一种计算机辅助离散几何规划方法与系统技术方案

本发明专利技术公开了一种开放式数控系统的计算机辅助离散几何规划方法与系统。刀路曲线的几何学不是欧几里得几何学而是离散几何学。刀路曲线的离散是一个纯粹的离散几何学问题。按照离散几何学的基本原理，本发明专利技术基于曲线的离散几何结构，按照优化目标通过导引点构造曲线的Ｌ分割，消除了刀路曲线的非欧化误差，解决了离散位置信息的优化问题。本发明专利技术实现了离散位置信息的可视化与离散方法的可视化，具有直观、简便、开放的人机界面。

【技术实现步骤摘要】
一种计算机辅助离散几何规划方法与系统
本专利技术属先进控制与先进制造领域，具体涉及开放式数控系统中离散位置信息的 制造方法与系统。技术背景迄今为止，现有数控系统一直采用插补迭代控制方法对机械系统进行数字控制。 插补精度与插补速度成为现有数控系统的核心技术指标。插补迭代控制方法的基本技术方案是，对于给定的刀路(Tool Path)曲线与刀具 的进给速度，在实时操作系统的控制下，以插补周期作为分时周期，采用插补迭代算法实时 计算相关坐标轴在给定时刻的全部数字控制信息。所述数字控制信息包括坐标轴进给的位 置信息与这些位置信息之间的关联信息。众所周知，在求解曲线的坐标值增量时，插补是数值计算方法中的一种迭代算法。 所谓插补算法，在本质上，就是从)(n中获得χη+1的运算规则。由于函数的连续性，Xn中必然 蕴涵xn+1的部分信息，充分利用这些信息导致高阶复杂运算简化为低阶简单运算，从而大大 提高插补算法的速度。为避免复杂的高阶运算，一些最优插补迭代控制算法无法使用。另 一方面，对于一些复杂曲线，从Xn中获得χη+1的运算规则是相当困难的。因此，高速高精度 的插补迭代控制算法成为现有数控技术中的核心技术。专利技术人发现，插补迭代控制方法存在下述四个本质特征。1、为了提高进给速度，现有开放式数字控制系统必须采用时间分割法(又称数字 增量法)进行插补迭代控制。对于直线，根据进给速度F和插补周期T，时间分割法必须将直线离散为若干条称 之为轮廓步长的微线段ALi Σ ALi = L，ALi = FT。众所周知，对于长为L的直线，只要给出进给速度F，便可完成加工任务。然而，上 述公式表明，由于插补周期导致的实时迭代，插补迭代控制方法不得不将一条直线离散为 若干条微线段Δ L”微线段ALi的长度必须是FT的整数倍。对于曲线，时间分割法首先用若干条微线段ALi来逼近，ALi = FT，这是粗插补。 然后再进行精插补，即对每条微线段ALi进行数据点密化。公式er = (TF)2/ (8r)描述了逼近误差 与进给速度F和插补周期T、曲率半径r之间的关系。该公式指出，对于曲线插补，逼近误差 与进给速度F和插补周期T的平方成正 比，与曲率半径r成反比。进给速度F和插补周期T的增长将导致逼近误差^的指数增长， 换言之，逼近误差^对时间与曲率高度敏感。因此，在插补迭代控制方法中，逼近误差^对时间的高度敏感性导致时间被插补 周期锁定，不是一个可控的外部变量，而是一个系统参数。时间成为系统参数是插补迭代控制方法的第一个本质特征，是插补迭代控制技术内生的基本缺陷。2、在插补迭代控制方法中，每个插补周期中由插补所生成的数字控制信息，一方 面立即实时发送给运动控制系统(步进控制系统/伺服控制系统)用于实时驱动坐标轴运 动，另一方面又作为下一个插补周期的输入实时进行迭代以生成下一个数字控制信息，从 而构成数字控制信息的实时迭代。跟随插补周期的节拍，数字控制信息不断地生成、发送、 执行，从而又以过程迭代的方式周而复始，构成控制过程的实时迭代。因此，通过数字控制 信息的实时迭代与控制过程的实时迭代，插补迭代控制方法将数字控制信息的生成、发送、 执行的整个制造过程予以实时化。数字控制信息的实时迭代与控制过程的实时迭代(简称信息实时迭代与过程实 时迭代，即I&P实时迭代)是插补迭代控制方法的第二个本质特征，是插补迭代控制技术内 生的基本缺陷。3、在插补迭代控制方法中，在实时操作系统的插补周期统一指挥下的I&P实时迭 代是一种集中控制模式。在这种控制模式中，实时操作系统指挥一切，“大权独揽，小权不 放”，一竿子插到底，规划、设计、施工全包，而且是“边规划、边设计、边施工”。“边规划、边设计、边施工”的集中控制模式是插补迭代控制方法的第三个本质特 征，是插补迭代控制技术内生的基本缺陷。