【技術(shù)領(lǐng)域】

本發(fā)明屬于數(shù)控加工技術(shù)領(lǐng)域，具體是涉及一種nurbs曲線直接插補(bǔ)柔性加減速控制方法。

背景技術(shù)：

非均勻有理b樣條(non-uniformrationa1b-spline，nurbs)曲線具有良好的形狀表達(dá)能力，在汽車、飛機(jī)、造船等型面零件造型設(shè)計和加工制造方面應(yīng)用越來越廣，已成為step-nc中表達(dá)自由曲線曲面的唯一形式。以nurbs形式表示的加工文件代碼簡練，而且沒有精度損失，其代碼量只有傳統(tǒng)nc代碼的具有微小段直線不可比擬的優(yōu)勢。但是，數(shù)控系統(tǒng)要能支持nurbs曲線插補(bǔ)，必須先構(gòu)造nurbs曲線插補(bǔ)器，插補(bǔ)速度和精度直接受插補(bǔ)器影響。

數(shù)控機(jī)床在加工過程中，當(dāng)遇到啟動、停止或段間轉(zhuǎn)接時，如果速度變化太大，有可能對機(jī)床本身產(chǎn)生較大沖擊，引起電機(jī)震蕩和失步等，將對加工精度造成影響，甚至危害機(jī)床壽命。通常做法是在機(jī)床啟動、停止及段間轉(zhuǎn)接時對速度進(jìn)行控制，即進(jìn)行加減速處理。啟動階段是通過增大進(jìn)給脈沖頻率使機(jī)床加速進(jìn)給，機(jī)床停止階段是通過降低進(jìn)給脈沖頻率，使機(jī)床進(jìn)行減速直至速度為零。速度規(guī)劃好壞對于機(jī)床運動的平滑性起到關(guān)鍵作用，對于實現(xiàn)高速高精加工意義重大。

常見的加減速控制方法有：直線加減速法、指數(shù)加減速法等。直線加減速方法計算復(fù)雜度不高，容易實現(xiàn)，其速度控制過程是根據(jù)時間按比例對速度進(jìn)行調(diào)整，但該方法平滑性較差。指數(shù)加減速方法實現(xiàn)也簡單，它是根據(jù)指數(shù)規(guī)律來調(diào)整進(jìn)給速度，其平滑性較好。但是這兩種方法在加速開始階段和減速結(jié)束階段都會存在速度突變，導(dǎo)致加速度不連續(xù)，從而對機(jī)床產(chǎn)生較大沖擊，影響零件的加工質(zhì)量，以及機(jī)床的使用壽命。

采用傳統(tǒng)直線和指數(shù)加減速方法，已不能滿足加工零件日趨復(fù)雜、加工零件精度不斷提高的要求，為了適應(yīng)現(xiàn)代數(shù)控加工工件的復(fù)雜多變性，保證工件的加工精度和機(jī)床的使用壽命，柔性加減速算法也越來越受到青睞。一方面，柔性加減速可以根據(jù)加工運動的最大速度、輸出脈沖頻率等，構(gòu)造合適的加減速特性曲線；另一方面，柔性加減速在控制系統(tǒng)中采用特殊方法來實現(xiàn)多變的加減速曲線，相比較于傳統(tǒng)加減速方法其速度過度更為平順。

當(dāng)采用高速切削加工nurbs曲線曲面時，由于曲率的存在，必然會引起較大的速度波動。若加速度過大，超過機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)動態(tài)剛度的設(shè)計承受能力，就會給整個加工系統(tǒng)、加工過程和零件的加工質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。因此，必須設(shè)計良好的柔性加減速控制方法，控制加速度、加加速度變化模式，實現(xiàn)速度的平滑處理。

中國發(fā)明專利201410177337.x公開了一種速度敏感點分段nurbs曲線的s型加減速控制插補(bǔ)算法，是將各分段曲線閉區(qū)間利用步驟(5-1)中s型加減速控制方法根據(jù)插補(bǔ)周期t分別對加速和減速階段進(jìn)行速度規(guī)劃，得到各分段曲線在每一個插補(bǔ)周期內(nèi)的進(jìn)給速度，將獲得的進(jìn)給速度代入預(yù)插補(bǔ)公式計算出插補(bǔ)點參數(shù)u，再將插補(bǔ)點參數(shù)u代入nurbs曲線的矩陣表達(dá)式，得到各插補(bǔ)點的坐標(biāo)值。采用s曲線加減速控制方法其加加速度為常數(shù)值，即為最大加加速度j，加速度變化是一階線性變化。因此，對于加加速度最大階躍為2j，這勢必對機(jī)床造成較大沖擊。

