專利名稱：一種用于數控機床加減速的控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種加減速的控制方法，特別是涉及一種用于數控機床加減速的控制方法。
背景技術：
通常，數控機床(CNC)在CAM系統(tǒng)的后處理器將復雜路徑按加工精度的要求分解成一系列的微路徑段(如直線段或圓弧段)，再由數控系統(tǒng)中的各相關插補器對每一特定的微路徑段進行插補運算。為了保證工件精度，在微小路徑段之間要進行加減速處理。常規(guī)的加減速控制方法是以每一小路徑段為研究對象，并使每段起始和末尾速度都為零。這種方法勢必造成系統(tǒng)頻繁啟停、速度緩慢、效率低和加工質量差。在CNC裝置中，為了保證機床在啟動或停止時不產生沖擊、失步、超程或振蕩，必須對進給電機的脈沖頻率或電壓進行加減速控制。即在機床加速啟動時，保證加在電機上的脈沖頻率或電壓逐漸增加；而當機床減速停止時。保證加在電機上的脈沖頻率或電壓逐漸減小。在高速加工中，由于進給速度很快，為充分利用機床的有效工作行程，必須要求各坐標運行部件能在極短的時間內達到給定的速度，并能在高速運行中快速準確地停止在預定位置，較高的加速度下要考慮到機床的承受能力；在高精度加工中，高精度機床長期使用過程中的精度保持更為重要，不僅需要對加速度進行限制，加加速度最好能夠連續(xù)。不對機床的加減速動態(tài)過程進行合理的控制，必將給機床結構帶來很大的沖擊，容易引起刀具振動和斷刀，降低加工精度。目前經濟型數控系統(tǒng)大都采用傳統(tǒng)的直線加減速和指數加減速控制方法。例如，中國專利申請?zhí)?01010169651.5提供的“一種基于前瞻-濾波技術的多程序段連續(xù)加減速控制方法”，是一種根據輸入的工件加工程序數據進行前瞻規(guī)劃，確定各程序段的前瞻規(guī)劃數據，利用各程序段的規(guī)劃參數進行相應的直線加速度規(guī)劃，按照規(guī)劃參數求解算法完成對各程序段間的轉接點速度。其優(yōu)點是:算法簡單，實施容易；缺點是:啟動和結束時存在加速度突變，易產生沖擊。一些高檔的數控系統(tǒng)采用基于S曲線的加減速控制方法，通過漸變控制各段的加速度使其加減速過程的速度按S型曲線的形式平滑地變化，從而達到減少沖擊的目的。例如，中國專利申請?zhí)枮?00510047806.7提供的“一種用于數控機床的加減速控制方法”，是一種可根據加速度、速度和位移之間的積分關系進行處理的S形曲線加減速控制方法。該法能較好的克服傳統(tǒng)加減速控制方法的缺點，但算法比較復雜，對硬件性能要求較高，對加工過程中涉及到的其它匹配算法要求多，因而實現難度較大，且其加加速度不連續(xù)。計算機輔助設計系統(tǒng)CAD設計的直線/曲線，在經由計算機輔助制造CAM軟件將數學模型轉換成數控加工代碼時，將根據輪廓誤差Λ的要求，用連續(xù)微段逼近原直線/曲線。當加工精度要求高時，Λ很小，因此產生大量的微直線段，這些直線段的段長很短、數量很多，稱為微段。通常數控系統(tǒng)在微段加工中須進行頻繁加減速，因此加工過程存在精度和速度的矛盾。為了實現對機床的平滑運行控制，就需要進行速度控制，使加工過程中的速度隨時間而按給定規(guī)律變化，不同的速度控制方法會對系統(tǒng)的響應速度和位置的誤差產生較大的影響。而響應快速性和位置準確性又是數控機床效率和精度的保證。傳統(tǒng)的加減速控制是直接將電機的起跳速度作為微段的始末速度，以指令速度作為最高速度，即加減速在一個微段內完成。