一种恒力约束条件下的数控机床加减速速度规划方法技术

本发明专利技术提出一种恒力约束条件下的数控机床加减速速度规划方法，属于数控加工的加减速处理技术领域。包括先获取计算参数：数控系统中伺服进给系统的动力学参数，待规划NC加工文件当前指令段的加工起点和终点坐标，加工起点速度、加工终点速度和进给指令速度；确定恒力约束条件下伺服指令速度和加速度的函数关系；得到各速度规划段的总运动时间的计算公式；依次确定恒力约束条件下伺服指令加速度与加工时间、伺服指令速度与加工时间以及伺服指令位置与加工时间的函数关系；根据上述各参数及函数关系，分别完成各速度规划段的速度规划。本发明专利技术使用动力学参数作为数控系统速度规划的约束条件，可提高工件的加工精度并增加数控系统稳定性和加工效率。

【技术实现步骤摘要】
一种恒力约束条件下的数控机床加减速速度规划方法
本专利技术属于数控加工的加减速处理
，特别涉及一种恒力约束条件下的数控机床加减速速度规划方法。
技术介绍
数控系统是数控机床的核心控制装置，参见图1，为目前现有数控系统的工作流程图，数控系统根据输入的NC(NumericalControl)加工文件完成对工件的加工。NC加工文件是描述刀具路径轨迹的一种文件，通常使用G代码(ISO6983)格式对刀具路径轨迹进行描述。数控系统需要根据此刀具路径轨迹，使用速度规划方法进行速度规划，再由插补方法完成对刀具轨迹的插补，最终将插补数据发送给伺服进给系统，完成对数控机床的轨迹控制，实现对工件轮廓的切削加工。具体地，数控系统根据输入的NC加工文件，依次经过编译、轨迹规划、速度规划和插补后，将插补数据输出至数控机床的伺服进给系统。数控系统在编译NC加工文件时采用逐段解析方式，相应地，轨迹规划、速度规划和插补阶段分别逐段执行NC加工文件指令。针对于数控系统的速度规划方法，目前经济型数控系统多采用直线加减速速度规划方法。参见图2，为一段NC加工文件通过直线加减速速度规划方法处理后得到的梯形加减速规划结果，分为加速段、匀速段和减速段，其中，直线加减速速度规划方法的输入参数包括：当前指令段的加工起点速度vs、当前指令段的加工终点速度ve、当前指令段的进给指令速度vf和当前指令段的最大加速度amax。例如中国专利公开的一种产生对称梯形加减速脉冲的方法(申请号CN1201310661637.0)。这种速度规划方法计算量小，算法结构简单，可约束加工最大速度和最大加速度。但利用该方法在伺服进给系统的启动和停止时会产生较大的加速度突变，这会使运动产生较大的冲击，难以很好控制工件的表面加工质量。一些中高档数控系统使用一种S形曲线加减速速度规划方法。例如中国专利公开的一种数控机床S型加减速控制方法(申请号CN201410421152.9)，中国专利公开的一种用于数控设备控制系统的S形加减速控制的速度规划方法(申请号CN201210334913.8)等。这种速度规划方法使得运动加速度更加平滑，实现对运动加加速度的约束，提高了工件表面的加工质量，因此被广泛应用于商用数控系统中。但是，由于加减速过程平滑缓慢，相比于梯形加减速其总的加工时间较长，因此该种速度规划方法加工效率较低。通过S曲线加减速速度规划方法得到的一段NC加工文件的梯形加减速规划结果如图3所示，通过图3可知，相比于图2的速度曲线，图3的加减速段速度变化较平滑，因此运动过程冲击较小。另有其它一些速度规划方法例如：申请号CN201310095677.3的“用于数控机床的三角函数二阶连续可导加减速算法”等。以上所有速度规划方法中，约束参数均属于运动学参数，如最大速度、最大加速度和最大加加速度。商用数控系统中也分别对规划的运动学参数进行了约束，例如：德国西门子数控系统的“坐标轴速度限制”、“最大加速度(参考值：1m/s2)”等，日本发那科数控系的“快速移动G00时直线加减速时间常数”等。控制机床运动的伺服电机系统的运动约束条件是该伺服电机系统的最大转矩(针对旋转电机)或最大力矩(针对直线电机)。由于机床运动速度和加速度参数反应的是机床运动学特性，而转矩/力矩反应机床动力学特性，两者之间呈现复杂的非线性对应关系。因此，使用基于运动学参数作为约束条件的规划方法并不能最大化利用伺服电机系统的性能。此外，采用运动学参数如最大速度、最大加速度参数对数控系统速度规划过程进行约束，不能有效保证控制机床运动的伺服电机系统的最大转矩(针对旋转电机)或最大力矩(针对直线电机)满足要求，可能存在伺服系统转矩(针对旋转电机)或力矩(针对直线电机)超载的情况。