專利名稱：基于時(shí)間分割法與數(shù)字積分法混合實(shí)現(xiàn)的空間直線插補(bǔ)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及運(yùn)動(dòng)控制中的控制技術(shù)，具體涉及運(yùn)動(dòng)控制器的基于時(shí)間分割法與數(shù)字積分法混合實(shí)現(xiàn)的空間直線插補(bǔ)方法。
背景技術(shù)：
在多軸連續(xù)軌跡加工中，在滿足位置精度要求的條件下實(shí)現(xiàn)平滑的進(jìn)給速度是運(yùn)動(dòng)控制器的重要目標(biāo)，對(duì)于提高加工表面的光潔度有著重要意義。通常的運(yùn)動(dòng)控制器是采用基于粗、精二級(jí)插補(bǔ)、插補(bǔ)周期固定的時(shí)間分割法進(jìn)行直線插補(bǔ)，其特點(diǎn)是先采用軟件計(jì)算進(jìn)行粗插補(bǔ)，將每一段直線劃分為長(zhǎng)度與期望的進(jìn)給速度對(duì)應(yīng)的小直線段，然后再采用硬件進(jìn)行精插補(bǔ)，在固定的插補(bǔ)周期內(nèi)對(duì)小直線段根據(jù)固定的累加脈沖時(shí)鐘采用數(shù)字積分法進(jìn)行各軸進(jìn)給脈沖的均勻發(fā)送。
在加工由大量微小直線段組成的加工代碼時(shí)，采用上述方法易出現(xiàn)表面存在馬賽克、層次分界線明顯、光潔度不均勻等影響加工表面光潔度的問(wèn)題，在排除機(jī)床機(jī)械誤差、刀具磨損等因素之外，其產(chǎn)生的主要原因是沒(méi)有保持平滑的進(jìn)給速度，實(shí)現(xiàn)各軸進(jìn)給脈沖序列的均勻發(fā)送。這與運(yùn)動(dòng)控制器的插補(bǔ)方法有著直接的關(guān)系，因?yàn)榛诖?、精二?jí)差補(bǔ)、插補(bǔ)周期固定的時(shí)間分割法雖然具有原理簡(jiǎn)單、便于控制進(jìn)給速度等優(yōu)點(diǎn)，但存在下列缺陷(1)在離散化表示加工代碼的情況下插補(bǔ)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)難以處理的零頭距離，導(dǎo)致進(jìn)給速度的不均勻；(2)通過(guò)復(fù)雜的加減速控制可以達(dá)到消除零頭距離，提高進(jìn)給速度均勻性的目的，但會(huì)導(dǎo)致加工效率的降低和頻繁的加減速；(3)在直線段對(duì)應(yīng)的各軸進(jìn)給量相差較大時(shí)會(huì)由于細(xì)分直線段帶來(lái)插補(bǔ)誤差的增大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問(wèn)題是克服時(shí)間分割法插補(bǔ)的不足，消除零頭距離，提高進(jìn)給速度的平滑性，同時(shí)提高加工效率，不因細(xì)分直線段而增大插補(bǔ)誤差。
為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出一種基于時(shí)間分割法和數(shù)字積分法混合實(shí)現(xiàn)的空間直線插補(bǔ)方法，它是采用時(shí)間分割法中的時(shí)間分割的原理，對(duì)數(shù)字積分法中的累加溢出過(guò)程按照進(jìn)給速度的要求采用可控的插補(bǔ)周期進(jìn)行時(shí)間分割。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種基于時(shí)間分割法與數(shù)字積分法混合實(shí)現(xiàn)的空間直線插補(bǔ)方法，其特征在于，它采用如下步驟進(jìn)行(1)、先根據(jù)直線插補(bǔ)的起點(diǎn)與終點(diǎn)進(jìn)行插補(bǔ)前初始化，得到空間各軸總的進(jìn)給量，并按照硬件累加器的寬度進(jìn)行左移規(guī)格化，得到各軸的累加數(shù)和總的累加次數(shù)；(2)、按照期望的進(jìn)給速度采用長(zhǎng)度可變的插補(bǔ)周期對(duì)空間直線進(jìn)行粗插補(bǔ)根據(jù)當(dāng)前期望的進(jìn)給速度V，當(dāng)前期望的進(jìn)給步長(zhǎng)F，默認(rèn)插補(bǔ)周期T0，插補(bǔ)起點(diǎn)Ps(Xs，Ys，Zs)到終點(diǎn)Pe(Xe，Ye，Ze)的總距離S，當(dāng)前插補(bǔ)點(diǎn)Pc(Xc，Yc，Zc)到終點(diǎn)Pe(Xe，Ye，Ze)的距離Srem，以及剩余的累加次數(shù)Cremaddsum，通過(guò)對(duì)默認(rèn)的插補(bǔ)周期進(jìn)行修正以及對(duì)總累加次數(shù)進(jìn)行劃分來(lái)確定下一個(gè)點(diǎn)的插補(bǔ)周期Tc，以及在Tc內(nèi)的累加次數(shù)CaddTc=T0,V=FTc=T0×FV,V≠F,Cadd=Caddsum×FSrem,F<SremCadd=Cremaddsum,F=Srem---(1)]]>其中，T0為默認(rèn)插補(bǔ)周期，(1)式中的速度以T0為時(shí)間單位。
