專利名稱：基于濾波技術(shù)的速度前瞻控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)控系統(tǒng)的速度控制技術(shù)，具體地說(shuō)是一種加工復(fù)雜路徑 的基于濾波技術(shù)的速度前瞻控制方法。
背景技術(shù)：
在復(fù)雜曲面的數(shù)控加工中，CAD/CAM系統(tǒng)的后置處理器將復(fù)雜路徑用一 系列由直線或圓弧組成的微小路徑段以允許的誤差來(lái)逼近，再由數(shù)控系統(tǒng) 對(duì)每一個(gè)路徑段進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算。為實(shí)現(xiàn)高速加工，要求刀具沿工件輪廓表 面的進(jìn)給速度大幅度提高，在短時(shí)間內(nèi)需要走過(guò)大量微小路徑段。此時(shí)如 果按照常規(guī)速度控制方法進(jìn)行控制，釆用每一個(gè)路徑段進(jìn)行加速、勻速、 減速三個(gè)階段運(yùn)動(dòng)，由于擬合復(fù)雜曲線的路徑段非常短，致使加工過(guò)程中 加、減速極度頻繁，由此造成速度曲線不平滑，加工效率低下，加工質(zhì)量 差。并且當(dāng)遇到輪廓表面急拐彎時(shí)，將產(chǎn)生巨大的加速度，不僅會(huì)造成很 大的輪廓誤差，而且產(chǎn)生的沖擊將使機(jī)床機(jī)構(gòu)無(wú)法承受。
解決此問(wèn)題一種有效的方法就是前瞻控制。它是一種提前發(fā)現(xiàn)軌跡突 變，并對(duì)進(jìn)給速度進(jìn)行有效控制的方法。從高速加工的特點(diǎn)可知，當(dāng)以很 高的進(jìn)給速度加工復(fù)雜工件表面時(shí)，如果輪廓突變，造成加工軌跡急轉(zhuǎn)彎， 必須將進(jìn)給速度減小到允許范圍內(nèi)。但由于數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給速度不能產(chǎn)生 突變，要將很高進(jìn)給速度降低到較低值，必須需要一定的加工長(zhǎng)度。因此 就需要使進(jìn)給速度隨加工路徑變化自適應(yīng)的調(diào)節(jié)，為實(shí)現(xiàn)這一要求，必須 要求數(shù)控系統(tǒng)具有前瞻控制能力。
從現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看，只是將直線加速策略或S曲線加 減速策略引入到前瞻控制中，建立速度銜接數(shù)學(xué)模型，并且采用路徑段單 獨(dú)規(guī)劃，段間進(jìn)行速度銜接。雖然從理論上實(shí)現(xiàn)了軌跡的連續(xù)加工，但仍 然存在以下問(wèn)題若前瞻處理釆用直線加減速策略，插補(bǔ)過(guò)程中不可避免 的存在加速度突變，速度曲線不平滑，不適合高速加工；若前瞻處理釆用S 曲線加減速策略，由于S曲線加減速方法本生就是利用多項(xiàng)式將速度規(guī)劃 分為5個(gè)段或7個(gè)段，計(jì)算量巨大，編程復(fù)雜。如果再按此方法進(jìn)行迭代 計(jì)算轉(zhuǎn)接速度，必然不能滿足高速加工高釆樣頻率的要求；當(dāng)路徑段實(shí)際 運(yùn)行的時(shí)間不滿足插補(bǔ)周期的整數(shù)倍時(shí)，按照速度銜接數(shù)學(xué)模型不能計(jì)算 出銜接速度。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足之處，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提 供一種不存在加速度突變、速度曲線平滑且適合高速加工的基于濾波技術(shù) 的速度前瞻控制方法。為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明釆用的技術(shù)方案是本發(fā)明基于濾波技術(shù)的速度前瞻控制方法包括以下步驟將加工曲線的路徑段鏈接成路徑鏈，前瞻計(jì)算出加工曲線拐角處最大加速度約束速度和輪廓誤差約東速度；根據(jù)各約束速度計(jì)算出拐角處速度；對(duì)路徑鏈按直線加減速策略進(jìn)行前瞻整體速度規(guī)劃得到路徑鏈前瞻規(guī)劃速度，用拐角處速度與路徑鏈前瞻規(guī)劃速度的差值作為插補(bǔ)過(guò)程中是否提前減速的判據(jù)；如果上述差值超過(guò)規(guī)定的閥值，則計(jì)算路徑鏈中減速段長(zhǎng)度,反向遞推路徑鏈中的減速路徑段，設(shè)置減速路徑段的要求進(jìn)給速度；按照基于濾波技術(shù)的加減速策略對(duì)路徑鏈進(jìn)行軌跡規(guī)劃，并通過(guò)調(diào)節(jié)減速路徑段的要求進(jìn)給速度來(lái)實(shí)現(xiàn)加工速度隨加工路徑幾何形態(tài)變化而自適應(yīng)調(diào)節(jié)。
所述拐角處最大加速度約東速度和拐角處輪廓誤差約束速度根據(jù)以下公式計(jì)算
其中or/W^/為拐角處最大加速度約束速度，~max為各軸最大加速度
"xmax、"戶ax、":腿的總描述，Af為數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)周期，乂,W代表前一路
徑段u，z軸的坐標(biāo)，代表后 一 路徑段x,r,z軸的坐標(biāo)，
V^7^7^7為前一路徑段的長(zhǎng)度，+,+1,2+^,2+;+1,2為后一路徑段
的長(zhǎng)度；
mw^Ke/為拐角處輪廓誤差約東速度，五為最大輪廓誤差限制，《為兩相鄰路徑段之間的夾角，Af為數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)周期；
