[發明專利]一種恒力約束條件下的數控機床加減速速度規劃方法

有效

• 申請號: 201910149425.1
• 申請日: 2019-02-28
• 公開（公告）號: CN109901518B
• 公開（公告）日: 2020-07-28
• 發明（設計）人: 李炳燃;葉佩青;張輝
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G05B19/416
• 分類號: G05B19/416
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 廖元秋

本發明提出一種恒力約束條件下的數控機床加減速速度規劃方法，屬于數控加工的加減速處理技術領域。包括先獲取計算參數：數控系統中伺服進給系統的動力學參數，待規劃NC加工文件當前指令段的加工起點和終點坐標，加工起點速度、加工終點速度和進給指令速度；確定恒力約束條件下伺服指令速度和加速度的函數關系；得到各速度規劃段的總運動時間的計算公式；依次確定恒力約束條件下伺服指令加速度與加工時間、伺服指令速度與加工時間以及伺服指令位置與加工時間的函數關系；根據上述各參數及函數關系，分別完成各速度規劃段的速度規劃。本發明使用動力學參數作為數控系統速度規劃的約束條件，可提高工件的加工精度并增加數控系統穩定性和加工效率。

技術領域

本發明屬于數控加工的加減速處理技術領域，特別涉及一種恒力約束條件下的數控機床加減速速度規劃方法。

背景技術

數控系統是數控機床的核心控制裝置，參見圖1，為目前現有數控系統的工作流程圖，數控系統根據輸入的NC(Numerical Control)加工文件完成對工件的加工。NC加工文件是描述刀具路徑軌跡的一種文件，通常使用G代碼(ISO6983)格式對刀具路徑軌跡進行描述。數控系統需要根據此刀具路徑軌跡，使用速度規劃方法進行速度規劃，再由插補方法完成對刀具軌跡的插補，最終將插補數據發送給伺服進給系統，完成對數控機床的軌跡控制，實現對工件輪廓的切削加工。具體地，數控系統根據輸入的NC加工文件，依次經過編譯、軌跡規劃、速度規劃和插補后，將插補數據輸出至數控機床的伺服進給系統。數控系統在編譯NC加工文件時采用逐段解析方式，相應地，軌跡規劃、速度規劃和插補階段分別逐段執行NC加工文件指令。

針對于數控系統的速度規劃方法，目前經濟型數控系統多采用直線加減速速度規劃方法。參見圖2，為一段NC加工文件通過直線加減速速度規劃方法處理后得到的梯形加減速規劃結果，分為加速段、勻速段和減速段，其中，直線加減速速度規劃方法的輸入參數包括：當前指令段的加工起點速度v_s、當前指令段的加工終點速度v_e、當前指令段的進給指令速度v_f和當前指令段的最大加速度a_max。例如中國專利公開的一種產生對稱梯形加減速脈沖的方法(申請號CN1201310661637.0)。這種速度規劃方法計算量小，算法結構簡單，可約束加工最大速度和最大加速度。但利用該方法在伺服進給系統的啟動和停止時會產生較大的加速度突變，這會使運動產生較大的沖擊，難以很好控制工件的表面加工質量。

一些中高檔數控系統使用一種S形曲線加減速速度規劃方法。例如中國專利公開的一種數控機床S型加減速控制方法(申請號CN201410421152.9)，中國專利公開的一種用于數控設備控制系統的S形加減速控制的速度規劃方法(申請號CN201210334913.8)等。這種速度規劃方法使得運動加速度更加平滑，實現對運動加加速度的約束，提高了工件表面的加工質量，因此被廣泛應用于商用數控系統中。但是，由于加減速過程平滑緩慢，相比于梯形加減速其總的加工時間較長，因此該種速度規劃方法加工效率較低。通過S曲線加減速速度規劃方法得到的一段NC加工文件的梯形加減速規劃結果如圖3所示，通過圖3可知，相比于圖2的速度曲線，圖3的加減速段速度變化較平滑，因此運動過程沖擊較小。

另有其它一些速度規劃方法例如：申請號CN201310095677.3的“用于數控機床的三角函數二階連續可導加減速算法”等。

以上所有速度規劃方法中，約束參數均屬于運動學參數，如最大速度、最大加速度和最大加加速度。商用數控系統中也分別對規劃的運動學參數進行了約束，例如：德國西門子數控系統的“坐標軸速度限制”、“最大加速度(參考值：1m/s²)”等，日本發那科數控系的“快速移動G00時直線加減速時間常數”等。