根據(jù)得到的下一個(gè)點(diǎn)的插補(bǔ)周期Tc和在該插補(bǔ)周期內(nèi)要求完成的累加次數(shù)Cadd，得到對(duì)應(yīng)的累加時(shí)鐘的頻率并表示為系統(tǒng)時(shí)鐘的分頻系數(shù)Fadd=Fclk_sys(Cadd/Tc)---(2)]]>其中，F(xiàn)clk_sys為系統(tǒng)時(shí)鐘的頻率；
(3)、對(duì)(2)式得到的粗插補(bǔ)數(shù)據(jù)按照預(yù)定的分頻系數(shù)Fadd采用數(shù)字積分法的方式進(jìn)行精插補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)各軸進(jìn)給脈沖的均勻發(fā)送。
所述的精插補(bǔ)是對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘按照預(yù)定的分頻系數(shù)Fadd進(jìn)行分頻產(chǎn)生累加時(shí)鐘，然后根據(jù)累加時(shí)鐘在三軸硬件累加器中進(jìn)行累加溢出進(jìn)行均勻發(fā)送實(shí)現(xiàn)三軸脈沖的均勻發(fā)送，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的下一點(diǎn)的插補(bǔ)周期。
有益效果與現(xiàn)有的時(shí)間分割法相比，本發(fā)明提出的基于時(shí)間分割法和數(shù)字積分法混合實(shí)現(xiàn)的空間直線插補(bǔ)方法的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是(1)本發(fā)明提出的基于時(shí)間分割法和數(shù)字積分法混合實(shí)現(xiàn)的空間直線插補(bǔ)方法，可以完全消除零頭距離，實(shí)現(xiàn)各軸進(jìn)給脈沖的均勻協(xié)調(diào)發(fā)送；(2)本發(fā)明提出的基于時(shí)間分割法和數(shù)字積分法混合實(shí)現(xiàn)的空間直線插補(bǔ)方法，不需要采用復(fù)雜的加減速控制來(lái)消除零頭距離，可以提高加工效率；(3)本發(fā)明提出的基于時(shí)間分割法和數(shù)字積分法混合實(shí)現(xiàn)的空間直線插補(bǔ)方法，在直線段對(duì)應(yīng)的各軸進(jìn)給量相差較大的情況下，不會(huì)由于細(xì)分直線段帶來(lái)插補(bǔ)誤差的增大。
采用本發(fā)明提出的基于時(shí)間分割法和數(shù)字積分法混合實(shí)現(xiàn)的空間直線插補(bǔ)方法進(jìn)行各種零件的輪廓加工，可以達(dá)到速度不均勻系數(shù)平均值≤0.5％，插補(bǔ)誤差平均值為≤0.00005mm的高性能指標(biāo)。在三自由度加工制造業(yè)具有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。


圖1是空間直線插補(bǔ)示意圖；圖2是空間直線插補(bǔ)結(jié)構(gòu)圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例1的插補(bǔ)點(diǎn)序列示意圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例1的速度不均勻系數(shù)曲線圖；圖5是本發(fā)明實(shí)施例1的插補(bǔ)誤差曲線圖；圖6是本發(fā)明實(shí)施例2的插補(bǔ)點(diǎn)序列示意圖；圖7是本發(fā)明實(shí)施例2的速度不均勻系數(shù)曲線圖；圖8是本發(fā)明實(shí)施例2的插補(bǔ)誤差曲線圖；
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)例，進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
