專利名稱：數控加工中的運動規(guī)劃方法、運動規(guī)劃器及其應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于數控加工技術領域，具體涉及一種數控加工中的運動規(guī)劃方法、運動規(guī)劃器及其在云端數控系統(tǒng)中的應用。
背景技術：
數控機床是一種高效、自動化的機床，由機床本體和數控系統(tǒng)兩部分組成。機床本體主要由床身、立柱、工作臺、導軌等基礎件和刀庫、刀架等配套件組成，為敘述方便，以下將機床本體簡稱為機床。數控系統(tǒng)是一種程序控制系統(tǒng)，包括數控裝置、驅動、電機(馬達)，其中數控裝置包括人機界面、參數設置、代碼輸入器、解釋器、運動規(guī)劃器、軸運動控制器，以及附加的加值軟件等模塊。圖I是目前一般數控系統(tǒng)的架構圖，標示了數控裝置內的主要模塊。其中，人機界面模塊負責用戶與數控裝置之間的交互，參數設置模塊用于設置數控裝置運行時的參數，代碼輸入器主要負責數控加工程序、控制參數、補償數據等的輸入，解 釋器主要對數控加工程序的程序段進行譯碼處理，運動規(guī)劃器主要完成速度處理以及插補運算，軸運動控制器主要負責位置控制，加值軟件則是一些實現附加功能的軟件模塊，例如刀具軌跡的仿真等。圖2是近年來流行的數控系統(tǒng)新架構，其將數控裝置拆成上、下位機；下位機包含實時操作有關的運動規(guī)劃器與軸運動控制器，其他的模塊放在上位機。在數控裝置模塊中，運動規(guī)劃器是高檔數控系統(tǒng)最關鍵的技術。數控裝置在開始加工時，會從數控裝置外部輸入直接用于加工的程序，該程序稱為數控加工程序，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，通過給定點的坐標的形式給出了運動軌跡上的一系列點即序列點，如圖3所示。數控裝置所讀入的數控加工G代碼(刀具軌跡)包含軸運動的軌跡，但不含速度信息。運動規(guī)劃器的主要功能是計算每一時刻運動軌跡上的時間坐標，從而進一步得到速度信息，之后再使用時間坐標將運動軌跡做離散處理。第一步關于時間坐標的計算通稱為速度規(guī)劃，而運動軌跡的時間坐標離散化通稱為運動插補。為了計算上的方便，速度的計算與運動軌跡時間坐標的離散化通常結合在一起；換言之，速度規(guī)劃與運動插補算法有密切關系。將運動軌跡進行離散化處理的過程稱為插補，離散所得的點稱為離散插補點。相鄰的離散插補點之間的時間差是固定的，稱為插補周期。插補周期的大小取決于軸運動控制器的能力，越高端的軸運動控制器其插補周期越短。運動規(guī)劃器的功能與加工精度、時間以及工件表面光滑度有密切的關系。高檔數控系統(tǒng)在做運動規(guī)劃時會考慮機床的速度、加速度、與抖動(jerk)的限制，同時對最短時間做優(yōu)化。實時性的優(yōu)化需要對刀具軌跡做前瞻，高度的優(yōu)化必須具備高量的前瞻能力，對內存量與內核速度的要求較高。此處所說的前瞻是指數控裝置在G代碼執(zhí)行以前預先計算出各程序段的運動軌跡和運動速度。云計算是一類信息化技術，云計算通過網絡在遠程提供計算以及數據的服務，而用戶端可以不需要知道遠程服務的來源。目前云計算在車間的使用還在起步階段，且集中在對數控系統(tǒng)與機床的遠程監(jiān)控及數據服務方面。在車間云計算的架構設計上，目前的方法都是將數控系統(tǒng)與機床綁成云架構里的同一單元。換言之，數控系統(tǒng)與機床之間不經過云架構相連，如圖4所示。在申請?zhí)枮?01210205272. 6的中國專利文獻提出將數控裝置的主要部分移到云端，其包括兩個模式服務式與本地式云端數控。服務式云端數控是將整個上位機移到遠程服務器電腦，形成一個云端的上位機，與下位機和機床經由網絡連接，如圖5所示。在此架構下，一個上位機可以接數個下位機。本地式云端數控保留本地(機床旁)上位機提供操作相關的人機界面與參數設置，而將其余的模塊移到云端，如圖6所示。在此架構下，操作人員感覺與傳統(tǒng)的數控沒有不同，唯一的差別是內部的計算都是在運端的上位機完成。無論是傳統(tǒng)架構或云端數控架構，運動規(guī)劃器都是放在本地下位機，如圖2、5及圖6所示。