專利名稱：用于數(shù)控設備控制系統(tǒng)的s形加減速控制的速度規(guī)劃方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)控領(lǐng)域，具體涉及一種用于數(shù)控設備控制系統(tǒng)的S形加減速控制方法。
背景技術(shù)：
數(shù)控機床可以分為機床和控制系統(tǒng)(包括控制器等)兩部分。機床就如人的身體，控制系統(tǒng)就如人的大腦和靈魂。兩部分各成體系又密不可分。 數(shù)控機床的控制系統(tǒng)，數(shù)控機床的核心部分，是大腦與靈魂。有了好的床身就現(xiàn)有了好的身體。要想讓他動起來，這就需要給它一個聰明的大腦，純凈的靈魂。目前的控制系統(tǒng)一般由三部分組成，一、驅(qū)動器二、變頻器三、雕刻控制器及上位機軟件。I、驅(qū)動器，它的功能是接受控制器提供的脈沖信號，來驅(qū)動步進電機運動。驅(qū)動器的最主要功能之一就是脈沖細分。步進電機每得到一個完整的方波脈沖信號，就會產(chǎn)生一個固定的步腳。以常見的兩相混合電機為例。電機每得到一個脈沖信號就會產(chǎn)生一個I. 80的步角。電機旋轉(zhuǎn)一周需要200步。但當驅(qū)動器八細分后，每轉(zhuǎn)一周就需要200*8=1600步。再由此推知，當傳導裝置每轉(zhuǎn)一圈的直線位移為IOmm時,脈沖當量為10mm/1600脈沖=0. 00625mm/脈沖。這也就是這臺機子的理論最小雕刻精度。2、變頻器，它的主要功能是接受控制器信號，輸出高速脈沖的裝置。大家都知道，我們國家現(xiàn)在用的市電是50HZ，變頻器的主要作用是通過調(diào)整供電頻率來調(diào)整主軸的運行速度。3、控制器，也就是控制系統(tǒng)中的核心部分。它的主要功能是執(zhí)行計算機軟件命令，并控制變頻器，驅(qū)動器工作。為了實現(xiàn)工件上加工的高精度，在拐角程序段之間的運動控制中必須進行加減速處理，以保證機床在起動或停止或變速時不產(chǎn)生沖擊、失步、超程或振蕩。尤其是高速高精度加工(例如應用在高速高精度雕刻機控制器上，由于高速加工時間縮短、間隙縮短，機床運動啟停頻繁，如果僅從時間上去考慮縮短過度過程，而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(jié)構(gòu)帶來很大沖擊，輕者使其難以正常工作，重者將對機床零部件造成損傷，減少數(shù)控機床的壽命。目前，在數(shù)控機床上常用的加減速控制方法有以下兩種
I) T型加減速(又稱直線型加減速)，即在加工過程中，加速度的值是不變的，該方法算法簡單，機床響應快，但是在加減速階段的起點和終點處加速度有突變，機床運動存在柔性沖擊。尤其對于執(zhí)行機構(gòu)非常龐大，執(zhí)行機構(gòu)慣量大的設備(例如數(shù)控雕刻機)，使用T型加速度，特別容易造成機器的運動沖擊，降低設備使用壽命。2)S形速度加減，即在加工過程中，根據(jù)路徑的不同，對加速度進行變化，這樣就可以很好的避免機器因笨重而產(chǎn)生的抖動和沖擊，提高機器的運動平穩(wěn)性，提高加工效率。然而傳統(tǒng)S形速度前瞻算法涉及巨量的計算，因為從數(shù)學關(guān)系式上可知如果以S形速度曲線輸出運動，那么距離(S)將是時間(t)的三次方。這樣導致按照傳統(tǒng)的處理方法，巨量的計算將導致運動輸出控制無法滿足實時性的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服了現(xiàn) 有技術(shù)的不足，因此上述技術(shù)問題，參考并引入了準直線的解決思想。首先根據(jù)輸入的矢量線段進行準直線計算，當準直線條件滿足則產(chǎn)生一條準直線，如此順序產(chǎn)生準直線鏈表。當準直線鏈表固定后，采取遍歷算法再對準直線進行計算以便于硬件輸出。這樣有效的減少了數(shù)據(jù)的處理數(shù)量，提高了數(shù)據(jù)的處理能力，