通過(guò)求取上述拐角處最大加速度約東速度和拐角處輪廓誤差約東速度中的最小值得到第i - 1路徑段最優(yōu)拐角處要求速度。
所述前瞻規(guī)劃出的第i - 1路徑段拐角處所能達(dá)到的進(jìn)給速度通過(guò)以下公式計(jì)算其中a為數(shù)控系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置的加速度；A^為數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)周期；S為路徑鏈的總長(zhǎng)度；r^^/,—i為第i-l路徑段的要求進(jìn)給速度；cw;re"^《"為
第i - n路徑段拐角處即時(shí)速度；為第i _ 1路徑段拐角處所能達(dá)到的實(shí)際進(jìn)給速度，即前瞻規(guī)劃速度；"r"w^/,j為第i-2路徑段的拐角處要求速度；/ewg^一為第i-l路徑段的路徑長(zhǎng)度。
所述計(jì)算路徑鏈中減速段長(zhǎng)度、反向遞推路徑鏈中的減速路徑段以及設(shè)置減速路徑段的要求進(jìn)給速度包括以下過(guò)程
若第i - 1路徑段拐角處所能達(dá)到的速度小于等于第i - 1路徑段的拐角處要求速度，則不需要在插補(bǔ)過(guò)程中對(duì)路徑鏈進(jìn)行減速處理；
若第i-1路徑段拐角處所能達(dá)到的速度大于第i-1路徑段的拐角處要求速度，需要在軌跡規(guī)劃過(guò)程中對(duì)路徑鏈進(jìn)行減速處理，計(jì)算出減速段長(zhǎng)
度；
通過(guò)減速段長(zhǎng)度遞推計(jì)算路徑鏈中需要減速的路徑段和路徑段中的減
速點(diǎn)；根據(jù)減速點(diǎn)調(diào)節(jié)減速路徑段的要求進(jìn)給速度，來(lái)實(shí)現(xiàn)軌跡規(guī)劃過(guò)程中路徑鏈進(jìn)給速度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)；
若減速段長(zhǎng)度小于等于第i - 1路徑段長(zhǎng)度，則第i - l路徑段能夠完成整個(gè)減速過(guò)程，設(shè)置第i - 1路徑段減速點(diǎn)之后的要求進(jìn)給速度為第i - 1路徑段的拐角處要求速度，計(jì)算出第i - 1路徑段的減速點(diǎn)；
若減速段長(zhǎng)度大于第i - 1路徑段長(zhǎng)度，則第i -1路徑段長(zhǎng)度不能夠完成減速過(guò)程，需要逆向遞推減速路徑段和段內(nèi)減速點(diǎn)；設(shè)置第i-l路徑段減速點(diǎn)為0和第i - 1路徑段減速點(diǎn)之后的要求進(jìn)給速度為第i - 1路徑段的拐角處要求速度，重新計(jì)算剩余減速段長(zhǎng)度和第i-2路徑段拐角處速度
若減速段長(zhǎng)度小于等于第i - 2路徑段長(zhǎng)度，設(shè)置第i - 2路徑段的減速點(diǎn)為和第i - 2路徑段減速點(diǎn)之后的要求進(jìn)給速度為為第i - 2路徑段的拐角處要求速度；
若減速段長(zhǎng)度仍大于第i-2路徑段長(zhǎng)度，向前遞推一路徑段，重復(fù)減
速段長(zhǎng)度和路徑段長(zhǎng)度判斷過(guò)程，直到減速段長(zhǎng)度小于等于路徑段長(zhǎng)度停止。
基于濾波技術(shù)的加減速策略對(duì)路徑鏈進(jìn)行軌跡規(guī)劃包括以下步驟根據(jù)讀入路徑鏈總長(zhǎng)度及上一周期速度計(jì)算出路徑鏈的即時(shí)速度，計(jì)
算當(dāng)前路徑段本次行程和已運(yùn)行長(zhǎng)度；將路徑段本次行程與前瞻規(guī)劃出的對(duì)應(yīng)路徑段減速點(diǎn)進(jìn)行比較；
若本次行程大于等于對(duì)應(yīng)路徑段減速點(diǎn)，且即時(shí)速度大于當(dāng)前路徑段減速點(diǎn)之后的要求進(jìn)給速度，令即時(shí)速度等于該即時(shí)速度減去 一個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)的速度變化最大值，放入滑動(dòng)濾波器進(jìn)行濾波延遲補(bǔ)償，重新計(jì)算當(dāng)前路徑段本次行程并輸出。
若本次行程大于等于對(duì)應(yīng)路徑段減速點(diǎn)，且即時(shí)速度小于等于當(dāng)前路徑段減速點(diǎn)之后的要求進(jìn)給速度，將路徑鏈的即時(shí)速度放入滑動(dòng)濾波器進(jìn)行濾波延遲補(bǔ)償，重新計(jì)算當(dāng)前路徑段本次行程和已運(yùn)行長(zhǎng)度。
若本次行程小于對(duì)應(yīng)路徑段減速點(diǎn)，且即時(shí)速度大于要求進(jìn)給速度，則令即時(shí)速度等于要求進(jìn)給速度，將路徑鏈的即時(shí)速度放入滑動(dòng)濾波器進(jìn)行濾波延遲補(bǔ)償，重新計(jì)算當(dāng)前路徑段本次行程和已運(yùn)行長(zhǎng)度。
若本次行程小于對(duì)應(yīng)路徑段減速點(diǎn)，且即時(shí)速度小于等于要求進(jìn)給速度，將路徑鏈的即時(shí)速度放入滑動(dòng)濾波器進(jìn)行濾波延遲補(bǔ)償，重新計(jì)算當(dāng)前路徑段本次行程和已運(yùn)行長(zhǎng)度。
本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點(diǎn)
