[發明專利]具有NURBS插補功能的五坐標數控機床運動控制器

無效

• 申請號: 200910072574.9
• 申請日: 2009-07-23
• 公開（公告）號: CN101615024A
• 公開（公告）日: 2009-12-30
• 發明（設計）人: 劉源;王永章;韓德東;韓振宇;富宏亞;路華
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G05B19/4103
• 分類號: G05B19/4103;G05B19/414
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所
• 代理人: 楊立超

1、一種具有NURBS插補功能的五坐標數控機床運動控制器，所述運動控制器為運行在PC機Windows操作系統上的應用程序系統，所述運動控制器讀取五坐標數控程序后產生的機床各軸運動指令通過SERCOS接口傳遞給伺服系統實現五坐標數控機床的數控加工；其特征在于：所述運動控制器包括以下單元：人機接口模塊(1)、任務協調模塊(2)、任務生成模塊(3)、軸組模塊(4)、軸模塊(5)、逆運動變換模塊(6)、控制規律模塊(7)和離散邏輯控制模塊(8)，其中：

人機接口模塊(1)，用于負責操作者與控制器之間的交互，還用于完成在數控系統運行前和運行中數控系統參數的修改和設定；

任務協調模塊(2)，用于進行任務分配以及負責所述運動控制器內各模塊的協調與調度；

任務生成模塊(3)，用于解析零件加工程序文件，提取加工程序中的各種信息并生成包含運動信息的運動段指令和邏輯控制指令，還用于對運動指令進行刀具補償，還用于生成方位曲線和協調樣條曲線；

軸組模塊(4)，用于完成插補任務，對譯碼得到的運動指令按照進給速度要求進行細分，得到單個插補周期內的進給量，并輸出給各個軸模塊；

軸模塊(5)，用于接收來自軸組模塊的指令，同時讀取外部的反饋信息，根據用戶需求選擇性地調用伺服控制規律完成位置控制或速度控制等功能，并將控制信息發送給逆運動變換模塊(6)；

逆運動變換模塊(6)，用于對工件坐標系下表示刀具位置的位置矢量點及表示刀軸方位的刀位矢量點進行逆機床的運動學變換，求取插補周期結束時刻機床各運動軸的位置信息，并將控制信息發送給外部執行單元；

控制規律模塊(7)，用于負責伺服控制規律的計算，提供多種控制策略；

離散邏輯控制模塊(8)，用于負責對外部輸入和內部狀態變量進行布爾運算得到相應輸出和內部狀態變量，并對外部輸入輸出設備進行控制；

上述各模塊單元對外提供可操作、可執行接口以及向用戶提供程序接口；

任務生成模塊(3)生成協調樣條曲線的具體過程為：

根據插補過程中位置曲線兩點間弧長與方位曲線兩點間角度存在一一對應的關系，位置曲線上參數u₁與參數u₂間所夾弧的長度s采用式1計算：

S(u1,u2)=∫u1u2(x′(u))2+(y′(u))2+(z′(u))2---(1)]]>

方位曲線上方位矢量q₁和方位矢量q₂間的夾角λ采用式2計算

λ＝arccos(q₁·q₂)(2)

采用式3所示多項式樣條建立位置曲線弧長S和方位曲線矢量間的夾角λ的映射關系，以獲得機床線性軸與旋轉軸間的協調運動關系：

λ(S)=(Sj+1-S)36hj+1Mj+(S-Sj)36hj+1Mj+1+λjh2j+16Mjh2j+16Mj]]>

+S-Sjhj+1(λj+1-λjh2j+16(Mj+1-Mj)) j=0,1,···,n+6---(3)]]>

式中：h_j＝S_j-S_j-1；M_j為樣條系數列；

任務生成模塊(3)生成方位曲線的具體過程為：

設存儲在“NURBS”結構體的“machA”和“machC”數組中的角度值分別為{a₀，a₁，…，a_n}和{c₀，c₁，…，c_n}，則對應的方位矢量q_i(i＝0，1，…，n)可以通過公式4求得：

qi=sinai·coscisinai·sincicosai---(4)]]>

加工過程中為了獲得連續變化的機床旋轉軸角度，需要構造一條通過所有方位矢量的方位曲線與位置曲線相對應；選取非均勻B樣條曲線作為方位矢量的插值曲線；選取兩方位矢量間的夾角作為方位曲線的節點矢量，兩矢量q_i與q_i+1間的夾角通過公式5求?。?/p>

λ_i＝arccos(q_i·q_i+1)，i＝0，1，…，n-1(5)

方位曲線的控制頂點采用計算機輔助幾何設計CAGD中的B樣條曲線反算方法獲得；

當方位曲線的節點矢量和控制頂點確定以后，相應的方位曲線唯一確定；

所述軸組模塊(4)完成插補任務的具體過程為：

當雙端隊列singleStep_deque中的信息通過共享內存傳遞給軸組模塊，并且控制器接收到autorun指令時，軸組模塊進行實時插補運算：

設輸入控制器的位置樣條曲線為p(u)，方位樣條曲線為q(λ)，任務生成器模塊單元生成的協調樣條曲線為λ(S)；以第k+1個插補周期的插補點求取為例說明曲線的實時插補運算過程；

假定進給速度設定為V，所述運動控制器的插補周期設定為T，則有：

V=||dp(u)dt||=||p′(u)||·dudt,---(6)]]>

所以：

dudt=V||p′(u)||---(7)]]>

將參數u對t進行二階Taylor展開，得其截斷高階余項的計算公式：

uk+1=uk+Tdudt|t=kT+T22·d2udt2|t=kT---(8)]]>

這里u_k＝u(t_k)為第k個插補周期，t_k＝kT時刻參數u的值；

從而：

uk+1=uk+V(uk)·Ts||dp(u)du||u=uk---(9)]]>

設p(u_k)和p(u_k+1)分別為參數u_k和u_k+1對應的位置樣條曲線上的插補點，r為該兩點對應的曲率圓弧半徑，L為兩點間弦長；其中ξ為弓高誤差；

兩插補點間的弦長通過下式求?。?/p>

L＝||p(u_k+1)-p(u_k)||????(10)

弓高誤差的求取表達式為：

ξ=r-r2-(L2)2---(11)]]>

從而可以求出滿足弓高誤差要求的插補最大弦長為：

Lexp=2ξ(2r-ξ)---(12)]]>

將公式10求得的插補點間弦長與公式12求得的插補最大弦長進行比較，如果L超出最大弦長L_exp的范圍，則將L_exp作為插補弦長對p(u_k+1)進行修正，否則按照公式9求得的u_k+1進行曲線插補；

采用公式1求取參數u_k+1對應的位置曲線弧長，并將其帶入協調樣條曲線方程，可以求得方位曲線對應的角度參數λ_k+1；將參數λ_k+1帶入方位曲線方程可以求得第k+1個插補周期的方位矢量點。