常見的加減速控制方法有：直線加減速法、指數(shù)加減速法等。直線加減速方法計算復(fù)雜度不高，容易實現(xiàn)，其速度控制過程是根據(jù)時間按比例對速度進(jìn)行調(diào)整，但該方法平滑性較差。指數(shù)加減速方法實現(xiàn)也簡單，它是根據(jù)指數(shù)規(guī)律來調(diào)整進(jìn)給速度，其平滑性較好。但是這兩種方法在加速開始階段和減速結(jié)束階段都會存在速度突變，導(dǎo)致加速度不連續(xù)，從而對機(jī)床產(chǎn)生較大沖擊，影響零件的加工質(zhì)量，以及機(jī)床的使用壽命。

采用傳統(tǒng)直線和指數(shù)加減速方法，已不能滿足加工零件日趨復(fù)雜、加工零件精度不斷提高的要求，為了適應(yīng)現(xiàn)代數(shù)控加工工件的復(fù)雜多變性，保證工件的加工精度和機(jī)床的使用壽命，柔性加減速算法也越來越受到青睞。一方面，柔性加減速可以根據(jù)加工運動的最大速度、輸出脈沖頻率等，構(gòu)造合適的加減速特性曲線。另一方面，柔性加減速在控制系統(tǒng)中采用特殊方法來實現(xiàn)多變的加減速曲線，相比較于傳統(tǒng)加減速方法其速度過度更為平順。

s型加減速方法是一種柔性加減速方法，但是其加加速度為常數(shù)值，加加速度最大階躍為2倍最大加加速度，這會對機(jī)床造成較大的沖擊。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種nurbs曲線直接插補(bǔ)柔性加減速控制方法，不僅實現(xiàn)速度平滑控制，而且使得加速度的規(guī)劃也是平滑的，從而減小對機(jī)床造成的沖擊，避免引起電機(jī)震蕩和失步等，可以提高加工精度，延遲機(jī)床壽命。

本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的：

一種nurbs曲線直接插補(bǔ)柔性加減速控制方法，該方法包括如下步驟：

步驟(1)、讀取加工代碼文件，提取出nurbs曲線相關(guān)參數(shù)；

步驟(2)、對nurbs曲線進(jìn)行預(yù)處理，獲得nurbs曲線幾何特征；

步驟(3)、采用柔性加減速方法獲得符合機(jī)床加減速特性的插補(bǔ)點。

進(jìn)一步地，所述步驟(1)，具體包括：

cnc解釋器程序讀取用戶輸入的以nurbs曲線表述的加工代碼文件，獲取nurbs曲線次數(shù)p，控制點pi(i＝0，1，…，n)，及其對應(yīng)的權(quán)因子wi(i＝0，1，…，n)相關(guān)參數(shù)，由nurbs曲線表達(dá)式，構(gòu)成出代加工nurbs曲線，nurbs曲線表達(dá)式為：

式中由解釋器程序從加工代碼文件讀取的參數(shù)有：pi-控制點信息，wi-權(quán)因子信息，p-nurbs曲線次數(shù)；

式中ni,p(u)為p次規(guī)范b樣條基函數(shù)，可由下式遞推計算：

其中，u＝{u0,u1,...,un+p+1}稱為節(jié)點矢量，u是nurbs曲線的自變量。

進(jìn)一步地，所述步驟(2)具體包括：

掃描曲線，獲得曲線速度敏感區(qū)集合u，

其中f為機(jī)床指令速度；

進(jìn)而，對曲線所有速度敏感區(qū)進(jìn)行處理，得到曲線各速度敏感區(qū)速度極小值點集合第一行表示速度極小值點參數(shù)矢量，第二行表示其最大允許進(jìn)給速度，其中，nurbs曲線首尾節(jié)點分別添加到集合頭和尾，對應(yīng)的參數(shù)矢量為u＝0，u＝1；

進(jìn)而，由速度極小值點可以將曲線分成若干曲線段，其集合表述為：

l＝{li}。

進(jìn)一步地，所述步驟(3)具體包括：

對曲線段進(jìn)行柔性加減速控制，得到每個插補(bǔ)周期對應(yīng)插補(bǔ)點，即獲得滿足柔性加減速情況下的各插補(bǔ)點的參數(shù)矢量，再由nurbs曲線定義式求出插補(bǔ)點對應(yīng)的各軸坐標(biāo)；