因此基于运动学约束的速度规划方法是不安全的。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种恒力约束条件下的数控机床加减速速度规划方法，本专利技术使用恒定力矩/转矩作为加减速规划的约束条件，通过计算获得伺服位置指令，进而控制数控系统的伺服进给系统运动，本专利技术的加减速速度规划方法具有提高数控机床的加工效率和加工精度的优点。为解解决上述的问题，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术提出的一种恒力约束条件下的数控机床加减速速度规划方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)获取计算参数，具体包括：1.1)获取数控系统中伺服进给系统的动力学参数，包括伺服进给系统的最大转矩值或最大力矩值Fmax、伺服进给系统的伺服指令加速度特性常数ka和伺服指令速度特性常数kv；1.2)获取待规划NC加工文件当前指令段的加工起点坐标ss、终点坐标se；1.3)获取待规划NC加工文件当前指令段的加工起点速度vs、加工终点速度ve和进给指令速度vf；2)根据步骤1)获取的最大转矩或最大力矩值Fmax、伺服进给系统的伺服指令加速度特性常数ka和伺服指令速度特性常数kv，通过伺服进给系统运动参数与力学参数简化关系，确定恒力约束条件下伺服指令速度v和伺服指令加速度a的函数关系；3)设各速度规划段的起点速度为vsi、终点速度为vei，i＝1,2,3，i＝1时为升速段，i＝2是为匀速段，i＝3时为减速段，并根据步骤2)确定的恒力约束条件下伺服指令速度v和伺服指令加速度a的函数关系，得到各速度规划段的总运动时间ti的计算公式；4)设定恒力约束条件下伺服指令加速度a与加工时间t的函数关系；5)对步骤4)设定的函数关系进行不定积分，得到恒力约束条件下伺服指令速度v与加工时间t的函数关系v(t)；然后对该v(t)函数进行定积分，得到伺服指令位置s与加工时间t的函数关系s(t)；6)根据上述各参数及函数关系，分别完成各速度规划段的速度规划，具体包括以下步骤：6.1)确定各速度规划段的运动总时间和加工距离升速段：将步骤1)获取的待规划NC加工文件当前指令段的加工起点速度vs和加工指令速度vf代入步骤3)得到的升速段总运动时间的计算公式中，即令vs1＝vs、ve1＝vf，得到升速段的运动总时间t1；然后根据步骤5)得到的函数v(t)和s(t)，得到升速段的加工距离s1；减速段：将步骤1)获取的待规划NC加工文件当前指令段的加工指令速度vf和加工终点速度ve代入步骤3)得到的升速段总运动时间的计算公式中，即令vs3＝vf、ve3＝ve，得到减速段的运动总时间t3；然后根据步骤5)得到的函数v(t)和s(t)，得到减速段的加工距离s3；匀速段：根据步骤1)获取的待规划NC加工文件当前指令段的加工起点坐标ss、终点坐标se，以及求得的加速段加工距离s1和减速段加工距离s3，确定匀速段的加工距离s2＝abs(ss-se)-s1-s3；然后令匀速段的加工指令速度为vf，确定匀速段时间t2＝s2/vf；6.2)根据上述求得的各速度规划段的总运动时间，代入步骤5)确定的恒力约束条件下伺服指令速度与加工时间的函数v(t)中，完成待规划NC加工文件当前指令段的速度规划。本专利技术通过以上方案达到的有益效果：1、由于本专利技术中所使用的加减速规划方法限制了规划过程中电机输出的最大转矩/力矩，因此在加工过程中，伺服电机始终运行在允许的力矩/转矩阈值内，从而有效的保护了电机伺服系统和数控机床不受损坏，增加了数控系统的稳定性。