為解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案
一種用于數(shù)控設備控制系統(tǒng)的S形加減速控制的速度規(guī)劃方法，針對控制對象的動態(tài)特性，引入“準直線”概念，所述的準直線是指一條或多條線段的組合，每條準直線包含一個完整的S型升降速過程；在準直線內(nèi)，所有兩條線段的交點速度都小于允許速度Vc，則將這多條線段作為一條“準直線”來看待和計算；描述準直線的重要參數(shù)有起始速度Vb，末速度Ve、最高速度、長度——各線段的矢量長度之和，當這4個參數(shù)確定后，就可以確定一條S型速度準直線了 ；把所有的準直線組成一個鏈表，鏈表中的前一條準直線的末速度是后一條準直線的起始速度；并完成以下步驟
步驟I :根據(jù)需要，設置矢量線段的低速、高速、加速度、加加速度、拐彎速度；
步驟2，根據(jù)輸入的矢量線段計算出準直線允許速度Vc ；
步驟3，判斷是否滿足準直線條件，滿足則產(chǎn)生一條準直線，并按順序加入到準直線鏈表中；
步驟4，當準直線鏈表固定后，采取遍歷算法分別計算出每條準直線的最高速度，每一條準直線都是一條具有完整加減速的S型曲線；
步驟5，通過FPGA程序來完成準直線插補任務，并將準直線的脈沖通過電子齒輪分配到各個實際運動軸，將數(shù)字信息轉(zhuǎn)化為控制電機運動的電氣信號。更進一步的是
所述的步驟I具體包括根據(jù)每兩條線段的交點坐標((xl，yl)，(x2,y2), (x3，y3))采用公式Vc=sqrt (r*Aa)，計算出允許速度Vc ;其中參數(shù)Aa為外部輸入拐彎加速度。此參數(shù)需要根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試獲取，參數(shù)r為兩條直線的曲率半徑。所述的步驟3具體包括以下步驟
假設曲線由線段AB、線段BC、線段⑶、線段DE……組成，
步驟3-1，將首段直線AB先作為一條準直線stdl，準直線stdl的起始速度為Vb，步驟3-2，將準直線stdl看作是一條線段，與線段BC交點處的允許速度Vc進行準直線判定；
按照S型速度曲線的加速模型公式計算出準直線從Vb升速到Vc所需要的矢量長度Len,如果矢量長度Len小于線段AB和線段BC的長度和，則將線段AB和線段BC作為準直線stdl，否則僅將線段AB作為準直線stdl ；
步驟3-3，步驟3-2中得到的準直線stdl當作一條線段和下一條線段繼續(xù)作準直線判定；如果不滿足準直線判定條件，則將準直線stdl加入到準直線鏈表中作為第一條準直線，同時將準直線stdl之后的第一條線段先作為準直線std2，將Vc設置為stdl的結(jié)束速度Ve，準直線std2的起始速度Vb為上一條準直線的結(jié)束速度Ve ；
步驟3-4，將準直線std2與其后的線段做上述步驟3-2、3-3 一樣做準直線判定，如此遍歷所有的線段，將所有的線段都轉(zhuǎn)化為準直線stdl、準直線std2、準直線std3……。判定是否一條或多條線段是否能構(gòu)成一條準直線時，采用以下S型加減速的加減速模型距離計算公式進行判定
升速時
當 Vc_Vb>= 2*fVsa 時,米用 Len = (Vc+Vb) * (Vc_Vb+2*fVsa) / (2*fAcc),計算升速所需要的矢量長度Len ；
當 Vc_Vb〈 2*fVsa 時,采用 Len = (Vc+Vb) *my_sqrt ((Vc-Vb) /f J)計算升速所需要 的矢量長度Len ；
降速時
當 Vb_Vc>= 2*fVsa 時,米用 Len = (Vc+Vb) * (Vb-Vc+2*fVsa) / (2*fAcc)計算降速所需要的矢量長度Len ；