柔性加減速分為五段，分別為加加速、減加速、勻速、加減速、減減速。

其中加速度變化為呈現(xiàn)二階曲線變化，加加速度變化呈現(xiàn)一階曲線變化；

令加加速度為j，加速度為a、速度為v，令加速開始時刻為t0，加加速階段完成時刻為t1，持續(xù)時間為t1；減加速階段完成時刻為t2，持續(xù)時間為t2；勻速階段完成時刻為t3，持續(xù)時間為t3；加減速階段完成時刻為t4，持續(xù)時間為t4；減減速階段完成時刻為t5，持續(xù)時間為t5。各階段完成時刻與持續(xù)時間關(guān)系為：

由上式可得各個階段加加速度j(t)、加速度a(t)和速度v(t)計算方程；

令加加速度變化直線曲率為k，則加加速度方程可表示為：

通過對加加速度積分可得加速度方程為：

對加速度積分可得速度方程為：

其中：

對速度進(jìn)行積分可得位移為：

其中s1，s2，s3，s4，s5由下式求出：

本發(fā)明的優(yōu)點在于：柔性加減速控制方法，加加速度變化呈一階直線型曲線變化，加速度變化呈二階曲線型變化，加加速度最大階躍為最大加加速度值，不僅實現(xiàn)速度平滑控制，而且使得加速度的規(guī)劃平滑，從而減小對機(jī)床造成的沖擊，避免引起電機(jī)震蕩和失步等，因此可以提高加工精度，延遲機(jī)床壽命。本發(fā)明的柔性加減速方法加加速度變化呈一階線性變化，加速度變化呈二階曲線型變化，加加速度最大階躍為j，對機(jī)床造成的沖擊比現(xiàn)有技術(shù)減小了一倍。通過求取每個插補(bǔ)周期加加速度、加速度、速度及位移，最后得到插補(bǔ)點參數(shù)u及其坐標(biāo)值，而現(xiàn)有技術(shù)是通過(5-1)計算速度值后，再代入預(yù)插補(bǔ)公式計算出插補(bǔ)點參數(shù)u，再將插補(bǔ)點參數(shù)u代入nurbs曲線的矩陣表達(dá)式，得到各插補(bǔ)點的坐標(biāo)值，實現(xiàn)過程不一樣。

【附圖說明】

下面參照附圖結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。

圖1是本發(fā)明的控制方法系統(tǒng)框圖。

圖2是本發(fā)明的控制方法模式圖。

圖3是本發(fā)明的控制方法流程圖。

【具體實施方式】

本發(fā)明為一種nurbs曲線直接插補(bǔ)柔性加減速控制方法。在該方法中，cnc解釋器程序讀取用戶輸入的以nurbs曲線表述的加工代碼文件，獲取nurbs曲線次數(shù)p，控制點pi(i＝0，1，…，n)，及其對應(yīng)的權(quán)因子wi(i＝0，1，…，n)等相關(guān)參數(shù)，由nurbs曲線表達(dá)式，構(gòu)成出代加工nurbs曲線；掃描曲線，獲得曲線速度敏感區(qū)集合，進(jìn)而，對曲線所有速度敏感區(qū)進(jìn)行處理，得到曲線各速度敏感區(qū)速度極小值點集合，然后由速度極小值點將曲線分成若干曲線段；對曲線段進(jìn)行柔性加減速控制，得到每個插補(bǔ)周期對應(yīng)插補(bǔ)點，即獲得滿足柔性加減速情況下的各插補(bǔ)點的參數(shù)矢量，再由nurbs曲線定義式求出插補(bǔ)點對應(yīng)的各軸坐標(biāo)。

圖1是本發(fā)明的一種nurbs曲線直接插補(bǔ)柔性加減速控制方法系統(tǒng)框圖。其中詳細(xì)展示了一種nurbs曲線直接插補(bǔ)柔性加減速控制方法所包括的五個部分，其中每個部分產(chǎn)生的結(jié)果作為下一個部分?jǐn)?shù)據(jù)處理的對象。

第一個部分cnc解釋器程序讀取用戶輸入的以nurbs曲線表述的零件加工代碼文件，讀取出nurbs曲線相關(guān)參數(shù)，構(gòu)造出要加工的nurbs曲線；第二部分，掃描曲線，識別出加工速度低于指令速度的曲線部分作為速度敏感區(qū)，得到曲線速度敏感區(qū)集合；第三部分，掃描曲線速度敏感區(qū)集合，得到每個速度敏感區(qū)速度極小值點，構(gòu)成速度極小值點集合；第四部分，以速度極小值點加上曲線首尾端點，對nurbs曲線分段，得到分段曲線集；第五部分，對曲線段進(jìn)行柔性加減速處理，獲得滿足機(jī)床加減速性能的插補(bǔ)點，并由nurbs定義式得到各插補(bǔ)點坐標(biāo)值。