1. 具有柔性自適應(yīng)控制能力。在使用本發(fā)明方法的加工過(guò)程中，刀具進(jìn)給速度隨路徑變化自適應(yīng)地調(diào)節(jié)，當(dāng)遇到軌跡急拐彎情況時(shí)，釆用進(jìn)給速度約東，避免了由于產(chǎn)生巨大加速度而造成的輪廓誤差和機(jī)床結(jié)構(gòu)無(wú)法承受的沖擊；
2. 適應(yīng)性強(qiáng)。應(yīng)用本發(fā)明方法的進(jìn)給速度調(diào)節(jié)僅與路徑形狀有關(guān)，與路徑段大小無(wú)關(guān)，避免了微小路徑段加工過(guò)程中存在的加減速極度頻繁的問(wèn)題；
3. 執(zhí)行效率高。本發(fā)明方法在前瞻處理中釆用直線加減速策略進(jìn)行整體規(guī)劃和遞推減速路徑段，避免了在前瞻處理中釆用S型加減速策略帶來(lái)的計(jì)算復(fù)雜性；
4. 速度平滑性好。本發(fā)明方法在軌跡規(guī)劃過(guò)程中將基于濾波技術(shù)的加減速特性和路徑鏈整體速度規(guī)劃、路徑段內(nèi)進(jìn)給速度調(diào)整方法相結(jié)合，確保了整個(gè)加工過(guò)程中進(jìn)給速度的平滑。


圖1為應(yīng)用本發(fā)明方法的數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制器的結(jié)構(gòu)圖2為本發(fā)明方法路徑段間最大加速度約東圖3為本發(fā)明方法路徑段間輪廓誤差約東圖4為本發(fā)明方法路徑段內(nèi)進(jìn)給速度處理圖5為本發(fā)明方法前瞻規(guī)劃流程圖6為本發(fā)明方法軌跡規(guī)劃流程圖7為加工路徑測(cè)試圖8A為使用傳統(tǒng)速度控制方法速度曲線圖(10路徑段)；圖8B為使用本發(fā)明方法的速度曲線圖(IO路徑段)；圖8C為使用傳統(tǒng)速度控制方法速度曲線圖(20路徑段)；
圖8D為使用本發(fā)明速度控制方法速度曲線圖(20路徑段)；
圖9A為使用傳統(tǒng)速度控制方法加速度曲線圖(10路徑段)；
圖9B為使用本發(fā)明方法加速度曲線圖(IO路徑段)；
圖9C為使用傳統(tǒng)速度控制方法加速度曲線圖(20路徑段)；
圖9D為使用本發(fā)明方法加速度曲線圖(20路徑段)。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
本實(shí)施例中，硬件平臺(tái)釆用全數(shù)字控制方式，標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)級(jí)IPC板卡，PM-lGHz CPU作為數(shù)控系統(tǒng)控制器，軸釆用MECHATROLINK總線控制方式?；谠撈脚_(tái)開(kāi)發(fā)的開(kāi)放數(shù)控系統(tǒng)作為集成一體化的數(shù)控系統(tǒng)，充分發(fā)揮了其運(yùn)算速度快，功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，并通過(guò)軟件完成顯示、插補(bǔ)計(jì)算、運(yùn)動(dòng)控制等功能。在該數(shù)控系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)控制器是核心，釆用基于濾波技術(shù)的速度前瞻控制方法后，其運(yùn)動(dòng)控制器的組件結(jié)構(gòu)如圖l所示。
本發(fā)明方法基于濾波技術(shù)的加減速特性，根據(jù)滑動(dòng)濾波器原理，將第/個(gè)插補(bǔ)周期按直線加減速方法規(guī)劃出來(lái)的速度值v,放入長(zhǎng)度為丄(丄是滑動(dòng)平均濾波器的階次)和加權(quán)系數(shù)為^的滑動(dòng)濾波器中，通過(guò)與前丄個(gè)速度值做累加平均(初始時(shí)濾波器初始值全為零)和歸一化處理，,著新規(guī)劃速度的加入，舊的規(guī)劃速度被移出滑動(dòng)濾波器，濾波后的速度5為
v, = + [ Wv, + +…+ wtv"+1 ] = y S甲" (l)
其中A表示被加權(quán)的數(shù)是濾波器中的第A:個(gè)數(shù)；^是權(quán)系數(shù)，G是歸一化增益因子，并且滿足^ = g4t)，根據(jù)濾波后的速度K可以計(jì)算出在加
速過(guò)程中(0&、丄)的加速度和加加速為
5 — K ， Ga
Af 丄
(2)
=o
., 《.—a,—, Go , .、 / ,、
yer夂—~^-^ —-一) ( 3 )
Af 丄Af
假設(shè)路徑段按直線加減速需要7V個(gè)周期規(guī)劃完，同理可以求出在減速過(guò)程中(7VSK7V +丄)的減速度和減減速為
S -巧—,—Ga
丄
.2>, (4)
^ert:—2-^ =->v_ (5)
Af 邊 '"
通過(guò)(2)、 (3)、 (4)、 (5)等式可以發(fā)現(xiàn)基于濾波技術(shù)的加減速具有通過(guò)控制加加速度的大小和形狀來(lái)避免加減速過(guò)程中的加速度突變的特性，并且對(duì)直線加減速規(guī)劃進(jìn)行濾波和直線加減速規(guī)劃的位置是相等的。因此，在前瞻控制過(guò)程中釆用直線加減速策略反向逆推減速路徑段，不會(huì)在軌跡規(guī)劃過(guò)程中引起路徑鏈的加速度突變，保證了整個(gè)加工過(guò)程中進(jìn)給速度曲線連續(xù)光滑。
如圖1所示，本發(fā)明方法應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)中，基于上述濾波技術(shù)的加
減速特性，其將加工曲線的路徑段進(jìn)行前瞻速度控制，并輸出至伺服驅(qū)動(dòng)
器，具體方法包括以下步驟