4、在插补迭代控制方法中，逼近误差 与曲率半径r成反比，与进给速度F和插 补周期T的平方成正比。然而，工件轮廓只是一个几何问题，因而刀路曲线以及逼近误差 与曲率半径r也只是一个几何问题。至于刀具中心即相关坐标轴以什么运动速度完成加工 任务，则是一个加工工艺问题与机械系统的动力学问题。在插补迭代控制方法中，逼近误差ep曲率半径r、插补周期T、进给速度F全部紧 密耦合在一起，涉及空间、时间、速度、加速度(减速度)，甚至于加加速度。这就是说，插补 迭代控制方法将插补迭代算法与曲线的几何结构强相关，将工件轮廓的几何特征、工艺特 征、机械系统的动力学特征全部紧密耦合在一起。刀路曲线的这种时空之间的耦合关系可 简称为时空结构的耦合性。刀路曲线的时空结构的耦合性是插补迭代控制方法的第四个本质特征，是插补迭 代控制技术内生的基本缺陷。专利技术人发现，由于插补迭代控制存在上述四个内生的基本缺陷，插补迭代控制技 术作为现有开放式数控系统的普适控制方法，在位置信息的离散方面存在下述问题1、刀具曲线的几何结构是预先确定的，因此，坐标轴之间的运动关系是确定性的。 数字控制系统将位置信息离散，以控制相关坐标轴的位移(角位移)，通过这些位移的合成 来实现刀路曲线。位移的合成意味着相关坐标轴必须联动。位置信息的离散是数字控制系 统的核心任务，本质上，纯粹是一个几何问题。然而，插补迭代控制方法产生了刀路曲线的时空结构的耦合性，完全忽视了数字 控制信息的离散纯粹是一个离散几何问题，而且进一步将数字控制信息的整个离散过程实 时化，导致数字控制信息的封闭性。2、在插补迭代控制方法中，插补迭代算法既涉及数值计算方法又涉及在计算机上 实时地实现该方法的运算规则，数字控制信息的实时迭代与离散过程的实时迭代必然涉及 实时操作系统中的进程调度与线程调度，导致数字控制信息的离散方法的封闭性。3、在插补迭代控制方法中，数字控制信息的整个离散过程的实时化必然导致整个 控制过程的封闭性与数字控制信息的离散、发送、执行等子过程之间的界面的封闭性。4、在插补迭代控制方法中，插补算法、插补速度、插补精度是其核心技术指标。因 而，插补迭代控制方法与CPU的位数、频率以及实时操作系统密不可分。换言之，插补迭代 控制方法导致数控技术的进步与芯片技术的进步及实时操作系统的进步密不可分。在专利技术专利《计算机数字控制系统数据流关联控制方法与体系结构》中(中国专 利号ZL2007101M304.9，授权公告日2009年8月19日)，本专利技术人提出了一种数据流关 联控制方法(Data-stream Related Control, DRC) 0与插补迭代控制方法相反，数据流关 联控制方法将位置信息的离散转化为一个纯粹的几何学问题。数据流关联控制方法将控 制机械系统之间的确定性运动关系所要求的数字控制信息的整个制造过程非实时化，在PC 系统中非实时地制造出全部数字控制信息，包括坐标轴进给的离散位置信息与这些离散位 置信息之间的关联信息。在上述专利技术专利中，离散位置信息为“ 1，，或“0”形态的步进型关联数据流，未涉及 刀路曲线的微线段AL1，. . .，ALn(即增量型关联数据流)的优化问题。现有开放式数控系统有三种模式PC嵌入NC模式、NC嵌入PC模式、软开放式模 式。在这三种模式中，PC系统往往配置CAD/CAM/CAPP功能，成为一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种计算机辅助离散几何规划方法，用于规划刀路曲线的本征Ｌ分割，其特征在于，包括以下步骤：离散坐标系规划步骤（Ｓ１）：按照设定的离散标度，用距离为离散标度的等距线将坐标平面网格化，建立离散坐标系；刀路曲线规划步骤（Ｓ２）：在离散坐标系中规划刀路曲线，按照特征点将刀路曲线分割为ｋ条曲线，对分割后的每条曲线，将坐标轴划分为主动轴和联动轴，生成刀路曲线文件；Ｌ分割规划步骤（Ｓ３）：对所述ｋ条曲线中的每条曲线，按照设定的优化目标，通过导引点逐点构造符合所述优化目标的本征Ｌ分割。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：江俊逢，
申请(专利权)人：江俊逢，
类型：发明
国别省市：94[中国|深圳]