加減速控制裝置及加減速控制方法
2023-09-17 09:27:30
專利名稱：加減速控制裝置及加減速控制方法
技術領域：
本發明涉及一種CNC (Computer Numerical Control,計算機數字控制)工具機的加減速 控制裝置及加減速控制方法。
背景技術：
CNC工具機是利用CNC系統結合工具機機械動作，並借著輸入加工指令以使工具機對加工件的動 作進行控制。而由於目前對於工具機的功能性要求越來越高，除了要求計算機體積及驅動設備 更加縮小外，也希望其加工精度能越來越高。
所以當加工速度的變化率過大時，需要利用一控制系統做一加減速的規劃，使CNC工具機 有一個較平滑的加工速度曲線，來達到提升加工的精度。所以加減速規劃控制為目前CNC機 床所要研發的重要項目之一。傳統CNC工具機使用的後加減速法是將插值運算後的速度脈衝從 梯形曲線整形成鍾型曲線，達到加速度與急衝度(Jerk)曲線較為平順的效果，來提升加工精 度，其具體內容，請參照圖l。 CNC工具機l具有一輸入單元ll、 一移動單元12及一驅動單元13 ;移動單元12連接於該輸入單元11及該驅動單元13之間；該輸入單元ll接收一速度命令信號 D1並將其轉換成一速度脈衝信號D2(如圖2A所示)。該移動單元12具有串聯連接的一第一濾波 器121、 一第二濾波器122及一第三濾波器123。該第一、第二及第三濾波器121、 122、 123分 別為一FIR (Finite Impulse Response,有限長衝激響應)濾波器，分別具有多個權重值 K0—Kn-l及多個緩存器R0—Rn-1 (如圖2B所示)。該第一濾波121將其緩存器R0—Rn-1內的速 度脈衝信號D2與其對應的權重值K0—Kn-l分別相乘後加總，並除以緩存器的個數n，得到一 第一速度脈衝信號Vl並傳送給第二濾波器122的緩存器R0—Rn-1;該第二濾波器122將其緩存 器RO—Rn-l內的第一速度脈衝信號Vl與其對應的權重值KO—Kn-l分別相乘後加總，並除以緩 存器的個數n，得到一第二速度脈衝信號V2並傳送給第三濾波器123的緩存器R0—Rn-l;該第 三濾波器123將其緩存器R0—Rn-l內的第二速度脈衝信號V2與其對應的權重值K0—Kn-l分別 相乘後加總，並除以緩存器的個數n，即可得到一加減速脈衝信號D3(如圖2C所示)。
該移動單元12藉助該第一濾波器121、該第二濾波器122及該第三濾波器123將該速度脈 衝信號D2進行加減速規劃轉換為加減速脈衝信號D3。該驅動單元13則將該加減速脈衝信號 D3經轉換後傳送至馬達14，來控制馬達14的運轉。
上述加減速規劃藉助移動平均法將該輸入單元l l插值運算後的速度脈衝信號D2的方形曲線規劃成加減速脈衝信號D3的鐘型曲線，即該第一濾波器121接收該速度脈衝信號D2後，於 每一個取樣時間T內的速度脈衝信號D2分別與各權重值K0—Kn-l相乘再相加，再經過收斂後 得到第一速度脈衝信號V1 (圖3中的A曲線)；再將該第一速度脈衝信號V1傳送至第二濾波器 122，而第二濾波器122及第三濾波器123也分別使用移動平均法以分別得到該第二速度脈衝 信號V2(圖3中的B曲線)及該加減速脈衝信號D3(圖3中的C曲線)，即總共使用三次移動平均法 ，使速度脈衝信號D2轉換成加減速脈衝信號D3。
如圖3所示，對於使用移動平均法而言，每使用一次時，便會使信號整體落後一倍的加 減速規劃時間Tn(如圖3所示)，而曲線A、 B及C分別為經過第一次、第二次及第三次移動平均 法後的速度曲線，意即該CNC工具機1經過3倍的加減速速度規劃時間(即3Tn)才會到達成，且無 法依加工情況改變加減速脈衝信號D3曲線的形狀，除了設定加減速度時間，並無其它使用彈 性。此外，此種方法也會產生轉角誤差；且急衝度(Jerk)的曲線的尖峰E也較為尖銳(圖4所 示)。
發明內容
鑑於以上內容，有必要提供一種僅使用一次加減速速度規劃便可實現加減速控制的加減 速控制裝置及加減速控制方法。
一種加減速控制裝置，用來對一CNC工具機進行加減速控制，其包括
一插補運算器，用於對一速度命令進行插補運算，並輸出一脈衝速度； 一移動單元，包 括一運算濾波器，該運算濾波器包括多個緩存器，每一緩存器分別存儲一權重值，該移動單 元利用一第一函數根據該脈衝速度及這些緩存器的權重值計算得出一加減速脈衝；及一驅動 轉換單元，用於將該加減速脈衝轉換成一驅動信號，以驅動一馬達。
