專利名稱：數(shù)控加工中的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃器及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)控加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種數(shù)控加工中的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃器及其在云端數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
數(shù)控機(jī)床是一種高效、自動(dòng)化的機(jī)床，由機(jī)床本體和數(shù)控系統(tǒng)兩部分組成。機(jī)床本體主要由床身、立柱、工作臺(tái)、導(dǎo)軌等基礎(chǔ)件和刀庫(kù)、刀架等配套件組成，為敘述方便，以下將機(jī)床本體簡(jiǎn)稱為機(jī)床。數(shù)控系統(tǒng)是一種程序控制系統(tǒng)，包括數(shù)控裝置、驅(qū)動(dòng)、電機(jī)(馬達(dá))，其中數(shù)控裝置包括人機(jī)界面、參數(shù)設(shè)置、代碼輸入器、解釋器、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃器、軸運(yùn)動(dòng)控制器，以及附加的加值軟件等模塊。圖I是目前一般數(shù)控系統(tǒng)的架構(gòu)圖，標(biāo)示了數(shù)控裝置內(nèi)的主要模塊。其中，人機(jī)界面模塊負(fù)責(zé)用戶與數(shù)控裝置之間的交互，參數(shù)設(shè)置模塊用于設(shè)置數(shù)控裝置運(yùn)行時(shí)的參數(shù)，代碼輸入器主要負(fù)責(zé)數(shù)控加工程序、控制參數(shù)、補(bǔ)償數(shù)據(jù)等的輸入，解 釋器主要對(duì)數(shù)控加工程序的程序段進(jìn)行譯碼處理，運(yùn)動(dòng)規(guī)劃器主要完成速度處理以及插補(bǔ)運(yùn)算，軸運(yùn)動(dòng)控制器主要負(fù)責(zé)位置控制，加值軟件則是一些實(shí)現(xiàn)附加功能的軟件模塊，例如刀具軌跡的仿真等。圖2是近年來(lái)流行的數(shù)控系統(tǒng)新架構(gòu)，其將數(shù)控裝置拆成上、下位機(jī)；下位機(jī)包含實(shí)時(shí)操作有關(guān)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃器與軸運(yùn)動(dòng)控制器，其他的模塊放在上位機(jī)。在數(shù)控裝置模塊中，運(yùn)動(dòng)規(guī)劃器是高檔數(shù)控系統(tǒng)最關(guān)鍵的技術(shù)。數(shù)控裝置在開(kāi)始加工時(shí)，會(huì)從數(shù)控裝置外部輸入直接用于加工的程序，該程序稱為數(shù)控加工程序，因該程序代碼中通常含有較多的字符G，故又被稱為G代碼，在一般的G代碼中，通過(guò)給定點(diǎn)的坐標(biāo)的形式給出了運(yùn)動(dòng)軌跡上的一系列點(diǎn)即序列點(diǎn)，如圖3所示。數(shù)控裝置所讀入的數(shù)控加工G代碼(刀具軌跡)包含軸運(yùn)動(dòng)的軌跡，但不含速度信息。運(yùn)動(dòng)規(guī)劃器的主要功能是計(jì)算每一時(shí)刻運(yùn)動(dòng)軌跡上的時(shí)間坐標(biāo)，從而進(jìn)一步得到速度信息，之后再使用時(shí)間坐標(biāo)將運(yùn)動(dòng)軌跡做離散處理。第一步關(guān)于時(shí)間坐標(biāo)的計(jì)算通稱為速度規(guī)劃，而運(yùn)動(dòng)軌跡的時(shí)間坐標(biāo)離散化通稱為運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)。為了計(jì)算上的方便，速度的計(jì)算與運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)間坐標(biāo)的離散化通常結(jié)合在一起；換言之，速度規(guī)劃與運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)算法有密切關(guān)系。將運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行離散化處理的過(guò)程稱為插補(bǔ)，離散所得的點(diǎn)稱為離散插補(bǔ)點(diǎn)。相鄰的離散插補(bǔ)點(diǎn)之間的時(shí)間差是固定的，稱為插補(bǔ)周期。