將加工曲線的路徑段鏈接成路徑鏈，前瞻計(jì)算出加工曲線拐角處最大
加速度約東速度和輪廓誤差約東速度；根據(jù)各個(gè)約東速度計(jì)算出拐角處速度。
對(duì)路徑鏈按直線加減速策略進(jìn)行前瞻整體速度規(guī)劃得到路徑鏈前瞻規(guī)劃速度，用拐角處速度與路徑鏈前瞻規(guī)劃速度的差值作為插補(bǔ)過(guò)程中是否
提前減速的判據(jù)；如果上述差值超過(guò)規(guī)定的閥值，則計(jì)算路徑鏈中減速段長(zhǎng)度，反向遞推路徑鏈中的減速路徑段，設(shè)置減速路徑段的要求進(jìn)給速度；
按照基于濾波技術(shù)的加減速策略(現(xiàn)有技術(shù))對(duì)路徑鏈進(jìn)行軌跡規(guī)劃，并通過(guò)調(diào)節(jié)減速路徑段的要求進(jìn)給速度來(lái)實(shí)現(xiàn)加工速度隨加工路徑幾何形態(tài)變化而自適應(yīng)調(diào)節(jié)。
所述拐角處最大加速度約東速度和拐角處輪廓誤差約東速度根據(jù)以下公式計(jì)算
—— 序--
人-1 /,.+!/'
"-l +Z'.'-l "^"+l/. +5+1/
2五* 57'wa
(7)
五
60。 Sa <1800
a<60。
2A/ * cosa * s/Ma (11)其中a;a'^ ^/為拐角處最大加速度約東速度，~max為各軸最大加速度"，ax、 "y、 ":_的總描述，"為數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)周期，y'"w分別代表前一路徑段X義Z軸的坐標(biāo).7,分別代表后 一 路徑段U,Z軸的坐標(biāo)，
V^7^7^7為前一路徑段的長(zhǎng)度，Vd、,為后-路徑段
的長(zhǎng)度；
wrarWFe/為拐角處輪廓誤差約東速度，五為最大輪廓誤差要求，a為
兩相鄰路徑段之間的夾角，"為數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)周期。
上述拐角處最大加速度約東速度計(jì)算公式的推導(dǎo)過(guò)程如下如圖2U)所示，在刀具從f點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到p,+,點(diǎn)過(guò)程中，為避免機(jī)床結(jié)構(gòu)200710159295.7
說(shuō)明書(shū)第7/12頁(yè)
承受過(guò)大的動(dòng)力沖擊，必須限制拐角f處的進(jìn)給速度，即f處的進(jìn)給速度變化必須滿足最大加速度的約東。在前瞻處理過(guò)程中計(jì)算出f處最大加速度約東速度。
用( 、.， )表示在曲線拐角前的切線矢
5+l
(、+1， )表示曲線拐角后的切線矢量。圖中標(biāo)記的黑點(diǎn)是規(guī)劃出
的軌跡點(diǎn)，圖2 (b)是折射到各軸上的速度點(diǎn)。從圖2(b)中可以看出，y軸在相鄰路徑段的拐角處有速度跳躍。根據(jù)最大加速度約束，進(jìn)給速度變化應(yīng)小于a皿Af。
假設(shè)數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)周期為A/,在f處的最大加速度的約東速度和各軸最大加速度分別為"x/^ J^/、 axmax、 max、 fl__max,根據(jù)幾何知識(shí)可以求出
向量^和向量^巧在坐標(biāo)軸的單位分量分別為
/2 2 2
)、
力一1
/乂
力一l
7+1/
)。為保
+_y,+I,
證單位周期進(jìn)給速度變化不超過(guò)其最大加速能力，必須滿足以下不等式:
X-
+ll
+zw
4
《一 +3^4 +4
+4
4
/《,"4十34"4 V《+k'
根據(jù)不等式組(6)可以求出約東速度為
(6)
油巧腿"
(7)
由此，當(dāng)前瞻規(guī)劃出拐角f處的進(jìn)給速度大于加速度的約東速度，需要在軌跡規(guī)劃過(guò)程中進(jìn)行提前減速處理。
上述拐角處輪廓誤差約東速度計(jì)算公式的推導(dǎo)過(guò)程如下為解決在軌跡規(guī)劃過(guò)程中插補(bǔ)時(shí)間不滿足插補(bǔ)周期的整數(shù)倍問(wèn)題，可以在轉(zhuǎn)接處插入過(guò)度段。該過(guò)度段的起點(diǎn)在前一路徑段，終止點(diǎn)在下一路徑段，長(zhǎng)度為一個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)的行程，但需要通過(guò)限制拐角處速度來(lái)控制產(chǎn)生的輪廓誤差。
如圖3所示，JS為路徑段p,p,—,剩余距離，^C為單位插補(bǔ)周期的步長(zhǎng)
也就是實(shí)際加工中的路徑，由此產(chǎn)生輪廓誤差MSC。假設(shè)JB與BC之間
的夾角大小為a，插補(bǔ)周期為&,設(shè)最大輪廓誤差要求為五，輪廓誤差約
東速度mw,e/ 。
首先，根據(jù)點(diǎn)積公式求出夾角a的值為
戶,，P x 戶戶
'+1 ' ' '—1 (8)
若60。^ct〈180。
w肌
n , e/rwi Fe/ A"l + msec) , ^ 、
￡《-^-1 (9)
若a <60。
五< 2e/Tor/ Fe/ Az cosa w'wa (10) 根據(jù)等式(9)、 (10)可以求出輪廓誤差約東速度為
'胸""，60。^ 〈180。 A"l+co a) ( 11 )
ct < 60"
在拐角S處引入過(guò)渡段會(huì)帶來(lái)輪廓誤差，必須通過(guò)限制拐角《處的進(jìn)給 速度來(lái)保證輪廓精度達(dá)到要求。因此當(dāng)前瞻規(guī)劃出拐角《處的進(jìn)給速度大 于輪廓誤差約東速度，需要在軌跡規(guī)劃過(guò)程中進(jìn)行提前減速處理。