一種加減速控制方法，是利用一加減速控制裝置對一CNC工具機進行加減速控制，該加減 速控制裝置包括依次連接的一插補運算器、 一移動單元及一驅動轉換單元，該移動轉換單元 包括一運算濾波器，該運算濾波器包括多個緩存器，每一緩存器分別存儲一個權重值，該加 減速控制方法包括以下步驟
該插補運算器對一速度命令進行插補運算，並輸出一脈衝速度；該移動單元接收該脈衝 速度並利用一第一函數根據該脈衝速度及這些緩存器的權重值計算得出一加減速脈衝；及該 驅動轉換單元將該加減速脈衝轉換成一驅動信號，以驅動一馬達。
與現有技術相比較，本發明加減速控制裝置的移動單元將該脈衝速度與由該第二函數計 算得到的各權重值經由該第一函數式計算可直接得到該加減速脈衝。不僅只需使用一次加減 速度規劃，就可達到現有技術三次移動平均法的效果，更因權重值是由第二函數式計算而得，所以使急衝度曲線較為圓滑，進而達到加工精密度及產品質量的提升。
圖1是現有加減速控制裝置的示意圖。
圖2A是圖1中的加減速控制裝置的脈衝速度的示意圖。
圖2B是圖1中的加減速控制裝置的移動單元的示意圖。
圖2C是圖1中的加減速控制裝置輸出的加減速脈衝的示意圖。
圖3是圖1中的加減速控制裝置的加減速脈衝的曲線圖。
圖4是圖1中的加減速控制裝置的急衝度的曲線圖。
圖5是本發明加減速控制裝置的較佳實施方式的示意圖。
圖6是圖5的加減速控制裝置的移動單元的示意圖。
圖7是圖5的加減速控制裝置的移動單元接收的脈衝速度的示意圖。
圖8是圖5的加減速控制裝置的移動單元輸出的加減速脈衝的示意圖。
圖9是本發明加減速控制裝置的較佳實施方式的第二函數的曲線圖。
圖10是本發明加減速控制裝置的較佳實施方式的加速度的曲線圖。
圖ll是本發明加減速控制裝置的較佳實施方式的急衝度的曲線圖。
具體實施例方式
請參照圖5所示，本發明加減速控制裝置的較佳實施方式用來對一CNC工具機進行加減速規 劃，其包括依次連接的一插補運算器21、 一移動單元22、 一驅動轉換單元23及一可驅動一刀 具或一工作平臺25的馬達24。
該插補運算器21用來接收一速度命令S1，且將該速度命令S1經插補運算後得到一脈衝速 度^(如圖7所示)；該移動單元22包括一運算濾波器221，用以接收該脈衝速度^;如圖6 所示，該運算濾波器221包括多個緩存器2212，這些緩存器2212分別具有一不同的權重值 ^、 ftA…Ww。該運算濾波器221利用一第一函數將該脈衝速度^與各權重值^、 ^ …肌-1，進行計算得到一加減速脈衝「'M如圖8所示)，這些權重值^、吸…肌-i由一第 二函數/00在一個加減速規劃時間Tn內取樣求值得到。在本實施方式中，該第一函數的表 達式為
其中^ A^」為經該第一函數式運算後的加減速脈衝；"^"—;」為與這些權重值相對應
的脈衝速度；/1^為權重值^、 W…^^-i; w ; n代表緩存器2212的個數，將/(;)除以^的目的是將權重標準化(normalize)，使權重的總和為l。該第二函數/(力的
曲線形狀即為該加減速脈衝「、的曲線形狀，且該第二函數/(力在實施上，可以是一高斯 分布函數(如圖9所示)， 一極值分布函數(圖未示)或其它形狀與該加減速脈衝信號的曲線形
狀相對應的函數。本實施方式中，該第二函數y^)是一高斯分布函數。 該高斯分布函數的表達式為
其中o為一標準差、y為一期望值及n為緩存器個數，意即在n個取樣時間T對該高斯 分布函數進行取值，則藉助高斯分布函數計算可得到n個權重值^、 W…^^-i。請再參照 圖5，該驅動單元23將該加減速脈衝「、轉換為一驅動信號S2輸出至該馬達24以控制該馬達 24的轉速及方向。該驅動信號S2可為一脈波值或一電壓值。
為使本發明的內容更加清楚，以下將列舉一實例進行詳細說明。請參照圖9第二函數的 圖形，當取n為ll，標準差。為2，期望值y為5，而在11個取樣時間T內，該運算濾波器 221藉由該第二函數,(力(高斯分布函數)計算得到11個權重值^、 ^…^^，在此舉其 中3個權重值^、 ^^及^。為例，其中^及^。為0. 00876415， ^^權重值為0. 199477114