這種控制方法簡單，但會導致系統(tǒng)頻繁啟停，對以微段為主的零件加工，不可能達到較高的進給速度；此外，由于頻繁地啟停，影響機床運行的平穩(wěn)性，從而影響零件的表面加工質量和機床性能。采用多項式位移曲線的控制方法，其多項式位移曲線表達式簡單，位移、速度、力口速度和加加速度滿足導數關系，運行特性控制曲線可通過求導依次獲得。由于階數越高，控制曲線就越復雜，計算量也越大。而最基本的是三次速度控制曲線，即四次位移曲線，它可以保證速度，加速度的連續(xù)，同時階次較低，計算不是很復雜；但是加加速度不連續(xù)，當高精度機床對加加速度的連續(xù)性有要求時，采用傳統(tǒng)的多項式曲線就必須考慮使用五次位移曲線，從而得到二次加加速度曲線，增加了計算量和實現的復雜性?，F有技術中，對于曲線控制模型，所利用的三次多項式表達式為:位移曲線s(t)、速度曲線V(t)、加速度曲線a(t)以及加加速度J(t)曲線，分別寫成:s (t) = x0+x1t+x2t2+x3t3+x4t4V (t) = x1+2x2t+3x3t2+4x4t3a (t) = 2x2+6x3t+12x4t2J (t) = 6x3+24x4t上式中，t為加速或減速的時間。機床有一個允許的最大加速度Amax，對應一個時間tm,將其圓整為imTs(im為整數,Ts為插補周期)。根據邊界條件可以確定系數xpx2、x3和X4，(系數具體值的具體表達式省略)。由上式所獲得的加速度和加加速度的曲線圖形如圖1(橫坐標為時間t，縱坐標為加速度a(t))、圖2 (橫坐標為時間t，縱坐標為加加速度)所示。由圖1和圖2的曲線可以清楚地看到，加速度和加加速度的曲線前沿和后延都是比較陡的。在非零加速度值與零值過度期間，導致了加加速度的驟變。所以，圖2中所示的加加速度J(t)曲線(加加速度是加速度的導數)從一開始時(t = O)加加速度就上升到最大，曲線的前沿是直線上升的。而且，后延也是直線下降的。這顯然會使機床在啟動和停止時，產生較大的沖擊和振蕩，不能保證機床運行的平穩(wěn)性。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于為了保證機床在啟動或停止時，產生較小的沖擊或振蕩，即保證機床運行的平穩(wěn)性，提供一種基于三次多項式的階數較低、曲線連續(xù)、公式統(tǒng)一等特點，針對上述現有技術中的三次多項式進行修正，以獲得連續(xù)的加加速度，并且加加速度的導數值有限以及容易計算的加減速控制方法。為達到上述的目的，本發(fā)明的技術方案是:一種用于數控機床加減速的控制方法，首先對于給定的加工路徑分成微段，選定一微段，然后求出選定微段內離散時刻的加速度；根據求出的選定微段內離散時刻的加速度，將其在一段時間內的離散時刻的加速度求和取平均值作為機床實際運行的加速度；根據所得的機床實際運行的加速度計算機床實際運行的速度；再根據所得的機床實際運行的速度計算位移；機床實際運行的加加速度根據所得的加速度計算獲得；所采取的三次多項式表達式為:Bi = a(iTs) = 2x2+6x3*(iTs)+12x4*(iTs)2 (I)a' i = (a^a^!+......+^+^^+1) /L (2)= (a (iTs) +a ((1-1) Ts)+......+a ((1-L+2) Ts) +a ((1-L+1) Ts) /LY1 i = Y1 H+a' Js(3)s' i = Si h+v' Js(4)J1 i = (a' i+i~a 1 i) /Ts(5) 所述⑴式中，a i為第i個周期的加速度，Ts為插補周其月，Xp x2、X3和x4,是由邊界條件確定的系數；所述⑵式中，a' i表示第i個周期機床實際運行的加速度，是由⑴求得的離散時刻的加速度等按照(2)式求和取平均值得到a' i； (2)式中L為大于I的常數值；所述(3)式中，V' i表示第i個周期機床實際運行的速度，其中V' η為第1-1個周期的速度；所述(4)式為第i個周期的的位移s' i，其中s' η為第1-Ι個周期的位移值；所述(5)式為第i個周期的加加速度J' i。