當 Vb_Vc〈 2*fVsa 時,采用 Len = (Vc+Vb) *my_sqrt ((Vb-Vc) /f J)計算降速所需要的矢量長度Len ；
上述公式中，Vc為拐點允許速度，Vb為開始速度，fVsa =fAcc2/(2*fJ) ;FAcc為加速度，fj為加加速度。所述的步驟3需要計算每一條準直線采用S型曲線的最高速度，具體步驟如下根據(jù)準直線的起始速度、結(jié)束速度、準直線長度和S型曲線的升降速模型計算公式，計算本條準直線能達到的最高速度，計算方法根據(jù)升降速模型的公式，把不同的最高速度值Vh’代入公式分別計算出該最高速需要的準直線長度，再與準直線的原始長度比較，如果兩者相等則此速度為本準直線的最高速度，如果不等則需要從新取值再計算繼續(xù)比較，Vh’的取值原則是從準直線的起始速度逐漸往上累加，以整數(shù)為最小單位。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是
I、應用于S形速度控制，這樣就可以很好的避免機器因笨重而產(chǎn)生的抖動和沖擊，提高機器的運動平穩(wěn)性，提高加工效率。2、引入了準直線的解決思想。首先根據(jù)輸入的矢量線段進行準直線計算，當準直線條件滿足則產(chǎn)生一條準直線，如此順序產(chǎn)生準直線鏈表。當準直線鏈表固定后，采取遍歷算法再對準直線進行計算以便于硬件輸出。這樣有效的減少了數(shù)據(jù)的處理數(shù)量，提高了數(shù)據(jù)的處理能力。


圖I為S型速度曲線 圖2為圖I中一段曲線局部放大后的形狀；
圖3為本發(fā)明準直線鏈表圖。
具體實施方式
在詳細敘述本發(fā)明的具體實施方式
之前先來介紹一下有關(guān)S形曲線技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容。S形速度計算方法是當前項目的關(guān)鍵技術(shù)，算法目標是要求控制加速度變化的連續(xù)性以達到速度平滑過渡保證機械平穩(wěn)。由于現(xiàn)實加工過程的曲線都是任意的軌跡，因此控制器運動輸出的速度曲線不是完整的S形曲線，一般一次加工輸出的速度曲線都是由無數(shù)條S形速度曲線銜接構(gòu)成。如圖I所示
從圖I上可知距離(S)將是時間(t)的三次方的關(guān)系式，相對于T型加減速控制模式關(guān)系式多了一次方。因此速度前瞻過程加速度的變化導致我們無法延用梯形加減速前瞻的模式?？梢酝频镁嚯x(S)將是時間(t)的三次方的關(guān)系式，相對于梯形加減速控制模式 關(guān)系式多了一次方。因此速度前瞻過程加速度的變化導致我們無法延用梯形加減速前瞻的模式，針對這種變化引入準直線的解決思想。首先根據(jù)輸入的矢量線段進行準直線計算，當準直線條件滿足則產(chǎn)生一條準直線，如此順序產(chǎn)生準直線鏈表。當準直線鏈表固定后，采取遍歷算法再對準直線進行計算以便于硬件輸出，每一條準直線都是一條具有完整升降速的S型曲線。速度前瞻算法的基本思想是實現(xiàn)多段程序之間的速度平滑控制，即由單段指令的低速-加速-勻速-減速-低速平滑成多段指令的低速-加速-勻速-減速-低速。算法的基本原理是兩相鄰運動矢量的加工速度變化不超出系統(tǒng)承受的極限值，計算出拐點處的允許速度，并根據(jù)該允許速度提前判斷減速點，實現(xiàn)對整段加工軌跡進給速度的自動控制。如圖2所示為一段曲線局部放大后的形狀。若整個運動過程中矢量速度大小為一個常值，那么B、C、D點處會因為矢量速度方向發(fā)生變化而產(chǎn)生加速度al，a2, a3，且三者滿足關(guān)系al>a2>a3。若要使得三點處加速度小于或等于機械允許的加速度，則需要在這三點處將矢量速度降到一個合適的值。矢量速度n隨著進給方向夾角a的不同而變化，在0° 180°之間，n隨著a的增大而減小。