這是因為目前一般數控系統(tǒng)都是在機床進行加工時，需要實時地做運動規(guī)劃，而所有要求實時性的工作必須放在下位機以避免網絡的時間延遲與網絡故障的可能性。這種方式有下述缺點 (I)在加工實時性這一要求的限制下，無法做較復雜的優(yōu)化計算。(2)加工實時性計算對內核的速度與緩存(cache)的要求較高，從而增加了成本。(3)將運動規(guī)劃器放置在下位機，大大地降低了其開放性與配置在云端的可能性。盡管中國專利CN100412736C公開的一種技術方案中采用非實時運動規(guī)劃方式，即其將運動規(guī)劃器的工作(包括速度規(guī)劃與運動插補)在實際加工之前先完成，將結果數據儲存在電子媒介，然后在實時加工時直接調用預先儲存的數據。但是，該技術方案不能適用于遠程或云端數控系統(tǒng)的架構而且，對于如果實時加工時發(fā)生人為干涉(如人為暫停)等外部影響因素時，該方法不能進行有效處理。
發(fā)明內容針對上述問題，本發(fā)明的目的之一在于提供一種數控加工中的運動規(guī)劃方法，采用曲線擬合與速度規(guī)劃結合的方法，解決傳統(tǒng)數控系統(tǒng)中曲線擬合及速度規(guī)劃效果不好或實時性不足的問題。實現本發(fā)明的該目的所采用的具體技術方案如下一種數控加工中的運動規(guī)劃方法，在對G代碼序列點進行曲線擬合的同時，獲得加工速度的規(guī)劃函數，具體包括對數控系統(tǒng)中的解釋器產生的G代碼序列點ri(i=0，…，N-1)進行擬合處理，擬合得到連續(xù)的刀具軌跡曲線r (u) (ue
);其中，i為G代碼序列點的序號，N為G代碼序列點的總數目，i的取值范圍為
，u為軌跡曲線里參數。軌跡曲線里的參數U代表一個抽象值，不具備物理意義，它是數學表達的一種方式。具體到本發(fā)明中，u是與時間密切相關的，其既可以是時間，也可以是時間的函數。根據加工總時間T獲得規(guī)劃函數σ (U)=du/dt ；根據上述刀具軌跡曲線r (U)和規(guī)劃函數σ (U)，利用數控系統(tǒng)的插補周期At進行插補運算，獲得軌跡曲線r(u)上的各離散插補點，即可實現運動規(guī)劃；其中插補運算公式為Ujtl-Uj = ο (uj+1+Uj/2) At
式中，j為插補后所得離散插補點的序號，Uj為第j個離散插補點在曲線r(u)上的參數，j為整數，從零開始到一個具體的整數結束，這個具體的整數是j的上限值，其大小依具體的數控系統(tǒng)和加工精度而定，但不可能是無窮大的。作為該技術方案的改進，所述規(guī)劃函數σ (U)通過求解加工時間積分的最小值得到
權利要求
1.一種數控加工中的運動規(guī)劃方法，在對G代碼序列點進行曲線擬合的同時，獲得加工的規(guī)劃函數，其具體包括 對數控系統(tǒng)中的解釋器產生的G代碼序列點ri進行擬合處理，擬合得到連續(xù)的刀具軌跡曲線r (U);其中，i為G代碼序列點的序號，i的取值范圍為[O，N-1], N為G代碼序列點的總數目，u為軌跡曲線的參數； 根據加工總時間T獲得規(guī)劃函數0 (U)； 根據上述刀具軌跡曲線r (U)和規(guī)劃函數0 (U)，利用數控系統(tǒng)的插補周期At進行插補運算，獲得軌跡曲線r(u)上的各離散插補點，即可實現運動規(guī)劃。
2.根據權利要求I所述的數控加工中的運動規(guī)劃方法，其特征在于，所述的插補運算公式為 Uj+1-Uj= O (uj+1+Uj/2) At 式中，j為離散插補點的序號，+為第j個離散插補點在刀具軌跡曲線r (u)上的參數，uJ+1為第j+1個離散插補點在刀具軌跡曲線r (u)上的參數。
3.根據權利要求I或2所述的數控加工中的運動規(guī)劃方法，其特征在于，所述規(guī)劃函數O (u)通過求解下列加工時間積分的最小值得到 其中T是數控加工運行時間的總和。