本發(fā)明的加減速的控制方法具有顯著的進步。如上述本發(fā)明的控制方法，因為本發(fā)明的機床實際運行的加速度是由離散時刻的加速度等按照⑵式求和取平均值而獲得。如上述(2)式所示。所以，獲得的加速度既不是最快，也不是最慢，而是比較平穩(wěn)的。因此，所獲得的加速度曲線上升前沿和后延都比現有技術中(圖1所示)的加速度曲線較平緩。所以，當機床在啟動或停止時，產生的沖擊或振蕩較小，能夠防止機床運行的失步和超程，保證了機床運行的平穩(wěn)性。如上述本發(fā)明的控制方法，因為本發(fā)明的機床實際運行的加速度曲線比較平緩，所以由上述(5)式獲得的加加速度曲線其上升前沿和后延更是比較緩慢，形成的曲線是連續(xù)的。如(5)式所示，加加速度的導數值有限度，由此獲得的平緩連續(xù)的加加速度曲線，更能證明本發(fā)明的控制方法能夠在機床加速啟動或減速停止時，保證機床或電機是平穩(wěn)地起動和停止。如上述本發(fā)明的控制方法，因為本發(fā)明的機床實際運行的加速度曲線比較平緩，由該加速度所獲得的機床實際運行的速度V i [如(3)式所示]也是平穩(wěn)地加速和平穩(wěn)地減速。所以，本發(fā)明的控制方法能夠有效地控制數控機床或電機的加減速度，保證數控機床或電機能夠平穩(wěn)地運行，盡量地減少了數控機床在啟動或停止時的沖擊和振蕩。


圖1是現有技術中利用三次多項式所獲得的加速度曲線圖；圖2是現有技術中利用三次多項式所獲得的加加速度曲線圖；圖3是本發(fā)明控制方法一實施例的流程圖；圖4是本發(fā)明控制方法一實施例所獲得的加速度曲線圖；圖5是本發(fā)明控制方法一實施例所獲得的加加速度曲線圖。
具體實施例方式下面結合附圖進一步說明本發(fā)明控制方法的特征。本發(fā)明加減速的控制方法的具體步驟如圖3所示的流程。第一步01，首先由所述數控機床上解釋器(在本實施例中，是G代碼解釋器)解釋在給定零件加工路徑上所設置的微段信息(可以通過CAM軟件將給定的加工路徑分成微段)，并存放于指令鏈表中；第二步02，獲取上述指令鏈表中最后一微段，并讀取該微段的長度信息；第三步03，按照(I)式求取上述選定微段內離散時刻的加速度:按照(I)式求取第i個周期的加速度。如上述( I)式為:= a(iTs) = 2x2+6x3* (iTs)+12x4* (iTs)2(I)式中，a i為第i個周期的加速度，Ts為插補周期，X1、X2、X3和X4，是由邊界條件確定的系數(在本實施例中，先按照現有技術中的三次多項式速度曲線規(guī)劃上述所選定的微段，以取得由邊界條件確定的這4個系數Xl、x2、x3, X4值)；第四步04，按照(2)式求取第i個周期機床實際運行的加速度:按照所述(2)式對于上述所獲得的一段時間內(可選取在一段時間的區(qū)間內)離散時刻的加速度Qi求和取得平均值a',作為第i個周期機床實際運行的加速度并獲取機床實際運行的加速度曲線(如圖4所示)。所述⑵式為:a' i = (aj+a^j+......+a1-L+2+a1-L+i) /L (2)= (a (iTs) +a ((1-1) Ts)+......