圖2是一種nurbs曲線直接插補(bǔ)柔性加減速控制方法模式圖。其中詳細(xì)展示了柔性加減速控制方法時間、速度、加速度、加加速度、位移等的變化規(guī)律。

圖2中，柔性加減速模式分為五段，分別為加加速、減加速、勻速、加減速、減減速。其中加速度變化為呈現(xiàn)二階曲線變化，加加速度變化呈現(xiàn)一階曲線變化。

圖2中，t0為加加速階段時刻，t1為加加速階段完成時刻，t2為減加速階段完成時刻，t3為勻速階段完成時刻，t4為加減速階段完成時刻，t5為減減速階段完成時時刻；t1為加加速時長，t2為減加速時長，t3為勻速階段時長，t4為加減速時長，t5為減減速階段時長；v0為加加速階段速率，v1為加加速階段結(jié)束時速率，v2為減加速階段結(jié)束時速率，v3為勻速階段結(jié)束時速率，v4為加減速階段結(jié)束時速率，v5為減減速階段結(jié)束時速率；

令其加加速度為，加速度為、速度為，各階段時間設(shè)置為：

由上式可得各個階段加加速度j(t)、加速度a(t)和速度v(t)計算方程。

令加加速度變化直線曲率為k，則加加速度方程可表示為：

通過對加加速度積分可得加速度方程為：

對加速度積分可得速度方程為：

其中：

對速度進(jìn)行積分可得位移為：

其中s1，s2，s3，s4，s5由下式求出：

圖3是本發(fā)明的一種nurbs曲線直接插補(bǔ)柔性加減速控制方法流程圖。其中詳細(xì)展示了柔性加減速控制方法具體實現(xiàn)步驟，包含讀取系統(tǒng)最大進(jìn)給速度等相關(guān)參數(shù)，讀取曲線段數(shù)據(jù)，計算當(dāng)前插補(bǔ)時間、插補(bǔ)加加速度、插補(bǔ)加速度，并得到當(dāng)前插補(bǔ)速度，進(jìn)而獲得當(dāng)前插補(bǔ)周期位移值，然后再求得位移距離所對應(yīng)的插補(bǔ)點參數(shù)矢量，并進(jìn)一步獲得插補(bǔ)點的坐標(biāo)值。

圖3中流程圖步驟包括：

柔性加減速模塊讀取系統(tǒng)參數(shù)，包括最大進(jìn)給速度v、機(jī)床最大允許加速度a、機(jī)床最大允許加加速度j、插補(bǔ)周期值t以及柔性加減速k值；進(jìn)入步驟2。

柔性加減速模塊讀取曲線段li，并得到該曲線段參數(shù)矢量區(qū)間[us,ue]，進(jìn)入步驟3。

計算當(dāng)前插補(bǔ)時間t，t＝t+t，開始時t＝0，t為插補(bǔ)周期值，進(jìn)入步驟4。

根據(jù)柔性加減速模式，由時間t和k值計算當(dāng)前插補(bǔ)時刻的加加速度值，進(jìn)入步驟5。

根據(jù)柔性加減速模式，由當(dāng)前插補(bǔ)時刻加加速度值，時間t和機(jī)床運行最大加速度值，計算當(dāng)前插補(bǔ)時刻的加速度值，進(jìn)入步驟6。

根據(jù)柔性加減速模式，由當(dāng)前插補(bǔ)時刻加速度值，時間t，計算當(dāng)前插補(bǔ)時刻的速度值，進(jìn)入步驟7。

根據(jù)柔性加減速模式，由當(dāng)前插補(bǔ)時刻速度值、加速度值、時間t，計算當(dāng)前插補(bǔ)位移值，進(jìn)入步驟8。

根據(jù)插補(bǔ)位移值得的當(dāng)前插補(bǔ)點參數(shù)矢量，進(jìn)入步驟9。

根據(jù)nurbs曲線定義式，由當(dāng)前插補(bǔ)點參數(shù)矢量計算插補(bǔ)點的坐標(biāo)值，進(jìn)入步驟10。

如果曲線段處理完畢，則退出，否則繼續(xù)執(zhí)行步驟3。

本發(fā)明的柔性加減速控制方法，加加速度變化呈一階直線型曲線變化，加速度變化呈二階曲線型變化，加加速度最大階躍為最大加加速度值，速度和加速度變化更加平緩，從而減小對機(jī)床造成的沖擊，避免引起電機(jī)震蕩和失步等，因此可以提高加工精度，延遲機(jī)床壽命。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施用例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換以及改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。