4.根據權利要求1-3之一所述的數控加工中的運動規(guī)劃方法，其特征在于，在任一參數為+的離散插補點處規(guī)劃的速度被減速或暫停時，可利用加速度插補進行速度提升，以恢復到規(guī)劃好的速度，該加速度插補具體為 首先，計算該參數為的離散插補點處的瞬間運動速度 其次，根據得到的參數為+的離散插補點處的瞬間運動速度計算下一瞬間加速后相應的弧長Arj+1 進一步得到該參數為Uj的離散插補點與后一參數為uj+1的離散插補點之間的參數區(qū)間長度A uJ+1 由+與Up1計算之后的離散插補點的參數++2，…，Upk，直到兩離散插補點的參數uj+k_i和I^k之間的區(qū)間長度滿足 AuJ+k^ O ((Uj+k+Un)/^) At時，即可在該參數為uj+k的離散插補點處恢復到規(guī)劃好的速度函數； 其中，j為離散插補點的序號，+為第j個離散插補點在刀具軌跡曲線r (U)上的參數，uJ+1為第j+1個離散插補點在刀具軌跡曲線r (u)上的參數，r (up表示第j個離散插補點在刀具軌跡曲線上的坐標，r(uj-1)表示第j_l個離散插補點在刀具軌跡曲線上的坐標，At為插補周期，表示r(up與r(i^-l)之間的曲線段的弧長，a是機床的加速度極限。
5.一種數控加工中的運動規(guī)劃器，用于完成數控加工的運動軌跡規(guī)劃，其特征在于，該運動規(guī)劃器包括 擬合運動規(guī)劃器，其具有軌跡曲線擬合器和速度函數規(guī)劃器，其中，所述軌跡曲線擬合器用于將數控系統(tǒng)中的解釋器產生的G代碼序列點進行擬合處理，以擬合得到連續(xù)的刀具軌跡曲線，所述速度函數規(guī)劃器用于計算并獲得與所述刀具軌跡曲線對應的規(guī)劃函數； 離散運動規(guī)劃器，其具有固定插補器，該固定插補器根據所述刀具軌跡曲線和規(guī)劃函數，利用數控系統(tǒng)的插補周期At進行插補運算，獲得軌跡曲線r(u)上的各離散插補點，完成運動規(guī)劃。
6.根據權利要求5所述的一種數控加工中的運動規(guī)劃器，其特征在于，所述規(guī)劃函數O(u)通過求解下列加工時間積分的最小值得到 其中T是數控加工運行時間的總和。
7.根據權利要求6所述的數控加工中的運動規(guī)劃方法，其特征在于，所述固定插補器進行插補運算的公式為 Uj+1-Uj= O (uj+1+Uj/2) At 式中，j為離散插補點的序號，+為第j個離散插補點在刀具軌跡曲線r (u)上的參數，uJ+1為第j+1個離散插補點在刀具軌跡曲線r(u)上的參數，At為數控系統(tǒng)的插補周期。
8.根據權利要求5-7之一所述的數控加工中的運動規(guī)劃方法，其特征在于，該運動規(guī)劃器還包括加速插補器，用于在規(guī)劃的速度被減速或暫停時，利用該加速插補器將速度提升到規(guī)劃的速度。
9.一種云端數控系統(tǒng)，其具有上述權利要求5-8之一所述的運動規(guī)劃器，其特征在于，所述運動規(guī)劃器的擬合運動規(guī)劃器設置在云端上位機上。
10.根據權利要求9所述的一種云端數控系統(tǒng)，其特征在于，所述云端數控系統(tǒng)的數控裝置包括上位機和下位機，所述運動規(guī)劃器的離散運動規(guī)劃器設置在所述數控裝置的下位機上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種數控加工中的運動規(guī)劃方法，實現對加工速度函數的規(guī)劃，具體包括對數控系統(tǒng)中的解釋器產生的G代碼序列點進行擬合處理，擬合得到連續(xù)的刀具軌跡曲線；計算與刀具軌跡曲線對應的規(guī)劃函數；根據刀具軌跡曲線和規(guī)劃函數，利用數控系統(tǒng)的插補周期進行插補運算，獲得軌跡曲線上的各離散點，即可實現運動規(guī)劃。本發(fā)明還公開了一種數控加工中的運動規(guī)劃器以及具有該運動規(guī)劃器的云端數控系統(tǒng)。本發(fā)明采用曲線擬合與速度規(guī)劃結合的方法，簡化并加快了計算步驟和計算時間，加速度與抖動的優(yōu)化更好，而且計算所得到的速度函數是連續(xù)的，比離散的速度規(guī)劃要更準確，從而可以解決傳統(tǒng)數控系統(tǒng)中曲線擬合及速度規(guī)劃效果和實時性不好的問題。
文檔編號G05B19/41GK102809945SQ20121027976
公開日2012年12月5日 申請日期2012年8月8日 優(yōu)先權日2012年8月8日
發(fā)明者李振瀚, 陳吉紅, 楊建中, 張敏 申請人:武漢華中數控股份有限公司