請參照圖8，在一總加減速度規劃時間Ta內，分成35個取樣時間T，該運算濾波器221將 該脈衝速度^及各權重值^、 ^…^。代入該第一函數式中進行計算得到的該加減速規 劃曲線「'、為一較平滑的曲線。本實施方式中，可依據不同加工條件而使用不同函數參數 (如o及y )以進行加減速規劃，進而提升加工精密度及產品質量。
另外，請同時參照圖10與圖11，將相同的脈衝速度^輸送至本實施方式的運算濾波器 221進行加減速規劃得到的加減速脈衝「'i的曲線F，與現有技術經三次移動平均法得到的加 減速脈衝曲線G相同(如圖10所示)，而本實施方式得到的急衝度曲線的尖峰H較現有技術的急 衝度曲線的尖峰E更加圓滑(如圖11所示)。
所以本實施方式僅需藉助一次加減速度規劃，即經一次權重分配就可得到與現有技術相 同的效果，而且加工後的產品的表面質量較高。
權利要求
1.一種加減速控制裝置，用來對一CNC工具機進行加減速控制，其包括一插補運算器，用於對一速度命令進行插補運算，並輸出一脈衝速度；一移動單元，包括一運算濾波器，該運算濾波器包括多個緩存器，每一緩存器分別存儲一權重值，該移動單元利用一第一函數根據該脈衝速度及這些緩存器的權重值計算得出一加減速脈衝；及一驅動轉換單元，用於將該加減速脈衝轉換成一驅動信號，以驅動一馬達。
2.如權利要求l所述的加減速控制裝置，其特徵在於，該第一函數的表達式為formula see original document page 2其中「4^為加減速脈衝；7^為每一緩存器的權重值；n為緩存器個數；^為/(;)的總和；「4"1—"為脈衝速度。
3.如權利要求l所述的加減速控制裝置，其特徵在於，這些權重值 由一與該加減速脈衝曲線形狀相對應的第二函數得出，該第二函數為一高斯函數，該高斯函 = _i_e ^數的表達式為 formula see original document page 2其中/(力為權重值、。為一標準差、y為一期望值及n為取樣時間的個數。
4.如權利要求l所述的加減速控制裝置，其特徵在於，這些權重值由一與該加減速脈衝曲線形狀相對應的第二函數得出，該第二函數是一極值分布函數。
5.如權利要求l所述的加減速控制裝置，其特徵在於，該驅動信號 為一脈波值或一電壓值。
6. 一種加減速控制方法，是利用一加減速控制裝置對一CNC工具機進 行加減速控制，該加減速控制裝置包括依次連接的一插補運算器、 一移動單元及一驅動轉換 單元，該移動轉換單元包括一運算濾波器，該運算濾波器包括多個緩存器，每一緩存器分別 存儲一個權重值，該加減速控制方法包括以下步驟該插補運算器對一速度命令進行插補運算，並輸出一脈衝速度；該移動單元接收該脈衝速度並利用一第一函數根據該脈衝速度及這些緩存器的權重值 計算得出一加減速脈衝；及該驅動轉換單元將該加減速脈衝轉換成一驅動信號，以驅動一馬達。
7.如權利要求6所述的加減速控制方法，其特徵在於，該第一函數的表達式為 J，其中「4^為加減速脈衝；7^為權重值；n為緩存器個數；^為/(;)函數總和；「4^—"為與這些權重值相對應的脈衝速度。
8.如權利要求6所述的加減速控制方法，其特徵在於，這些權重值由一與該加減速脈衝曲線形狀相對應的第二函數得出，該第二函數為一高斯分布函數，該高斯分布函數的表達式為 /2jr ，其中。為一標準差、y為一期望值及n為取樣時間 的個數。
9.如權利要求6所述的加減速控制方法，其特徵在於，這些權重值 由一與該加減速脈衝曲線形狀相對應的第二函數得出，該第二函數式是一極值分布函數。
10.如權利要求6所述的加減速控制方法，其特徵在於，該驅動單元 可將該驅動信號轉換為一脈波值或一電壓值。
全文摘要
本發明提供一種加減速控制裝置，用來對一CNC工具機進行加減速控制，其包括一插補運算器，用於對一速度命令進行插補運算，並輸出一脈衝速度；一移動單元，包括一運算濾波器，該運算濾波器包括多個緩存器，每一緩存器分別存儲一權重值，該移動單元利用一第一函數根據該脈衝速度及這些緩存器的權重值計算得出一加減速脈衝；及一驅動轉換單元，用於將該加減速脈衝轉換成一驅動信號，以驅動一馬達。可達到加工精密度及產品質量的提升。本發明還提供一種加減速控制方法。
文檔編號G05B19/416GK101609326SQ20081030226
公開日2009年12月23日 申請日期2008年6月20日 優先權日2008年6月20日
發明者邱志豪, 金嶽勳 申請人:鴻富錦精密工業(深圳)有限公司;賜福科技股份有限公司