插補(bǔ)周期的大小取決于軸運(yùn)動(dòng)控制器的能力，越高端的軸運(yùn)動(dòng)控制器其插補(bǔ)周期越短。運(yùn)動(dòng)規(guī)劃器的功能與加工精度、時(shí)間以及工件表面光滑度有密切的關(guān)系。高檔數(shù)控系統(tǒng)在做運(yùn)動(dòng)規(guī)劃時(shí)會(huì)考慮機(jī)床的速度、加速度、與抖動(dòng)(jerk)的限制，同時(shí)對(duì)最短時(shí)間做優(yōu)化。實(shí)時(shí)性的優(yōu)化需要對(duì)刀具軌跡做前瞻，高度的優(yōu)化必須具備高量的前瞻能力，對(duì)內(nèi)存量與內(nèi)核速度的要求較高。此處所說(shuō)的前瞻是指數(shù)控裝置在G代碼執(zhí)行以前預(yù)先計(jì)算出各程序段的運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)速度。云計(jì)算是一類信息化技術(shù)，云計(jì)算通過(guò)網(wǎng)絡(luò)在遠(yuǎn)程提供計(jì)算以及數(shù)據(jù)的服務(wù)，而用戶端可以不需要知道遠(yuǎn)程服務(wù)的來(lái)源。目前云計(jì)算在車間的使用還在起步階段，且集中在對(duì)數(shù)控系統(tǒng)與機(jī)床的遠(yuǎn)程監(jiān)控及數(shù)據(jù)服務(wù)方面。在車間云計(jì)算的架構(gòu)設(shè)計(jì)上，目前的方法都是將數(shù)控系統(tǒng)與機(jī)床綁成云架構(gòu)里的同一單元。換言之，數(shù)控系統(tǒng)與機(jī)床之間不經(jīng)過(guò)云架構(gòu)相連，如圖4所示。在申請(qǐng)?zhí)枮?01210205272. 6的中國(guó)專利文獻(xiàn)提出將數(shù)控裝置的主要部分移到云端，其包括兩個(gè)模式服務(wù)式與本地式云端數(shù)控。服務(wù)式云端數(shù)控是將整個(gè)上位機(jī)移到遠(yuǎn)程服務(wù)器電腦，形成一個(gè)云端的上位機(jī)，與下位機(jī)和機(jī)床經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)連接，如圖5所示。在此架構(gòu)下，一個(gè)上位機(jī)可以接數(shù)個(gè)下位機(jī)。本地式云端數(shù)控保留本地(機(jī)床旁)上位機(jī)提供操作相關(guān)的人機(jī)界面與參數(shù)設(shè)置，而將其余的模塊移到云端，如圖6所示。在此架構(gòu)下，操作人員感覺(jué)與傳統(tǒng)的數(shù)控沒(méi)有不同，唯一的差別是內(nèi)部的計(jì)算都是在運(yùn)端的上位機(jī)完成。無(wú)論是傳統(tǒng)架構(gòu)或云端數(shù)控架構(gòu)，運(yùn)動(dòng)規(guī)劃器都是放在本地下位機(jī)，如圖2、5及圖6所示。這是因?yàn)槟壳耙话銛?shù)控系統(tǒng)都是在機(jī)床進(jìn)行加工時(shí)，需要實(shí)時(shí)地做運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，而所有要求實(shí)時(shí)性的工作必須放在下位機(jī)以避免網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間延遲與網(wǎng)絡(luò)故障的可能性。這種方式有下述缺點(diǎn) (I)在加工實(shí)時(shí)性這一要求的限制下，無(wú)法做較復(fù)雜的優(yōu)化計(jì)算。(2)加工實(shí)時(shí)性計(jì)算對(duì)內(nèi)核的速度與緩存(cache)的要求較高，從而增加了成本。(3)將運(yùn)動(dòng)規(guī)劃器放置在下位機(jī)，大大地降低了其開(kāi)放性與配置在云端的可能性。盡管中國(guó)專利CN100412736C公開(kāi)的一種技術(shù)方案中采用非實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方式，即其將運(yùn)動(dòng)規(guī)劃器的工作(包括速度規(guī)劃與運(yùn)動(dòng)插補(bǔ))在實(shí)際加工之前先完成，將結(jié)果數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在電子媒介，然后在實(shí)時(shí)加工時(shí)直接調(diào)用預(yù)先儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)。但是，該技術(shù)方案不能適用于遠(yuǎn)程或云端數(shù)控系統(tǒng)的架構(gòu)而且，對(duì)于如果實(shí)時(shí)加工時(shí)發(fā)生人為干涉(如人為暫停)等外部影響因素時(shí)，該方法不能進(jìn)行有效處理。