因此，需要計算出拐彎點B處的合適矢量速度。使刀具沿路徑AB運動到BC，控制拐彎點處的升降速以保證到達B點時的速度小于或等于允許的矢量速度，并提前降速。為減小升降速時設備沖擊，項目采用S形升降速曲線。下面再來詳細敘述如圖2所示S型曲線的具體實現(xiàn)過程
首先，針對控制對象的動態(tài)特性，本發(fā)明引入“準直線”概念，“準直線”是指一條或多條線段的組合，每條準直線包含一個完整的S型升降速過程；在準直線內(nèi)，所有兩條線段的交點速度都小于允許速度Vc，則將這多條線段作為一條“準直線”來看待和計算；描述準直線的重要參數(shù)有起始速度Vb，末速度Ve、最高速度、長度——各線段的矢量長度之和，當這4個參數(shù)確定后，就可以確定一條S型速度準直線了 ；把所有的準直線組成一個鏈表，鏈表中的前一條準直線的末速度是后一條準直線的起始速度；并完成以下步驟
步驟I :根據(jù)需要，設置矢量線段的低速、高速、加速度、加加速度、拐彎速度；
步驟2，根據(jù)輸入的矢量線段計算出準直線允許速度Vc ;對每兩條直線的交點(B點、C點、D點)計算出允許速度。公式Vc=Sqrt (r*Aa)，其中參數(shù)Aa為外部輸入的拐彎速度，它直接影響拐彎的處的效率，Aa如果小，則拐彎速度慢，運動沖擊小，但是加工效率低，Aa如果大，則拐彎速度快，運動沖擊大，所以此值需要根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試獲取，參數(shù)r為兩條直線的曲率半徑，可根據(jù)以下公式組獲得
根據(jù)B、C、2三點的坐標((xl，yl)，(x2,y2), &3，73))求半徑 a=2*(x2-xl); b=2*(y2_yl);
C=x2*x2+y2*y2-xl*xl-yl*yl;d=2*(x3_x2);e=2*(y3_y2);
f=x3*x3+y3*y3-x2*x2-y2*y2;
X=(b*f+e*c)/(b*d_e*a);
y= (d*c_a*f)/(b*d+e*a);r=sqrt ((x_xl)*(x_xl) + (y-yl)*(y-yl));
步驟3，判斷是否滿足準直線條件，滿足則產(chǎn)生一條準直線，并按順序加入到準直線鏈表中；
步驟3具體包括以下步驟
假設曲線由線段AB、線段BC、線段⑶、線段DE……組成，
步驟3-1，將首段直線AB先作為一條準直線stdl，準直線stdl的起始速度為Vb，步驟3-2，將準直線stdl看作是一條線段，與線段BC交點處的允許速度Vc進行準直線判定；
按照S型速度曲線的加速模型公式計算出準直線從Vb升速到Vc所需要的矢量長度Len,如果矢量長度Len小于線段AB和線段BC的長度和，則將線段AB和線段BC作為準直線stdl，否則僅將線段AB作為準直線stdl ；
步驟3-3，步驟3-2中得到的準直線stdl當作一條線段和下一條線段繼續(xù)作準直線判定；如果不滿足準直線判定條件，則將準直線stdl加入到準直線鏈表中作為第一條準直線，同時將準直線stdl之后的第一條線段先作為準直線std2，將Vc設置為stdl的結(jié)束速度Ve，準直線std2的起始速度Vb為上一條準直線的結(jié)束速度Ve ；
步驟3-4，將準直線std2與其后的線段做上述步驟3-2、3-3 —樣做準直線判定，如此遍歷所有的線段，將所有的線段都轉(zhuǎn)化為準直線stdl、準直線std2、準直線std3……。判定是否一條或多條線段是否能構(gòu)成一條準直線時，采用以下S型加減速的加減速模型距離計算公式進行判定
升速時
當 Vc_Vb>= 2*fVsa 時,米用 Len = (Vc+Vb) * (Vc_Vb+2*fVsa) / (2*fAcc),計算升速所需要的矢量長度Len ；
當 Vc_Vb〈 2*fVsa 時,采用 Len = (Vc+Vb) *my_sqrt ((Vc-Vb) /f J)計算升速所需要的矢量長度Len ；
降速時