+a ((1-L+2) Ts) +a ((1-L+1) Ts) /L(2)式中，L為大于I的常數值，在本實施例中，L設置為16 32 ;第五步05，按照(3)式求取第i個周期機床實際運行的速度:根據上述獲得的第i個周期機床實際運行的加速度，按照所述(3)式求取第i個周期機床實際運行的速度V i，所述(3)式為V' i = V' i_1+a/ Js, (3)式中，V η為第1-Ι個周期的速度，在本實施例中，初始條件設為i = 1，則在初始條件下的速度為V' 1-1 = 。= 0;第六步06，按照(4)式求取第i個周期的位移:根據上述第五步所得的第i個周期的機床實際運行的速度V, i，按照(4)式計算第i個周期的位移，并將其位移傳送給所述數控機床作為下個周期的位移。所述⑷式為s' i = Sf i_1+v/ Js, (4)其中V η為第1-Ι個周期的位移。在本實施例中，初始條件設為i = 1，則在初始條件下的S ' H = S'。= O ;第七步07，判斷上述所得位移點是否超出當前所選定的微段，如果已超出當前所選定的微段，進行下一步；如果沒有超出當前所選定的微段，則i = i+Ι，返回第四步04 ；第八步08，當前所選定的微段是否位于指定鏈表的頭部，如果當前所選定的微段不是位于指定鏈表的頭部，則讀取指定鏈表中當前所選定微段的前一微段的長度信息，返回第三步03 ;如果是位于指定鏈表的頭部，則結束。圖4是上述第四步04所獲取的機床實際運行的加速度曲線。該圖4中的加速度曲線與上述現有技術中所獲得的圖1所示的加速度曲線進行比較。顯然，圖4中的加速度曲線的前沿比圖1中加速度曲線的前沿上升的比較緩慢；同樣，圖4中的加速度曲線的后延也比圖1中加速度曲線的后延下降得緩慢。圖5是所獲取的機床實際運行的加加速度J' i的曲線，按照(5)式求取第i個周期的機床實際運行的加加速度:根據上述獲得的第i個周期的機床實際運行的加速度，按照所述(5)式求取第i個周期的機床實際運行的加加速度J' i，并獲取加加速度曲線(如圖5所示)。所述(5)式為:Γ i=(a' i+1_a' ^/Ts (5)圖5中所顯示的加加速度J' i的曲線是連續(xù)的。該圖5的加加速度曲線與上述現有技術中所獲得的圖2所示的加加速度曲線進行比較，更突顯出圖5加加速度曲線的前沿是緩慢上升的，而圖2的加加速度曲線的前沿是直線上升的；同樣，圖5加加速度曲線后延是緩慢下降的，而圖2加加速度曲線的后延是直線下降的。如上所述，由本發(fā)明控制方法獲得的加速度曲線(圖4示)和加加速度曲線(圖5示)與現有技術所獲得的加速度曲線(圖1示)和加加速度曲線(圖2示)的比較，可以證明本發(fā)明的控制方法能夠在機床加速啟動或減速停止時，保證機床或電機是平穩(wěn)地起動和停止。能夠防止機床運行的失步和超程，以及能夠保證機床運行的平穩(wěn)性。
權利要求
1.一種用于數控機床加減速的控制方法，首先對于給定的加工路徑分成微段，選定一微段，然后求出選定微段內離散時刻的加速度，求取離散時刻的加速度表達式為(I)式:ai = a(iTs) = 2x2+6x3*(iTs)+12x4*(iTs)2 (I) 所述⑴式中，ct i為第i個周期的離散時刻的加速度，Ts為插補周期，Xp x2、X3和x4,是由邊界條件確定的系數； 其特征在于: 根據(I)式求出的選定微段內離散時刻的加速度，將其在一段時間內的離散時刻的加速度求和取平均值作為機床實際運行的加速度；根據所得的機床實際運行的加速度計算機床實際運行的速度；再根據所得的機床實際運行的速度計算位移；機床實際運行的加加速度根據所得的機床實際運行的加速度計算獲得:所采取的三次多項式表達式為: a i — ( + -;!+......