發(fā)明內(nèi)容針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的之一在于提供一種數(shù)控加工中的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法，采用曲線擬合與速度規(guī)劃結(jié)合的方法，解決傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)中曲線擬合及速度規(guī)劃效果不好或?qū)崟r(shí)性不足的問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的該目的所采用的具體技術(shù)方案如下一種數(shù)控加工中的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法，在對(duì)G代碼序列點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合的同時(shí)，獲得加工速度的規(guī)劃函數(shù)，具體包括對(duì)數(shù)控系統(tǒng)中的解釋器產(chǎn)生的G代碼序列點(diǎn)ri(i=0，…，N-1)進(jìn)行擬合處理，擬合得到連續(xù)的刀具軌跡曲線r (u) (ue
);其中，i為G代碼序列點(diǎn)的序號(hào)，N為G代碼序列點(diǎn)的總數(shù)目，i的取值范圍為
，u為軌跡曲線里參數(shù)。軌跡曲線里的參數(shù)U代表一個(gè)抽象值，不具備物理意義，它是數(shù)學(xué)表達(dá)的一種方式。具體到本發(fā)明中，u是與時(shí)間密切相關(guān)的，其既可以是時(shí)間，也可以是時(shí)間的函數(shù)。根據(jù)加工總時(shí)間T獲得規(guī)劃函數(shù)σ (U)=du/dt ；根據(jù)上述刀具軌跡曲線r (U)和規(guī)劃函數(shù)σ (U)，利用數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)周期At進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，獲得軌跡曲線r(u)上的各離散插補(bǔ)點(diǎn)，即可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃；其中插補(bǔ)運(yùn)算公式為Ujtl-Uj = ο (uj+1+Uj/2) At
式中，j為插補(bǔ)后所得離散插補(bǔ)點(diǎn)的序號(hào)，Uj為第j個(gè)離散插補(bǔ)點(diǎn)在曲線r(u)上的參數(shù)，j為整數(shù)，從零開(kāi)始到一個(gè)具體的整數(shù)結(jié)束，這個(gè)具體的整數(shù)是j的上限值，其大小依具體的數(shù)控系統(tǒng)和加工精度而定，但不可能是無(wú)窮大的。作為該技術(shù)方案的改進(jìn)，所述規(guī)劃函數(shù)σ (U)通過(guò)求解加工時(shí)間積分的最小值得到
權(quán)利要求
1.一種數(shù)控加工中的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法，在對(duì)G代碼序列點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合的同時(shí)，獲得加工的規(guī)劃函數(shù)，其具體包括 對(duì)數(shù)控系統(tǒng)中的解釋器產(chǎn)生的G代碼序列點(diǎn)ri進(jìn)行擬合處理，擬合得到連續(xù)的刀具軌跡曲線r (U);其中，i為G代碼序列點(diǎn)的序號(hào)，i的取值范圍為[O，N-1], N為G代碼序列點(diǎn)的總數(shù)目，u為軌跡曲線的參數(shù)； 根據(jù)加工總時(shí)間T獲得規(guī)劃函數(shù)0 (U)； 根據(jù)上述刀具軌跡曲線r (U)和規(guī)劃函數(shù)0 (U)，利用數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)周期At進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，獲得軌跡曲線r(u)上的各離散插補(bǔ)點(diǎn)，即可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的數(shù)控加工中的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法，其特征在于，所述的插補(bǔ)運(yùn)算公式為 