通過(guò)求取上述拐角處最大加速度約東速度和拐角處輪廓誤差約東速度 中的最小值得到最優(yōu)拐角要求速度，即
co/7 er Fe/M = m/w(ox/si Fe/卜j, e/rori Ke/^ ) (12)
所述前瞻規(guī)劃出的第i - 1路徑段拐角處所能達(dá)到的實(shí)際進(jìn)給速度通過(guò) 以下公式計(jì)算
-^-^- 2 /化胸卜i
2
Aj2^/ew禍一+ccv7erF^2 》 , (13 )
上述第i - 1路徑段拐角處所能達(dá)到的實(shí)際進(jìn)給速度推導(dǎo)過(guò)程如下 如圖4所示，考慮"為數(shù)控系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置的加速度；Af為數(shù)控系統(tǒng)插 補(bǔ)周期；S為從路徑鏈的總長(zhǎng)度；re^e/,—,為第i - 1路徑段的要求進(jìn)給速度； c/7""gl^/,一為第i - 1路徑段; ,—2jp,_,減速點(diǎn)之后的要求進(jìn)給速度；po&"為第i - 1路徑段;v2iV,的減速點(diǎn)；丄為減速段的長(zhǎng)度；cw""ZFe/,— 為第i -n路徑段A— 處的即時(shí)速度；cw"w^/,-,為第i _ 1路徑段的拐角處要求速度； /aCe/^為第i- 1路徑段拐角處所能達(dá)到的實(shí)際進(jìn)給速度，即前瞻規(guī)劃速 度；ox/WFe"為軸最大加速度約束速度；em ri J/e/,—,為輪廓誤差約東速度； COr"er&/,_2為第i - 2路徑段的拐角處要求速度；/^^/^為第i - 1路徑段 的路徑長(zhǎng)度。
首先，根據(jù)前瞻計(jì)算出的拐角；v,處加速度約東速度欲/^ ^"、輪廓 誤差約東速度,可以求出/ M處拐角處要求速度cw7^K/M為 cower = m /" (ox/si,e;rori ,) (12) 然后，前瞻規(guī)劃出路徑鏈在/^處所能達(dá)到的進(jìn)給速度/"c/^"為
-^-^- > /oc恥"
2
^2a./^gf/^+09^eH^/^2 》 ( 13 )
如圖5所示，計(jì)算路徑鏈中減速段長(zhǎng)度、反向遞推路徑鏈中的減速路 徑段以及設(shè)置減速路徑段的要求進(jìn)給速度包括以下過(guò)程；
若第i- 1路徑段拐角處所能達(dá)到的速度小于等于第i- 1路徑段的拐角
處要求速度，即/aCOcor^^d ,則不需要在插補(bǔ)過(guò)程中對(duì)路徑鏈進(jìn) 行減速處理；
若第i - 1路徑段拐角處所能達(dá)到的速度大于第i - 1路徑段的拐角處要 求速度，即/aCe/,—一cw"w&"，需要在軌跡規(guī)劃過(guò)程中對(duì)路徑鏈進(jìn)行減 速處理，計(jì)算出減速段長(zhǎng)度L為
丄 ^C《,-come7^/二 (14)
通過(guò)減速段長(zhǎng)度丄遞推計(jì)算路徑鏈中需要減速的路徑段和路徑段中的 減速點(diǎn)；根據(jù)減速點(diǎn)調(diào)節(jié)減速路徑段的要求進(jìn)給速度，來(lái)實(shí)現(xiàn)軌跡規(guī)劃過(guò) 程中路徑鏈進(jìn)給速度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)；
若減速段長(zhǎng)度小于等于第i-l路徑段長(zhǎng)度，即丄^
i一 1
路徑段p,—^—2能夠完成整個(gè)減速過(guò)程，設(shè)置第i - 1路徑段減速點(diǎn)之后的要 求進(jìn)給速度c/^"gKe/,一為第i-l路徑段的拐角處要求速度con^rFe/,一，計(jì) 算出第i _ 1路徑段,/v2的減速點(diǎn)po/""為
-丄 (15)
戶zd若減速段長(zhǎng)度大于第i- l路徑段長(zhǎng)度，即丄>^^=，則第i-l路徑 段P,-,A-2長(zhǎng)度不能夠完成減速過(guò)程，需要逆向遞推減速路徑段和段內(nèi)減速
點(diǎn)；設(shè)置第i _ 1路徑段2減速點(diǎn)，&仏為0 (整個(gè)路徑段都在進(jìn)行減
速)和第i - 1路徑段減速點(diǎn)之后的要求進(jìn)給速度C/Z^7g^/,—,為第i - 1路徑
段的拐角處要求速度con^^e"，重新計(jì)算剩余減速長(zhǎng)度和第i-2路徑段 A—3拐角處速度為
若減速段長(zhǎng)度小于等于第i-2路徑段長(zhǎng)度，即丄<
(16)
(17)
設(shè)置第
2路徑段^_2/ ,_3的減速點(diǎn)； o/" ,—2為
!一3
-丄和第i-2路徑段減速點(diǎn)之
后的要求進(jìn)給速度為A"wgFe/,^為第i-2路徑段的拐角處要求速度 若減速段長(zhǎng)度仍大于第i-2路徑段長(zhǎng)度，即丄〉
向前遞推-
路徑段，即/ = /_1,重復(fù)減速段長(zhǎng)度和路徑段長(zhǎng)度判斷過(guò)程，直到減速段 長(zhǎng)度小于等于路徑段長(zhǎng)度停止。確保在軌跡規(guī)劃過(guò)程中在任何拐角處的實(shí) 際進(jìn)給速度小于等于拐角處要求速度。
如圖6所示，基于濾波技術(shù)的加減速策略對(duì)路徑鏈進(jìn)行軌跡規(guī)劃包括 以下步驟
基于濾波技術(shù)的加減速策略對(duì)路徑鏈進(jìn)行軌跡規(guī)劃包括以下步驟 根據(jù)讀入路徑鏈總長(zhǎng)度及上一周期速度計(jì)算出路徑鏈的即時(shí)速度
cwre^Fe/，計(jì)算當(dāng)前路徑段本次行程和已運(yùn)行長(zhǎng)度 pragma ;