2、伺服本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种恒力约束条件下的数控机床加减速速度规划方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)获取计算参数，具体包括：1.1)获取数控系统中伺服进给系统的动力学参数，包括伺服进给系统的最大转矩值或最大力矩值Fmax、伺服进给系统的伺服指令加速度特性常数ka和伺服指令速度特性常数kv；1.2)获取待规划NC加工文件当前指令段的加工起点坐标ss、终点坐标se；1.3)获取待规划NC加工文件当前指令段的加工起点速度vs、加工终点速度ve和进给指令速度vf；2)根据步骤1)获取的最大转矩或最大力矩值Fmax、伺服进给系统的伺服指令加速度特性常数ka和伺服指令速度特性常数kv，通过伺服进给系统运动参数与力学参数简化关系，确定恒力约束条件下伺服指令速度v和伺服指令加速度a的函数关系；3)设各速度规划段的起点速度为vsi、终点速度为vei，i＝1，2，3，i＝1时为升速段，i＝2是为匀速段，i＝3时为减速段，并根据步骤2)确定的恒力约束条件下伺服指令速度v和伺服指令加速度a的函数关系，得到各速度规划段的总运动时间ti的计算公式；4)设定恒力约束条件下伺服指令加速度a与加工时间t的函数关系；5)对步骤4)设定的函数关系进行不定积分，得到恒力约束条件下伺服指令速度v与加工时间t的函数关系v(t)；然后对该v(t)函数进行定积分，得到伺服指令位置s与加工时间t的函数关系s(t)；6)根据上述各参数及函数关系，分别完成各速度规划段的速度规划，具体包括以下步骤：6.1)确定各速度规划段的运动总时间和加工距离升速段：将步骤1)获取的待规划NC加工文件当前指令段的加工起点速度vs和加工指令速度vf代入步骤3)得到的升速段总运动时间的计算公式中，即令vs1＝vs、ve1＝vf，得到升速段的运动总时间t1；然后根据步骤5)得到的函数v(t)和s(t)，得到升速段的加工距离s1；减速段：将步骤1)获取的待规划NC加工文件当前指令段的加工指令速度vf和加工终点速度ve代入步骤3)得到的升速段总运动时间的计算公式中，即令vs3＝vf、ve3＝ve，得到减速段的运动总时间t3；然后根据步骤5)得到的函数v(t)和s(t)，得到减速段的加工距离s3；匀速段：根据步骤1)获取的待规划NC加工文件当前指令段的加工起点坐标ss、终点坐标se，以及求得的加速段加工距离s1和减速段加工距离s3，确定匀速段的加工距离s2＝abs(ss‑se)‑s1‑s3；然后令匀速段的加工指令速度为vf，确定匀速段时间t2＝s2/vf；6.2)根据上述求得的各速度规划段的总运动时间，代入步骤5)确定的恒力约束条件下伺服指令速度与加工时间的函数v(t)中，完成待规划NC加工文件当前指令段的速度规划。...

【技术特征摘要】
1.一种恒力约束条件下的数控机床加减速速度规划方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)获取计算参数，具体包括：1.1)获取数控系统中伺服进给系统的动力学参数，包括伺服进给系统的最大转矩值或最大力矩值Fmax、伺服进给系统的伺服指令加速度特性常数ka和伺服指令速度特性常数kv；1.2)获取待规划NC加工文件当前指令段的加工起点坐标ss、终点坐标se；1.3)获取待规划NC加工文件当前指令段的加工起点速度vs、加工终点速度ve和进给指令速度vf；2)根据步骤1)获取的最大转矩或最大力矩值Fmax、伺服进给系统的伺服指令加速度特性常数ka和伺服指令速度特性常数kv，通过伺服进给系统运动参数与力学参数简化关系，确定恒力约束条件下伺服指令速度v和伺服指令加速度a的函数关系；3)设各速度规划段的起点速度为vsi、终点速度为vei，i＝1，2，3，i＝1时为升速段，i＝2是为匀速段，i＝3时为减速段，并根据步骤2)确定的恒力约束条件下伺服指令速度v和伺服指令加速度a的函数关系，得到各速度规划段的总运动时间ti的计算公式；4)设定恒力约束条件下伺服指令加速度a与加工时间t的函数关系；5)对步骤4)设定的函数关系进行不定积分，得到恒力约束条件下伺服指令速度v与加工时间t的函数关系v(t)；然后对该v(t)函数进行定积分，得到伺服指令位置s与加工时间t的函数关系s(t)；6)根据上述各参数及函数关系，分别完成各速度规划段的速度规划，具体包括以下步骤：6.1)确定各速度规划段的运动总时间和加工距离升速段：将步骤1)获取的待规划NC加工文件当前指令段的加工起点速度vs和加工指令速度vf代入步骤3)得到的升速段总运动时间的计算公式中，即令vs1＝...

【专利技术属性】
技术研发人员：李炳燃，叶佩青，张辉，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11