當 Vb_Vc>= 2*fVsa 時,米用 Len = (Vc+Vb) * (Vb-Vc+2*fVsa) / (2*fAcc)計算降速所需要的矢量長度Len ；
當 Vb_Vc〈 2*fVsa 時,采用 Len = (Vc+Vb) *my_sqrt ((Vb-Vc) /f J)計算降速所需要的矢量長度Len; 上述公式中，Vc為拐點允許速度，Vb為開始速度，fVsa =fAcc2/(2*fJ) ;fAcc為加速度，fj為加加速度。步驟4，當準直線鏈表固定后，采取遍歷算法分別計算出每條準直線的最高速度，具體過程如下 根據(jù)準直線的信息起始速度、結(jié)束速度、準直線長度和S型曲線的升降速模型計算公式，我們來計算本條準直線能達到的最高速度，計算方法根據(jù)升降速模型的公式，把不同的最高速度值Vh’代入公式分別計算出升速模型公式計算出該最高速需要的準直線長度與準直線的原始長度比較，如果兩者相等則此速度為本直線的最高速度，如果不等則需要從新取值在計算繼續(xù)比較。Vh’的取值原則是從準直線的起始速度逐漸往上累加，以整數(shù)為最小單位。每一條準直線都是一條具有完整加減速的S型曲線；
所有的線段轉(zhuǎn)化為準直線的鏈表如圖3 :我們可以通過準直線鏈表找到所有的線段。步驟5，通過FPGA程序來完成準直線插補任務，并將準直線的脈沖通過電子齒輪分配到各個實際運動軸，將數(shù)字信息轉(zhuǎn)化為控制電機運動的電氣信號。
權(quán)利要求
1.一種用于數(shù)控設備控制系統(tǒng)的S形加減速控制的速度規(guī)劃方法，其特征在于針對控制對象的動態(tài)特性，引入“準直線”概念，所述的準直線是指一條或多條線段的組合，每條準直線包含一個完整的S型升降速過程；在準直線內(nèi)，所有兩條線段的交點速度都小于允許速度VC，則將這多條線段作為一條“準直線”來看待和計算；描述準直線的重要參數(shù)有起始速度Vb，末速度Ve、最高速度、長度——各線段的矢量長度之和，當這4個參數(shù)確定后，就可以確定一條S型速度準直線了 ；把所有的準直線組成一個鏈表，鏈表中的前一條準直線的末速度是后一條準直線的起始速度；并完成以下步驟 步驟I :根據(jù)需要，設置矢量線段的低速、高速、加速度、加加速度、拐彎速度； 步驟2，根據(jù)輸入的矢量線段計算出準直線允許速度Vc ； 步驟3，判斷是否滿足準直線條件，滿足則產(chǎn)生一條準直線，并按順序加入到準直線鏈表中； 步驟4，當準直線鏈表固定后，采取遍歷算法分別計算出每條準直線的最高速度，每一條準直線都是一條具有完整加減速的S型曲線； 步驟5，通過FPGA程序來完成準直線插補任務，并將準直線的脈沖通過電子齒輪分配到各個實際運動軸，將數(shù)字信息轉(zhuǎn)化為控制電機運動的電氣信息。
2.如權(quán)利要求I所述的用于數(shù)控設備控制系統(tǒng)的S形加減速控制的速度規(guī)劃方法，其特征在于所述的步驟I具體包括根據(jù)每兩條線段的交點坐標((xl，yl), (x2, y2)，(x3，y3))采用公式Vc=sqrt (r*Aa)，計算出允許速度Vc ;其中參數(shù)Aa為外部輸入拐彎加速度，此參數(shù)需要根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試獲取，參數(shù)r為兩條直線的曲率半徑。
3.如權(quán)利要求I所述的用于數(shù)控設備控制系統(tǒng)的S形加減速控制的速度規(guī)劃方法，其特征在于所述的步驟3具體包括以下步驟 假設曲線由線段AB、線段BC、線段⑶、線段DE……組成， 步驟3-1，將首段直線AB先作為一條準直線stdl，準直線stdl的起始速度為Vb， 步驟3-2，將準直線stdl看作是一條線段，與線段BC交點處的允許速度Vc進行準直線判定； 按照S型速度曲線的加速模型公式計算出準直線從Vb升速到Vc所需要的矢量長度Len,如果矢量長度Len小于線段AB和線段BC的長度和，則將線段AB和線段BC作為準直線stdl，否則僅將線段AB作為準直線stdl ； 步驟3-3，步驟2-2中得到的準直線stdl當作一條線段和下一條線段繼續(xù)作準直線判定；如果不滿足準直線判定條件，則將準直線stdl加入到準直線鏈表中作為第一條準直線，同時將準直線stdl之后的第一條線段先作為準直線std2，將Vc設置為stdl的結(jié)束速度Ve，準直線std2的起始速度Vb為上一條準直線的結(jié)束速度Ve ； 步驟3-4，將準直線std2與其后的線段做上述步驟3-2、3-3 —樣做準直線判定，如此遍歷所有的線段，將所有的線段都轉(zhuǎn)化為準直線stdl、準直線std2、準直線std3……。
4.如權(quán)利要求3所述的用于數(shù)控設備控制系統(tǒng)的S形加減速控制的速度規(guī)劃方法，其特征在于判定是否一條或多條線段是否能構(gòu)成一條準直線時，采用以下S型加減速的加減速模型距離計算公式進行判定 升速時當 Vc-Vb>= 2*fVsa 時，采用 Len = (Vc+Vb) * (Vc_Vb+2*fVsa) /(2*fAcc)，計算升速所需要的矢量長度Len ；當 Vc_Vb〈 2*fVsa 時,采用 Len = (Vc+Vb) *my_sqrt ((Vc-Vb)/fj)計算升速所需要的矢量長度Len ;降速時當 Vb_Vc>= 2*fVsa 時,米用 Len = (Vc+Vb) * (Vb-Vc+2*fVsa) / (2*fAcc)計算降速所需要的矢量長度Len ； 當 Vb_Vc〈 2*fVsa 時,采用 Len = (Vc+Vb) *my_sqrt ((Vb-Vc) /f J)計算降速所需要的矢量長度Len ； 上述公式中，Vc為拐點允許速度，Vb為開始速度，fVsa =fAcc2/(2*fJ) ;fAcc為加速度，fj為加加速度。
5.如權(quán)利要求I所述的用于數(shù)控設備控制系統(tǒng)的S形加減速控制的速度規(guī)劃方法，其特征在于所述的步驟4需要計算每一條準直線采用S型曲線的最高速度，具體步驟如下根據(jù)準直線的起始速度、結(jié)束速度、準直線長度和S型曲線的升降速模型計算公式，計算本條準直線能達到的最高速度，計算方法根據(jù)升降速模型的公式，把不同的最高速度值Vh’代入公式分別計算出該最高速需要的準直線長度，再與準直線的原始長度比較，如果兩者相等則此速度為本準直線的最高速度，如果不等則需要從新取值再計算繼續(xù)比較，Vh’的取值原則是從準直線的起始速度逐漸往上累加，以整數(shù)為最小單位。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于數(shù)控設備控制系統(tǒng)的S形加減速控制的速度規(guī)劃方法,引入“準直線”概念，設置矢量線段的參數(shù)；根據(jù)輸入的矢量線段計算出準直線允許速度Vc；判斷是否滿足準直線條件，滿足則產(chǎn)生一條準直線，并按順序加入到準直線鏈表中；當準直線鏈表固定后，采取遍歷算法分別計算出每條準直線的最高速度；通過FPGA程序來完成準直線插補任務，并將準直線的脈沖通過電子齒輪分配到各個實際運動軸，將數(shù)字信息轉(zhuǎn)化為控制電機運動的電氣信息。本發(fā)明的有益效果是應用于S形速度控制，這樣就可以很好的避免機器因笨重而產(chǎn)生的抖動和沖擊，提高機器的運動平穩(wěn)性，提高加工效率。引入準直線的解決思想。有效的減少了數(shù)據(jù)的處理數(shù)量，提高數(shù)據(jù)處理能力。
文檔編號G05B19/416GK102799146SQ20121033491
公開日2012年11月28日 申請日期2012年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月8日
發(fā)明者譚平, 張春雷 申請人:成都樂創(chuàng)自動化技術(shù)股份有限公司