將路徑段本次行程pragre^與前瞻規(guī)劃出的對(duì)應(yīng)路徑段減速點(diǎn)po/"/
進(jìn)行比較；
若pragma 2 po/"/ ，且即時(shí)速度cw/rewfFe/大于當(dāng)前路徑段減速點(diǎn)之后 的要求進(jìn)給速度W"Mg^/ ，為確保在減速過(guò)程中速度變化不超出機(jī)床所能 承受的最大加速度，令即時(shí)速度cwreWFe/等于cwrew^e/-aAf ，將即時(shí)速 度cwrew,e/ - aAZ放入滑動(dòng)濾波器進(jìn)行濾波延遲補(bǔ)償，重新計(jì)算當(dāng)前路徑 段本次行程和已運(yùn)行長(zhǎng)度；
若pragraw 2 po/W ,且即時(shí)速度cwre"fFe/小于等于當(dāng)前路徑段減速點(diǎn)
之后的要求進(jìn)給速度c/za"gFe/ ,將路徑鏈的即時(shí)速度cre^Fe/放入滑動(dòng)濾
波器進(jìn)行濾波延遲補(bǔ)償，重新計(jì)算當(dāng)前路徑段本次行程和已運(yùn)行長(zhǎng)度；
若pragma < po/W ,且即時(shí)速度cw^^7fFe/大于要求進(jìn)給速度陽(yáng)g Fe/,
則令即時(shí)速度cre",e/等于要求進(jìn)給速度m《J^/ ,將路徑鏈的即時(shí)速度a^7^^^/放入滑動(dòng)濾波器進(jìn)行濾波延遲補(bǔ)償，重新計(jì)算當(dāng)前路徑段本次行 程和已運(yùn)行長(zhǎng)度；
若pragma < ; &"/1 ,且即時(shí)速度c^rew/F"e/小于等于要求進(jìn)給速度 re《Fe/ ，將路徑鏈的即時(shí)速度cwre^Fe/放入滑動(dòng)濾波器進(jìn)行濾波延遲補(bǔ)
償，重新計(jì)算當(dāng)前路徑段本次行程和已運(yùn)行長(zhǎng)度。
本實(shí)施例中，硬件平臺(tái)采用全數(shù)字控制方式，標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)級(jí)IPC板卡， PM-lGHz CPU作為數(shù)控系統(tǒng)控制器，軸釆用MECHATROLINK總線控制 方式?；谠撈脚_(tái)開(kāi)發(fā)的開(kāi)放數(shù)控系統(tǒng)作為集成一體化的數(shù)控系統(tǒng)，充分 發(fā)揮了其運(yùn)算速度快，功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，并通過(guò)軟件完成顯示、插補(bǔ)計(jì)算、 運(yùn)動(dòng)控制等功能。在該數(shù)控系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)控制器是核心，釆用基于濾波技 術(shù)的速度前瞻控制方法后，其運(yùn)動(dòng)控制器的組件結(jié)構(gòu)如圖1所示。運(yùn)動(dòng)控 制的實(shí)現(xiàn)包括四個(gè)方面，前瞻規(guī)劃路徑鏈計(jì)算出拐角處各個(gè)約東速度，設(shè) 置路徑鏈中路徑段的要求進(jìn)給速度；釆用基于濾波技術(shù)的減速方法實(shí)現(xiàn)路 徑鏈的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃；基于三次樣條完成各個(gè)軸插補(bǔ)功能；釆用具有前饋 環(huán)節(jié)的PID算法，實(shí)現(xiàn)各軸的伺服控制。
本發(fā)明方法測(cè)試是在三坐標(biāo)銑床上，通過(guò)加工具有代表性的工件測(cè)試 程序來(lái)完成的。測(cè)試系統(tǒng)釆用編碼器反饋，形成全閉環(huán)控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)通 過(guò)交流伺服電機(jī)。測(cè)試環(huán)境的主要技術(shù)參數(shù)如下
驅(qū)動(dòng)安川電機(jī)2II系列交流伺服電機(jī)；數(shù)控系統(tǒng)CPU PM-lGHz、 RAM-512M、 FLASH-2G、 1/0-32/24、編碼器輸入-4， D/A輸出-4、顯示-10.4" 彩色液晶顯示；編碼器輸入比例16384;最大進(jìn)給率=10000mm/min;最 大加速度=200mm/s2;最大加加速度=500mm/s3;插補(bǔ)周期=0.002秒； 伺服周期=0.0005秒；任務(wù)協(xié)調(diào)執(zhí)行周期=0.0005秒。
為了驗(yàn)證本發(fā)明的有效性做了如下實(shí)驗(yàn)，圖7是從模具加工常用的 CAD/CAM軟件CIMETRON中導(dǎo)出的加工路徑圖，該路徑具有不同尖銳程 度的拐角，并且分別采用由IO個(gè)和20個(gè)的微小路徑段組成。其實(shí)驗(yàn)條件 和結(jié)果分別如下
(1 )傳統(tǒng)速度控制:以進(jìn)給速度F:10m/min,輪廓誤差五《0.001mm, 加工由10個(gè)和20個(gè)微小路徑段組成如圖7 - 1所示的路徑；
(2)本發(fā)明方法基于濾波技術(shù)的前瞻速度控制以進(jìn)給速度 F二10w/min,插補(bǔ)周期Af = 2ww ，輪廓誤差五S O.OOlm附，加工由10個(gè)和 20個(gè)微小路徑段組成如圖7所示的路徑。
比較圖8A 8D的速度曲線和9A 9D的加速度曲線可以得到以下結(jié)論 第一、觀察圖8B和圖8D中的速度曲線可看出基于濾波技術(shù)的速度前 瞻控制方法可以自動(dòng)識(shí)別加工路徑拐角，根據(jù)拐角尖銳程度不同，按照輪 廓誤差要求完成進(jìn)給速度調(diào)節(jié)；