+a1-L+2+a1-L.1) /L (2)=(a (iTs) +a ((1-1) Ts)+......+a ((1-L+2) Ts) +a ((1-L+1) Ts) /L V' i = v' 1-1+a/ Js(3) s' i = s, i_1+v/ Js(4)i = (a' i+1-a/ i)/Ts(5) 所述(2)式中，a' i表示第i個周期機床實際運行的加速度，是由(I)求得的離散時刻的加速度按照(2)式求和取平均值得到a' y (2)式中L為大于I的常數值； 所述(3)式中，V' i表示第i個周期機床實際運行的速度，其中V η為第1-Ι個周期機床實際運行的速度； 所述⑷式為第i個周期的位移s' i，其中s' η為第1-Ι個周期的位移； 所述(5)式為第i個周期的加加速度J' i。
2.根據權利要求1所述的用于數控機床加減速的控制方法，其特征在于，控制方法的具體步驟是: 第一步，首先由所述數控機床上解釋器解釋給定零件加工路徑上所設置的微段信息，并存放于指令鏈表中； 第二步，獲取上述指令鏈表中最后一微段，并讀取該微段的長度信息； 第三步，按照(I)式求取上述選定微段中的離散時刻的加速度； 第四步，按照(2)式求取第i個周期機床實際運行的加速度:按照所述(2)式對于上述獲得的第i個周期的一段時間內的離散時刻的加速度Cii求和取得平均值a' i作為第i個周期機床實際運行的加速度并獲取機床實際運行的加速度曲線；第五步，按照(3)式求取第i個周期機床實際運行的速度:根據上述獲得的第i個周期的機床實際運行的加速度，按照所述(3)式求取第i個周期的機床實際運行的速度V i ；第六步，按照(4)式求取第i個周期的位移:根據上述第五步所得的第i個周期機床實際運行的速度V, i，按照(4)式計算第i個周期的位移，并將其位移傳送給所述數控機床作為下個周期的位移； 第七步，判斷上述所得位移點是否超出當前所選定的微段，如果已超出當前所選定的微段，進行下一步；如果沒有超出當前所選定的微段，則i = i+Ι，返回第四步； 第八步，當前所選定的微段是否位于指定鏈表的頭部，如果當前所選定的微段不是位于指定鏈表的頭部，則讀取指定鏈表中當前所選定微段的前一微段的長度信息，返回第三步；如果是位于指定鏈表的頭部，則結束。
3.根據權利要求1所述的用于數控機床加減速的控制方法，其特征在于，所述(2)式中，大于I的常數值L設置為16 32。
4.根據權利要求1所述的用于數控機床加減速的控制方法，其特征在于，所述(3)式中，初始條件設為i = I，則在初始條件下的速度為V' H = V' ^ = 0。
5.根據權利要求1所述的用于數控機床加減速的控制方法，其特征在于，所述(4)式中，初始條件設為 i = I，則在初始條件下的位移s' H = S' ^ = 0。
全文摘要
一種用于數控機床加減速的控制方法，首先對于給定的加工路徑分成微段，選定一微段，然后求出選定微段內離散時刻的加速度；根據求出的選定微段內離散時刻的加速度，將其在一段時間內的離散時刻的加速度求和取平均值作為機床實際運行的加速度；根據所得的機床實際運行的加速度計算機床實際運行的速度；再根據所得的機床實際運行的速度計算位移；機床實際運行的加加速度根據所得的加速度計算獲得。所獲得的實際加速度曲線上升前沿和后延都比較平緩。能夠在機床啟動或停止時，產生的沖擊或振蕩較小，能夠防止機床運行的失步和超程，保證了機床運行的平穩(wěn)性。
文檔編號G05B19/416GK103163838SQ20111042758
公開日2013年6月19日 申請日期2011年12月19日 優(yōu)先權日2011年12月19日
發(fā)明者趙偉, 王龍文, 張曉輝 申請人:上海三一精機有限公司