訊號，該控制單元判斷該速度訊號之一速度變化量為零值、正值或負值以選擇輸出該速度訊號、該等加速度訊號或該等減速度訊號，其中該速度變化量為本次速度訊號與前次速度訊號之差值，該第一函數之公式為，且f(w1)為該等第一權重值，θ1範圍為0至π，該第二函數之公式為，且f(w2)為該等第二權重值，θ 2範圍為π至2π，θ1之數量與θ2之數量分別與該加減速時間訊號之值相對應；一驅動單元，與該控制單元耦接，以分別將該速度訊號、該等加速度訊號及該等減速度訊號轉換為一第一驅動訊號、一第二驅動訊號及一第三驅動訊號；一馬達，與該驅動單元耦接，該驅動單元依據該第一驅動訊號、該第二驅動訊號或該第三驅動訊號以驅動該馬達之轉速及方向。
8. 如申請專利範圍第7項所述之電腦數值控制工具機，其中該速度訊號係為一切線速度訊號。
9. 如申請專利範圍第7項所述之電腦數值控制工具機，其中該等加速度訊號及該等減速度訊號係分別為一速度訊號。
10. 如申請專利範圍第7項所述之電腦數值控制工具機，其中該加減速時間訊號之值係為一取樣時間之總數。
11. 如申請專利範圍第7項所述之電腦數值控制工具機，其中該控制單元係為一控制器、一處理器、一微處理器或一微處理晶片。
12. 如申請專利範圍第7項所述之電腦數值控制工具機，更包含一儲存單元，該儲存單元與該控制單元耦接，並儲存該等第一權重值及該等第二權重值。
13. 如申請專利範圍第12項所述之電腦數值控制工具機，其中該儲存單元為一記憶體或一暫存器。
14. 如申請專利範圍第7項所述之電腦數值控制工具機，其中該第一驅動訊號、該第二驅動訊號及該第三驅動訊號係分別為一脈波值或一電壓值。
15. 如申請專利範圍第7項所述之電腦數值控制工具機，其中該驅動單元係為一運動控制器(Exquisite Position Control and Inputs/Outputs，EPCIO)或一運動軸卡。
16. 如申請專利範圍第7項所述之電腦數值控制工具機，更包含一加工平臺，係與該馬達耦接，該驅動單元係驅動該馬達以移動該加工平臺。