第二、對(duì)比圖8A與圖8B以及圖8C與圖8D中的速度曲線，可以發(fā)現(xiàn) 加工過(guò)程中進(jìn)給速度曲線僅于路徑形狀有關(guān)與構(gòu)成路徑的路徑段的長(zhǎng)短和數(shù)目無(wú)關(guān)。因此解決了由于擬合復(fù)雜曲線的路徑段非常短，致使加工過(guò)程 中加、減速極度頻繁的問(wèn)題；
第三、對(duì)比圖9A與圖9B以及圖9C與圖9D中的加速度曲線，可以發(fā) 現(xiàn)加工程中的加減速次數(shù)僅于路徑形狀有關(guān)與構(gòu)成路徑的路徑段長(zhǎng)短和數(shù) 目無(wú)關(guān)。并且由于在軌跡規(guī)劃過(guò)程中采用基于濾波的技術(shù)的加減速策略， 避免了在加減速過(guò)程中加速度的突變。
本發(fā)明方法將加工路徑段鏈接成路徑鏈，根據(jù)拐角處加速度約東和輪 廓誤差約東對(duì)路徑鏈進(jìn)行前瞻規(guī)劃，路徑段內(nèi)釆用基于濾波技術(shù)的加減速 策略進(jìn)行進(jìn)給速度控制，使的整個(gè)插補(bǔ)過(guò)程具有高度柔性。試驗(yàn)表明該發(fā) 明能夠根據(jù)加工路徑幾何特征自適應(yīng)調(diào)節(jié)進(jìn)給速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜曲面的高 速加工。
權(quán)利要求
1. 一種基于濾波技術(shù)的速度前瞻控制方法，其特征在于包括以下步驟將加工曲線的路徑段鏈接成路徑鏈，前瞻計(jì)算出加工曲線拐角處最大加速度約束速度和輪廓誤差約束速度；根據(jù)各約束速度計(jì)算出拐角處速度；對(duì)路徑鏈按直線加減速策略進(jìn)行前瞻整體速度規(guī)劃得到路徑鏈前瞻規(guī)劃速度，用拐角處速度與路徑鏈前瞻規(guī)劃速度的差值作為插補(bǔ)過(guò)程中是否提前減速的判據(jù)；如果上述差值超過(guò)規(guī)定的閥值，則計(jì)算路徑鏈中減速段長(zhǎng)度，反向遞推路徑鏈中的減速路徑段，設(shè)置減速路徑段的要求進(jìn)給速度；按照基于濾波技術(shù)的加減速策略對(duì)路徑鏈進(jìn)行軌跡規(guī)劃，并通過(guò)調(diào)節(jié)減速路徑段的要求進(jìn)給速度來(lái)實(shí)現(xiàn)加工速度隨加工路徑幾何形態(tài)變化而自適應(yīng)調(diào)節(jié)。
2. 按權(quán)利要求l所述的基于濾波技術(shù)的速度前瞻控制方法，其特征在 于所述拐角處最大加速度約東速度和拐角處輪廓誤差約東速度根據(jù)以下 公式計(jì)算<formula>formula see original document page 2</formula>。其中ax/^ Fe/為拐角處最大加速度約東速度，a(11),皿為各軸最大加速度 總描述，A/為數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)周期，乂,w代表前一路徑段軸的坐標(biāo)，代表后 一 路徑段x,;r，z軸的坐標(biāo)，為后一路徑段》max為前一路徑段的長(zhǎng)度，的長(zhǎng)度；wraW Fe/為拐角處輪廓誤差約束速度，五為最大輪廓誤差限制，a為 兩相鄰路徑段之間的夾角，Af為數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)周期。
3. 按權(quán)利要求2所述的基于濾波技術(shù)的速度前瞻控制方法，其特征在 于通過(guò)求取上述拐角處最大加速度約東速度和拐角處輪廓誤差約束速度 中的最小值得到第i-1路徑段最優(yōu)拐角處要求速度。
4. 按權(quán)利要求1所述的基于濾波技術(shù)的速度前瞻控制方法，其特征在<formula>formula see original document page 3</formula>其中a為數(shù)控系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置的加速度；A/為數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)周期；S為路 徑鏈的總長(zhǎng)度；r^K"為第i-1路徑段的要求進(jìn)給速度；cwm7^《"為 第i - n路徑段拐角處即時(shí)速度；為第i _ 1路徑段拐角處所能達(dá)到的實(shí)際進(jìn)給速度，即前瞻規(guī)劃速度；CW72W^/,—2為第卜2路徑段的拐角處要求速度；/e唯U第i-l路徑段的路徑長(zhǎng)度。
5. 按權(quán)利要求1所述的基于濾波技術(shù)的速度前瞻控制方法，其特征在 于所述計(jì)算路徑鏈中減速段長(zhǎng)度、反向遞推路徑鏈中的減速路徑段以及 設(shè)置減速路徑段的要求進(jìn)給速度包括以下過(guò)程若第i - 1路徑段拐角處所能達(dá)到的速度小于等于第i - 1路徑段的拐角 處要求速度，則不需要在插補(bǔ)過(guò)程中對(duì)路徑鏈進(jìn)行減速處理；若第i - 1路徑段拐角處所能達(dá)到的速度大于第i - 1路徑段的拐角處要 求速度，需要在軌跡規(guī)劃過(guò)程中對(duì)路徑鏈進(jìn)行減速處理，計(jì)算出減速段長(zhǎng)度；通過(guò)減速段長(zhǎng)度遞推計(jì)算路徑鏈中需要減速的路徑段和路徑段中的減速點(diǎn)；根據(jù)減速點(diǎn)調(diào)節(jié)減速路徑段的要求進(jìn)給速度，來(lái)實(shí)現(xiàn)軌跡規(guī)劃過(guò)程 