一种数控系统平顺速度控制方法发明专利

专利名称：一种数控系统平顺速度控制方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202111407171.2

专利申请（专利权）人：南京达风数控技术有限公司
权利人地址：江苏省南京市江宁区福英路1001号联东U谷50#401

专利发明（设计）人：张燚华,张东卫

专利摘要：本发明涉及一种数控系统平顺速度控制方法，首先识别出不平顺加工路径的段数，建立平顺的加工路径模型；然后根据原始路径的长度和速度确立模型的适用时间；接着确立模型的边界条件，进一步确立模型需要经过的控制点，保证模型路径的形状和原始路径的形状总体走向趋势一致；最后根据条件求解模型中的待定系数，从而求解出平顺速度控制模型。本发明是一种数控系统从多段不平顺的加工路径中识别出总体形状平顺的加工路径进行速度控制的方法，本发明基于用户的编程轨迹，从包含预读的多个程序段中识别出轨迹的总体形状，即便在加速度变大的尖端拐角部分，也照样可以达到平顺速度控制的效果，从而提高了系统的总体加工效率。

主权利要求：
1.一种数控系统平顺速度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：建立平顺加工路径模型
根据用户的编程加工路径，计算出连续两段加工路径之间的曲率，进而求出对应的容许加速度，如果容许加速度和路径长度都低于一定的容许值，则视该两段加工路径为不平顺加工段，按照此法找出所有的连续不平顺段，设总的不平顺加工路径的段数为n，则建立x方向和z方向的平顺加工路径模型为：式1中axi为模型的待定系数，一共有n+4个，t为加工时间；
式2中azi为模型的待定系数，一共有n+4个，t为加工时间；
第二步：确立模型适用时间
设各段加工路径的长度为Li，其中，i＝1,2,……n，则总长度L总有：设第一段加工路径的初速度为Vs，最后一段加工路径的末速度为Ve，整个加工过程的最大速度为Vm，则模型的适用时间T有：第三步：确立模型位置边界条件
新建立的模型加工路径必须和原始加工路径的衔接处实现无缝对接，模型路径初始位置和原始路径初始位置重合，模型路径终止位置和原始路径终止位置重合，保证位置连续的边界条件，即：fx(0)＝x0式5
fz(0)＝z0式6
fx(T)＝xn式7
fz(T)＝zn式8
式5中x0为第一段加工路径的初始点x方向位置坐标，式6中z0为第一段加工路径的初始点z方向位置坐标，式7中xn为最后一段加工路径的终止点x方向位置坐标，式8中zn为最后一段加工路径的终止点z方向位置坐标；
第四步：确立模型速度边界条件
对式1和式2进行微分处理，得到：
新建立的模型轨迹和原始加工路径的衔接速度不能突变，否则会出现卡顿，使数控机床发生抖动，要求模型路径初始速度和原始路径初始速度相等，模型路径终止速度和原始路径终止速度相等，保证速度连续的边界条件，即：式11和式12中δx1为第一段加工路径x方向的距离，δz1为第一段加工路径z方向的距离，式13和式14中δxn为最后一段加工路径x方向的距离，δzn为最后一段加工路径z方向的距离；
第五步：确立模型加速度边界条件
对式9和式10进行微分处理，可以得到：
为保证数控加工过程中平滑性，新建立的模型轨迹和原始加工路径的衔接加速度也不能突变，否则会使数控机床发生柔性冲击，要求模型路径初始加速度和原始路径初始加速度相等，模型路径终止加速度和原始路径终止加速度相等，保证加速度连续的边界条件，即：fx”(0)＝0式17fz”(0)＝0式18fx”(T)＝0式19fz”(T)＝0式20第六步：确立模型控制点条件
为保证模型的总体形状和原始加工路径一致，需要增加控制点，控制点选择为原始各段加工路径的中点，其中，除了第一段和最后一段之外的其它加工路径，一共n‑2段，即：其中，i＝2,3,……n‑1；
式21和式22中xi为第i段加工路径的终止点x方向位置坐标，zi为第i段加工路径的终止点z方向位置坐标；
式21和式22都包含n‑2个方程，对应n‑2个控制点；
第七步：求解模型
式1中模型的待定系数axi，其中，i＝0,1,……n+3，一共有n+4个，联立式5、式7、式11、式
13、式17、式19、式21，一共n+4个方程，可解出系数axi；
式2中模型的待定系数azi，其中，i＝0,1,……n+3，一共有n+4个，联立式6、式8、式12、式