本發(fā)明提出的基于時(shí)間分割法和數(shù)字積分法混合實(shí)現(xiàn)的空間直線插補(bǔ)方法具體計(jì)算方法為，如圖1所示為空間直線插補(bǔ)示意圖，設(shè)直線插補(bǔ)的起點(diǎn)為Ps(Xs，Ys，Zs)，終點(diǎn)為Pe(Xe，Ye，Ze)，當(dāng)前插補(bǔ)點(diǎn)為Pc(Xc，Yc，Zc)。如圖2所示為空間直線插補(bǔ)結(jié)構(gòu)圖，包括插補(bǔ)前初始化、粗插補(bǔ)和精插補(bǔ)三個(gè)部分，設(shè)硬件累加器Xbuf、Ybuf與zbuf的數(shù)據(jù)寬度均為m位(即累加到大于等于2m時(shí)產(chǎn)生一次溢出)。
首先根據(jù)直線插補(bǔ)的起點(diǎn)與終點(diǎn)進(jìn)行插補(bǔ)前初始化，得到總距離S為S=(Xs-Xe)2+(Ys-Ye)2+(Zs-Ze)2]]>空間各軸總的進(jìn)給量分別為sumdx=Xe-Xssumdy=Ye-Yssumdz=Zs-Ze]]>找出{|sumdx|，|sumdy|，|sumdz|}中的最大值sumdmax，根據(jù)sumdmax與溢出值2m，按照下述算法進(jìn)行左移規(guī)格化得到總累加次數(shù)Caddsum與左移位數(shù)i(1)初始化Caddsum＝2m，i＝0；(2)進(jìn)行左移規(guī)格化i=i+1;sumdmax=sumdmax×2;Caddsum=Caddsum/2;]]>(3)如果sumdmax＜2m，返回(2)，否則繼續(xù)(4)；(4)得到左移規(guī)格化的結(jié)果i=i-1;Caddsum=Caddsum×2;]]>對(duì)于直線插補(bǔ)來(lái)說(shuō)，每次插補(bǔ)時(shí)的累加數(shù)是相同的，均為
dx=sumdx<<idy=sumdy<<idz=sumdz<<i]]>通過(guò)對(duì)硬件累加器Xbuf、Ybuf與zbuf按照相同的累加時(shí)鐘分別同時(shí)累加Caddsum次dx、dy、dz，就能分別在X、Y、Z三軸均勻產(chǎn)生sumdx、sumdy、sumdz次溢出，每次溢出可以相應(yīng)地轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)軸的一個(gè)進(jìn)給脈沖，從而可實(shí)現(xiàn)從起點(diǎn)到終點(diǎn)的直線運(yùn)動(dòng)。
根據(jù)上述數(shù)字積分法的原理，每次插補(bǔ)時(shí)的累加次數(shù)實(shí)際與每次插補(bǔ)時(shí)的進(jìn)給步長(zhǎng)是成正比的，比例系數(shù)為S/Caddsum，那么通過(guò)控制每次插補(bǔ)時(shí)的累加次數(shù)，實(shí)際就控制了每次插補(bǔ)時(shí)的進(jìn)給步長(zhǎng)。因此進(jìn)行粗插補(bǔ)時(shí)，根據(jù)當(dāng)前期望的進(jìn)給速度V，當(dāng)前期望的進(jìn)給步長(zhǎng)F，默認(rèn)的插補(bǔ)周期T0，插補(bǔ)起點(diǎn)Ps(Xs，Ys，Zs)到終點(diǎn)Pe(Xe，Ye，Ze)的總距離S，當(dāng)前插補(bǔ)點(diǎn)Pc(Xc，Yc，Zc)到終點(diǎn)Pe(Xe，Ye，Ze)的距離Srem，以及剩余的累加次數(shù)Cremaddsum，通過(guò)對(duì)默認(rèn)的插補(bǔ)周期進(jìn)行修正以及對(duì)總累加次數(shù)進(jìn)行劃分來(lái)確定下一個(gè)點(diǎn)的插補(bǔ)周期Tc，以及在Tc內(nèi)的累加次數(shù)CaddTc=T0,V=FTc=T0×FV,V≠F,Cadd=Caddsum×FS,F<SremCadd=Cremaddsum,F=Srem---(1)]]>其中，T0為默認(rèn)的插補(bǔ)周期，(1)式中的速度以T0為時(shí)間單位。
由(1)式可見(jiàn)，在當(dāng)前期望的進(jìn)給步長(zhǎng)F等于當(dāng)前期望的進(jìn)給速度V時(shí)，下一個(gè)點(diǎn)的插補(bǔ)周期Tc則為默認(rèn)的插補(bǔ)周期T0；當(dāng)前期望的進(jìn)給步長(zhǎng)F大于或小于當(dāng)前期望的進(jìn)給速度V時(shí)，下一個(gè)點(diǎn)的插補(bǔ)周期Tc則會(huì)在默認(rèn)的插補(bǔ)周期T0的基礎(chǔ)上相應(yīng)地延長(zhǎng)或縮短，從而確保了實(shí)際進(jìn)給速度的平滑，通過(guò)根據(jù)期望進(jìn)給步長(zhǎng)占總步長(zhǎng)的比例對(duì)應(yīng)地劃分累加次數(shù)，可以準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)期望的進(jìn)給步長(zhǎng)。