中路徑鏈進(jìn)給速度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)；若減速段長(zhǎng)度小于等于第i - 1路徑段長(zhǎng)度，則第i - 1路徑段能夠完成 整個(gè)減速過(guò)程，設(shè)置第i - 1路徑段減速點(diǎn)之后的要求進(jìn)給速度為第i - 1路 徑段的拐角處要求速度，計(jì)算出第i-l路徑段的減速點(diǎn)；若減速段長(zhǎng)度大于第i-l路徑段長(zhǎng)度，則第i-l路徑段長(zhǎng)度不能夠完 成減速過(guò)程，需要逆向遞推減速路徑段和段內(nèi)減速點(diǎn)；設(shè)置第i-l路徑段 減速點(diǎn)為O和第i - 1路徑段減速點(diǎn)之后的要求進(jìn)給速度為第i - 1路徑段的 拐角處要求速度，重新計(jì)算剩余減速段長(zhǎng)度和第i-2路徑段拐角處速度若減速段長(zhǎng)度小于等于第i - 2路徑段長(zhǎng)度，設(shè)置第i - 2路徑段的減速 點(diǎn)為和第i - 2路徑段減速點(diǎn)之后的要求進(jìn)給速度為為第i _ 2路徑段的拐角 處要求速度；若減速段長(zhǎng)度仍大于第i-2路徑段長(zhǎng)度，向前遞推一路徑段，重復(fù)減速段長(zhǎng)度和路徑段長(zhǎng)度判斷過(guò)程，直到減速段長(zhǎng)度小于等于路徑段長(zhǎng)度停 止。
6. 按權(quán)利要求1所述的基于濾波技術(shù)的速度前瞻控制方法，其特征在于基于濾波技術(shù)的加減速策略對(duì)路徑鏈進(jìn)行軌跡規(guī)劃包括以下步驟根據(jù)讀入路徑鏈總長(zhǎng)度及上一周期速度計(jì)算出路徑鏈的即時(shí)速度，計(jì)算當(dāng)前路徑段本次行程和已運(yùn)行長(zhǎng)度；將路徑段本次行程與前瞻規(guī)劃出的對(duì)應(yīng)路徑段減速點(diǎn)進(jìn)行比較； 若本次行程大于等于對(duì)應(yīng)路徑段減速點(diǎn)，且即時(shí)速度大于當(dāng)前路徑段減速點(diǎn)之后的要求進(jìn)給速度，令即時(shí)速度等于該即時(shí)速度減去一個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)的速度變化最大值，放入滑動(dòng)濾波器進(jìn)行濾波延遲補(bǔ)償，重新計(jì)算當(dāng)前路徑段本次行程并輸出。
7. 按權(quán)利要求6所述的基于濾波技術(shù)的速度前瞻控制方法，其特征在 于若本次行程大于等于對(duì)應(yīng)路徑段減速點(diǎn)，且即時(shí)速度小于等于當(dāng)前路 徑段減速點(diǎn)之后的要求進(jìn)給速度，將路徑鏈的即時(shí)速度放入滑動(dòng)濾波器進(jìn) 行濾波延遲補(bǔ)償，重新計(jì)算當(dāng)前路徑段本次行程和已運(yùn)行長(zhǎng)度。
8. 按權(quán)利要求6所述的基于濾波技術(shù)的速度前瞻控制方法，其特征在 于若本次行程小于對(duì)應(yīng)路徑段減速點(diǎn)，且即時(shí)速度大于要求進(jìn)給速度， 則令即時(shí)速度等于要求進(jìn)給速度，將路徑鏈的即時(shí)速度放入滑動(dòng)濾波器進(jìn) 行濾波延遲補(bǔ)償，重新計(jì)算當(dāng)前路徑段本次行程和已運(yùn)行長(zhǎng)度。
9. 按權(quán)利要求6所述的基于濾波技術(shù)的速度前瞻控制方法，其特征在 于若本次行程小于對(duì)應(yīng)路徑段減速點(diǎn)，且即時(shí)速度小于等于要求進(jìn)給速 度，將路徑鏈的即時(shí)速度放入滑動(dòng)濾波器進(jìn)行濾波延遲補(bǔ)償，重新計(jì)算當(dāng) 前路徑段本次行程和已運(yùn)行長(zhǎng)度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于濾波技術(shù)的速度前瞻控制方法，將加工曲線的路徑段鏈接成路徑鏈，前瞻計(jì)算出加工曲線拐角處最大加速度約束速度和輪廓誤差約束速度；根據(jù)各約束速度計(jì)算出拐角處速度；對(duì)路徑鏈按直線加減速策略進(jìn)行前瞻整體速度規(guī)劃得到路徑鏈前瞻規(guī)劃速度，用拐角處速度與路徑鏈前瞻規(guī)劃速度的差值作為插補(bǔ)過(guò)程中是否提前減速的判據(jù)；如果上述差值超過(guò)規(guī)定的閥值，則計(jì)算路徑鏈中減速段長(zhǎng)度，反向遞推路徑鏈中的減速路徑段，設(shè)置減速路徑段的要求進(jìn)給速度；對(duì)路徑鏈進(jìn)行軌跡規(guī)劃，并通過(guò)調(diào)節(jié)減速路徑段的要求進(jìn)給速度來(lái)實(shí)現(xiàn)加工速度隨加工路徑幾何形態(tài)變化而自適應(yīng)調(diào)節(jié)。本發(fā)明具有柔性自適應(yīng)控制能力強(qiáng)、執(zhí)行效率高、速度平滑性好等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G05B19/4097GK101470434SQ20071015929
公開(kāi)日2009年7月1日 申請(qǐng)日期2007年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月28日
發(fā)明者東 于, 宋桃桃, 張曉輝, 杜少華, 毅 胡 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)計(jì)算技術(shù)研究所有限公司;沈陽(yáng)高精數(shù)控技術(shù)有限公司