14、式18、式20、式22，一共n+4个方程，可解出系数azi。 说明书 : 一种数控系统平顺速度控制方法技术领域[0001] 本发明涉及数控系统技术领域，尤其涉及一种数控系统从多段不平顺的加工路径中识别出总体形状平顺的加工路径进行速度控制的方法。背景技术[0002] 数控系统平顺速度控制是这样一种功能，该功能在基于加速度进行的速度控制中，从包含预读的前后多个程序段中识别总体形状，确定平顺的速度。[0003] 在以连续的微小直线指定的曲线形状时，加工程序被最小设定单位取整并指定，加工形状近似于折线。利用通常的加速度决定速度时，会对程序的指定形状如实地自动计算出最佳速度，因此，在某些情况下会因指令而导致加速度变大并进行减速处理。在这种情况下，通常使用平顺速度控制，即可进行识别总体形状的速度控制，从而控制局部的减速并进行平顺的速度控制，由此加快速度。[0004] 中国专利申请号201410080445.5公开了一种具有加工路径修补功能的数值控制器及其加工路径修补方法，在不修改原加工程序文件的情况下，自动产生一渐变且能逼近原设计原型的加工路径的另一加工路径，并依使用者所设定可接受误差，替代原加工程序文件产生的加工路径，而生成一较为平顺的加工路径，达成加工路径较为平顺以及提升加工稳定度之目的。而在较平顺的加工路径下速度规划时，也不会出现频繁且剧烈的速度变化，机台抖动也会减少。[0005] 传统的数控系统控制方法是根据用户编程的加工路径来控制，控制的目标路径与编程路径近似或完全一致，这样会导致在某些高曲率尖锐的拐角处进行减速处理防止加速度过大，这样使得总体的路径平顺性比较差，加工效率较低。[0006] 现有技术的方法在一定程度上能改善传统数控系统控制方法的平顺性，但是这种方法只能处理连续两段加工路径或者连续三段加工路径，对于连续三段以上的加工路径，这种方法将不再适用，需要探索新的方法。发明内容[0007] 本发明的目的在于提供一种数控系统平顺速度控制方法，以解决上述背景技术中遇到的问题。[0008] 为实现上述目的，本发明的技术方案如下：[0009] 一种数控系统平顺速度控制方法，包括以下步骤：[0010] 第一步：建立平顺加工路径模型[0011] 根据用户的编程加工路径，计算出连续两段加工路径之间的曲率，进而求出对应的容许加速度，如果容许加速度和路径长度都低于一定的容许值，则视该两段加工路径为不平顺加工段，按照此法找出所有的连续不平顺段，设总的不平顺加工路径的段数为n，则建立x方向和z方向的平顺加工路径模型为：[0012][0013][0014] 式1中axi为模型的待定系数，一共有n+4个，t为加工时间。[0015] 式2中azi为模型的待定系数，一共有n+4个，t为加工时间。[0016] 第二步：确立模型适用时间[0017] 设各段加工路径的长度为Li(i＝1,2，...,n)，则总长度L总有：[0018][0019] 设第一段加工路径的初速度为Vs，最后一段加工路径的末速度为Ve，整个加工过程的最大速度为Vm，则模型的适用时间T有：[0020][0021] 第三步：确立模型位置边界条件[0022] 新建立的模型加工路径必须和原始加工路径的衔接处实现无缝对接，也就是模型路径初始位置和原始路径初始位置重合，模型路径终止位置和原始路径终止位置重合，保证位置连续的边界条件，即：[0023] fx(0)＝x0式5[0024] fz(0)＝z0式6[0025] fx(T)＝xn式7[0026] fz(T)＝zn式8[0027] 式5中x0为第一段加工路径的初始点x方向位置坐标，式6中z0为第一段加工路径的初始点z方向位置坐标，式7中xn为最后一段加工路径的终止点x方向位置坐标，式8中zn为最后一段加工路径的终止点z方向位置坐标。[0028] 第四步：确立模型速度边界条件[0029] 对式1和式2进行微分处理，可以得到：[0030][0031][0032] 新建立的模型轨迹和原始加工路径的衔接速度不能突变，否则会出现卡顿，使数控机床发生抖动，这就要求模型路径初始速度和原始路径初始速度相等，模型路径终止速度和原始路径终止速度相等，保证速度连续的边界条件，即：[0033][0034][0035][0036][0037] 式11和式12中δx1为第一段加工路径x方向的距离，δz1为第一段加工路径z方向的距离，式13和式14中δxn为最后一段加工路径x方向的距离，δzn为最后一段加工路径z方向的距离。[0038] 第五步：确立模型加速度边界条件[0039] 对式9和式10进行微分处理，可以得到：[0040][0041][0042] 为保证数控加工过程中平滑性，新建立的模型轨迹和原始加工路径的衔接加速度也不能突变，否则会使数控机床发生柔性冲击，这就要求模型路径初始加速度和原始路径初始加速度相等，模型路径终止加速度和原始路径终止加速度相等，保证加速度连续的边界条件，即：[0043] fx”(0)＝0式17[0044] fz”(0)＝0式18[0045] fx”(T)＝0式19[0046] fz”(T)＝0式20[0047] 第六步：确立模型控制点条件[0048] 为保证模型的总体形状和原始加工路径基本一致，需要增加控制点，控制点可以选择为原始各段加工路径(除了第一段和最后一段之外的其它加工路径，一共n‑2段)的中点，即：[0049][0050][0051] 式21和式22中xi为第i段加工路径的终止点x方向位置坐标，zi为第i段加工路径的终止点z方向位置坐标。[0052] 式21和式22都包含n‑2个方程，对应n‑2个控制点。[0053] 第七步：求解模型[0054] 式1中模型的待定系数axi(i＝0,1,...,n+3)一共有n+4个，联立式5、式7、式11、式13、式17、式19、式21(包含n‑2个方程)，一共n+4个方程，可解出axi(i＝0,1,...,n+3)。