Uj+1-Uj= O (uj+1+Uj/2) At 式中，j為離散插補(bǔ)點(diǎn)的序號(hào)，+為第j個(gè)離散插補(bǔ)點(diǎn)在刀具軌跡曲線r (u)上的參數(shù)，uJ+1為第j+1個(gè)離散插補(bǔ)點(diǎn)在刀具軌跡曲線r (u)上的參數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的數(shù)控加工中的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法，其特征在于，所述規(guī)劃函數(shù)O (u)通過(guò)求解下列加工時(shí)間積分的最小值得到 其中T是數(shù)控加工運(yùn)行時(shí)間的總和。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的數(shù)控加工中的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法，其特征在于，在任一參數(shù)為+的離散插補(bǔ)點(diǎn)處規(guī)劃的速度被減速或暫停時(shí)，可利用加速度插補(bǔ)進(jìn)行速度提升，以恢復(fù)到規(guī)劃好的速度，該加速度插補(bǔ)具體為 首先，計(jì)算該參數(shù)為的離散插補(bǔ)點(diǎn)處的瞬間運(yùn)動(dòng)速度 其次，根據(jù)得到的參數(shù)為+的離散插補(bǔ)點(diǎn)處的瞬間運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算下一瞬間加速后相應(yīng)的弧長(zhǎng)Arj+1 進(jìn)一步得到該參數(shù)為Uj的離散插補(bǔ)點(diǎn)與后一參數(shù)為uj+1的離散插補(bǔ)點(diǎn)之間的參數(shù)區(qū)間長(zhǎng)度A uJ+1 由+與Up1計(jì)算之后的離散插補(bǔ)點(diǎn)的參數(shù)++2，…，Upk，直到兩離散插補(bǔ)點(diǎn)的參數(shù)uj+k_i和I^k之間的區(qū)間長(zhǎng)度滿足 AuJ+k^ O ((Uj+k+Un)/^) At時(shí)，即可在該參數(shù)為uj+k的離散插補(bǔ)點(diǎn)處恢復(fù)到規(guī)劃好的速度函數(shù)； 其中，j為離散插補(bǔ)點(diǎn)的序號(hào)，+為第j個(gè)離散插補(bǔ)點(diǎn)在刀具軌跡曲線r (U)上的參數(shù)，uJ+1為第j+1個(gè)離散插補(bǔ)點(diǎn)在刀具軌跡曲線r (u)上的參數(shù)，r (up表示第j個(gè)離散插補(bǔ)點(diǎn)在刀具軌跡曲線上的坐標(biāo)，r(uj-1)表示第j_l個(gè)離散插補(bǔ)點(diǎn)在刀具軌跡曲線上的坐標(biāo)，At為插補(bǔ)周期，表示r(up與r(i^-l)之間的曲線段的弧長(zhǎng)，a是機(jī)床的加速度極限。
5.一種數(shù)控加工中的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃器，用于完成數(shù)控加工的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，其特征在于，該運(yùn)動(dòng)規(guī)劃器包括 擬合運(yùn)動(dòng)規(guī)劃器，其具有軌跡曲線擬合器和速度函數(shù)規(guī)劃器，其中，所述軌跡曲線擬合器用于將數(shù)控系統(tǒng)中的解釋器產(chǎn)生的G代碼序列點(diǎn)進(jìn)行擬合處理，以擬合得到連續(xù)的刀具軌跡曲線，所述速度函數(shù)規(guī)劃器用于計(jì)算并獲得與所述刀具軌跡曲線對(duì)應(yīng)的規(guī)劃函數(shù)； 離散運(yùn)動(dòng)規(guī)劃器，其具有固定插補(bǔ)器，該固定插補(bǔ)器根據(jù)所述刀具軌跡曲線和規(guī)劃函數(shù)，利用數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)周期At進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，獲得軌跡曲線r(u)上的各離散插補(bǔ)點(diǎn)，完成運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種數(shù)控加工中的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃器，其特征在于，所述規(guī)劃函數(shù)O(u)通過(guò)求解下列加工時(shí)間積分的最小值得到 其中T是數(shù)控加工運(yùn)行時(shí)間的總和。