由下一個(gè)點(diǎn)的插補(bǔ)周期Tc和在Tc內(nèi)的累加次數(shù)Cadd就可以計(jì)算得到累加時(shí)鐘的頻率，由于在硬件累加發(fā)送模塊中通過(guò)對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行分頻可以得到近似的滿足頻率要求的累加時(shí)鐘信號(hào)，因此累加時(shí)鐘的頻率可以用對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘的分頻系數(shù)來(lái)表示Fadd=Fclk_sys(Cadd/Tc)---(2)]]>
其中，F(xiàn)clk_sys為系統(tǒng)時(shí)鐘的頻率。
得到了下一個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)的累加次數(shù)Cadd和累加時(shí)鐘的分頻系數(shù)Fadd，可以在硬件中根據(jù)由系統(tǒng)時(shí)鐘分頻生成的累加時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行累加溢出實(shí)現(xiàn)精插補(bǔ)，在期望的插補(bǔ)周期內(nèi)實(shí)時(shí)完成累加溢出任務(wù)，實(shí)現(xiàn)期望的進(jìn)給速度和進(jìn)給步長(zhǎng)。
這樣，在存在零頭距離，即當(dāng)前期望的進(jìn)給速度V大于當(dāng)前期望的進(jìn)給步長(zhǎng)F時(shí)，可以根據(jù)(1)式通過(guò)縮短下一個(gè)點(diǎn)的插補(bǔ)周期Tc來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖的均勻發(fā)送。在直線總距離S小于當(dāng)前期望的進(jìn)給速度V時(shí)，則可以通過(guò)令當(dāng)前期望的進(jìn)給步長(zhǎng)F等于S，然后根據(jù)(1)式通過(guò)縮短下一個(gè)點(diǎn)的插補(bǔ)周期Tc來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖的均勻發(fā)送。這樣就解決了在時(shí)間分割法中存在的零頭距離以及由于零頭距離帶來(lái)的進(jìn)給速度不平滑和加工效率低的問(wèn)題。
對(duì)于在直線插補(bǔ)中各軸進(jìn)給量相差大并且需要多次插補(bǔ)完成的情況下，本方法不需要改變每次插補(bǔ)時(shí)各軸累加器的累加數(shù)，只需要按照期望進(jìn)給速度計(jì)算當(dāng)前插補(bǔ)對(duì)應(yīng)的累加次數(shù)與累加脈沖頻率，從而消除了常規(guī)時(shí)間分割法中每次細(xì)分直線段時(shí)會(huì)改變各軸累加器的累加數(shù)會(huì)帶來(lái)插補(bǔ)誤差擴(kuò)大的問(wèn)題。
本發(fā)明可應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制器的插補(bǔ)器部分使用。使用本發(fā)明進(jìn)行了大量空間直線的插補(bǔ)處理，實(shí)際工作結(jié)果表明，插補(bǔ)過(guò)程與結(jié)果正確可靠。以下給出幾個(gè)具體的插補(bǔ)實(shí)例例1設(shè)空間直線的起點(diǎn)Ps為(13.796，-8.973，-1.654)，終點(diǎn)Pe為(13.555，-9.214，-1.692)，期望進(jìn)給速度為3000mm/min，默認(rèn)插補(bǔ)周期為1ms，對(duì)應(yīng)的零頭距離則為0.042mm。采用本發(fā)明得到的結(jié)果為直線插補(bǔ)次數(shù)為6，速度不均勻系數(shù)平均值為0.5％，插補(bǔ)誤差平均值為0.00003mm。