[0055] 式2中模型的待定系数azi(i＝0,1,...,n+3)一共有n+4个，联立式6、式8、式12、式14、式18、式20、式22(包含n‑2个方程)，一共n+4个方程，可解出azi(i＝0,1,...,n+3)。[0056] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明是一种数控系统从多段不平顺的加工路径中识别出总体形状平顺的加工路径进行速度控制的方法，本发明基于用户的编程轨迹，从包含预读的多个程序段中识别出轨迹的总体形状，即便在加速度变大的尖端拐角部分，也照样可以达到平顺速度控制的效果，从而提高了系统的总体加工效率。附图说明[0057] 参照附图来说明本发明的公开内容。应当了解，附图仅仅用于说明目的，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。在附图中，相同的附图标记用于指代相同的部件。其中：[0058] 图1为本发明的流程示意图；[0059] 图2为本发明在实施时的平顺速度控制效果对比图。具体实施方式[0060] 为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示本发明有关的构成。[0061] 根据本发明的技术方案，在不变更本发明实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。[0062] 下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明。[0063] 假设数控系统G代码：[0064] ...[0065] G1X0Z0F100[0066] X20[0067] X40Z‑5[0068] X60Z5[0069] X80Z0[0070] X100[0071] ...[0072] 如图1和图2所示，一种数控系统平顺速度控制方法，包括以下步骤：[0073] 第一步：建立平顺加工路径模型[0074] 一共有5段，根据式1、式2，可建立模型为[0075][0076] 第二步：确认模型适用时间[0077] L1＝20mmL2＝20.6155mmL3＝22.3607mmL4＝20.6155mmL5＝20mm[0078] Vs＝Ve＝Vm＝100mm/s[0079] 根据式3，可得[0080] L总＝L1+L2+L3+L4+L5＝103.5917mm[0081] 根据式4，可得[0082] T＝1.036s[0083] 第三步：确立模型位置边界条件[0084] 根据式5、式6、式7、式8，可得[0085] fx(0)＝0式23[0086] fz(0)＝0式24[0087] fx(1.036)＝100式25[0088] fz(1.036)＝0式26[0089] 第四步：确立模型速度边界条件[0090] 根据式9、式10，可得[0091][0092] 根据式11、式12、式13、式14，可得[0093] fx'(0)＝100式27[0094] fz'(0)＝0式28[0095] fx'(1.036)＝100式29[0096] fz'(1.036)＝0式30[0097] 第五步：确立模型加速度边界条件[0098] 根据式15、式16，可得[0099][0100] 根据式17、式18、式19、式20，可得[0101] fx”(0)＝0式31[0102] fz”(0)＝0式32[0103] fx”(1.036)＝0式33[0104] fz”(1.036)＝0式34[0105] 第六步：确立模型控制点条件[0106] 根据式21、式22，可得[0107] fx(0.304)＝30式35[0108] fz(0.304)＝‑2.5式36[0109] fx(0.52)＝50式37[0110] fz(0.52)＝0式38[0111] fx(0.736)＝70式39[0112] fz(0.736)＝2.5式40[0113] 第七步：求解模型[0114] 联立式23、式25、式27、式29、式31、式33、式35、式37、式39，可得[0115][0116] 联立式24、式26、式28、式30、式32、式34、式36、式38、式40，可得[0117][0118] 最终得出的模型轨迹控制效果如图2中的本发明部分，为了便于对比，将现有技术的轨迹控制结果也列在了图2中。图中的横坐标为X轴坐标，单位为mm，纵坐标为Z轴坐标，单位为mm，从图2中可以看到，与现有技术相比，本发明的控制轨迹效果没有折线，速度和加速度连续可导，达到了平顺速度控制的效果。[0119] 本发明基于用户的编程轨迹，从包含预读的多个程序段中识别出轨迹的总体形状，即便在加速度变大的尖端拐角部分，也照样可以达到平顺速度控制的效果，从而提高了系统的总体加工效率。[0120] 以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式，并不用于限定本发明保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应含在本发明的保护范围之内。

专利地区：江苏

专利申请日期：2021-11-24

专利公开日期：2024-06-18

专利公告号：CN113900413B