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的數(shù)控加工中的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法，其特征在于，所述固定插補(bǔ)器進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算的公式為 Uj+1-Uj= O (uj+1+Uj/2) At 式中，j為離散插補(bǔ)點(diǎn)的序號(hào)，+為第j個(gè)離散插補(bǔ)點(diǎn)在刀具軌跡曲線r (u)上的參數(shù)，uJ+1為第j+1個(gè)離散插補(bǔ)點(diǎn)在刀具軌跡曲線r(u)上的參數(shù)，At為數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)周期。
8.根據(jù)權(quán)利要求5-7之一所述的數(shù)控加工中的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法，其特征在于，該運(yùn)動(dòng)規(guī)劃器還包括加速插補(bǔ)器，用于在規(guī)劃的速度被減速或暫停時(shí)，利用該加速插補(bǔ)器將速度提升到規(guī)劃的速度。
9.一種云端數(shù)控系統(tǒng)，其具有上述權(quán)利要求5-8之一所述的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃器，其特征在于，所述運(yùn)動(dòng)規(guī)劃器的擬合運(yùn)動(dòng)規(guī)劃器設(shè)置在云端上位機(jī)上。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種云端數(shù)控系統(tǒng)，其特征在于，所述云端數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控裝置包括上位機(jī)和下位機(jī)，所述運(yùn)動(dòng)規(guī)劃器的離散運(yùn)動(dòng)規(guī)劃器設(shè)置在所述數(shù)控裝置的下位機(jī)上。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種數(shù)控加工中的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)加工速度函數(shù)的規(guī)劃，具體包括對(duì)數(shù)控系統(tǒng)中的解釋器產(chǎn)生的G代碼序列點(diǎn)進(jìn)行擬合處理，擬合得到連續(xù)的刀具軌跡曲線；計(jì)算與刀具軌跡曲線對(duì)應(yīng)的規(guī)劃函數(shù)；根據(jù)刀具軌跡曲線和規(guī)劃函數(shù)，利用數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)周期進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，獲得軌跡曲線上的各離散點(diǎn)，即可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。本發(fā)明還公開(kāi)了一種數(shù)控加工中的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃器以及具有該運(yùn)動(dòng)規(guī)劃器的云端數(shù)控系統(tǒng)。本發(fā)明采用曲線擬合與速度規(guī)劃結(jié)合的方法，簡(jiǎn)化并加快了計(jì)算步驟和計(jì)算時(shí)間，加速度與抖動(dòng)的優(yōu)化更好，而且計(jì)算所得到的速度函數(shù)是連續(xù)的，比離散的速度規(guī)劃要更準(zhǔn)確，從而可以解決傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)中曲線擬合及速度規(guī)劃效果和實(shí)時(shí)性不好的問(wèn)題。
文檔編號(hào)G05B19/41GK102809945SQ20121027976
公開(kāi)日2012年12月5日 申請(qǐng)日期2012年8月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月8日
發(fā)明者李振瀚, 陳吉紅, 楊建中, 張敏 申請(qǐng)人:武漢華中數(shù)控股份有限公司