例2設(shè)空間直線的起點(diǎn)Ps為(7.375，-2.589，-5.070)，終點(diǎn)Pe為(7.717，-2.247，-5.016)，期望進(jìn)給速度為3000mm/min，默認(rèn)插補(bǔ)周期為1ms，對(duì)應(yīng)的零頭距離則為0.036mm。采用本發(fā)明得到的結(jié)果為直線插補(bǔ)次數(shù)為9，速度不均勻系數(shù)平均值為0.5％，插補(bǔ)誤差平均值為0.00004mm。
權(quán)利要求
1.一種基于時(shí)間分割法與數(shù)字積分法混合實(shí)現(xiàn)的空間直線插補(bǔ)方法，其特征在于，它采用如下步驟進(jìn)行(1)、先根據(jù)直線插補(bǔ)的起點(diǎn)與終點(diǎn)進(jìn)行插補(bǔ)前初始化，得到空間各軸總的進(jìn)給量，并按照硬件累加器的寬度進(jìn)行左移規(guī)格化，得到各軸的累加數(shù)和總的累加次數(shù)；(2)、按照期望的進(jìn)給速度采用長(zhǎng)度可變的插補(bǔ)周期對(duì)空間直線進(jìn)行粗插補(bǔ)根據(jù)當(dāng)前期望的進(jìn)給速度V，當(dāng)前期望的進(jìn)給步長(zhǎng)F，默認(rèn)的插補(bǔ)周期T0，插補(bǔ)起點(diǎn)PS(XS，YS，ZS)到終點(diǎn)Pe(Xe，Ye，Ze)的總距離S，當(dāng)前插補(bǔ)點(diǎn)Pc(Xc，Yc，Zc)到終點(diǎn)Pe(Xe，Ye，Ze)的距離Srem，以及剩余的累加次數(shù)Cremaddsum，通過(guò)對(duì)默認(rèn)的插補(bǔ)周期進(jìn)行修正以及對(duì)總累加次數(shù)進(jìn)行劃分來(lái)確定下一個(gè)點(diǎn)的插補(bǔ)周期Tc，以及在Tc內(nèi)的累加次數(shù)Cadd{Tc=T0×FV,V≠FTc=T0,V=F,{Cadd=Cremaddsum,F=SremCadd=Caddsum×FS,F<Srem---(1)]]>其中，T0為默認(rèn)的插補(bǔ)周期，(1)式中的速度以T0為時(shí)間單位；根據(jù)得到的下一個(gè)點(diǎn)的插補(bǔ)周期Tc和在該插補(bǔ)周期內(nèi)要求完成的累加次數(shù)Cadd，得到對(duì)應(yīng)的累加時(shí)鐘的頻率并表示為系統(tǒng)時(shí)鐘的分頻系數(shù)Fadd=Fclk_sys(Cadd/Tc)---(2)]]>其中，F(xiàn)clk_sys為系統(tǒng)時(shí)鐘的頻率；(3)、對(duì)(2)式得到的粗插補(bǔ)數(shù)據(jù)按照預(yù)定的分頻系數(shù)Fadd采用數(shù)字積分法的方式進(jìn)行精插補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)各軸進(jìn)給脈沖的均勻發(fā)送。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的，其特征在于精插補(bǔ)是對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘按照預(yù)定的分頻系數(shù)Fadd進(jìn)行分頻產(chǎn)生累加時(shí)鐘，然后根據(jù)累加時(shí)鐘在三軸硬件累加器中進(jìn)行累加溢出進(jìn)行均勻發(fā)送實(shí)現(xiàn)三軸脈沖的均勻發(fā)送，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的下一個(gè)點(diǎn)的插補(bǔ)周期。
全文摘要
基于時(shí)間分割法與數(shù)字積分法混合實(shí)現(xiàn)的空間直線插補(bǔ)方法，涉及運(yùn)動(dòng)控制空間直線插補(bǔ)中的控制技術(shù)。其特點(diǎn)是在時(shí)間分割法與數(shù)字積分法的基礎(chǔ)上，采用可控的插補(bǔ)周期按照累加脈沖次數(shù)對(duì)空間直線進(jìn)行粗插補(bǔ)，然后對(duì)得到的粗插補(bǔ)數(shù)據(jù)按照預(yù)定的分頻系數(shù)采用數(shù)字積分法的方式進(jìn)行精插補(bǔ)。
文檔編號(hào)G05B19/41GK1963710SQ200610097528
公開日2007年5月16日 申請(qǐng)日期2006年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月3日
發(fā)明者叢爽, 劉宜, 方凱, 錢瑋 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)