在不產生輪廓誤差的情況下限制軸向加速度的方法
2023-04-28 13:31:11
專利名稱：在不產生輪廓誤差的情況下限制軸向加速度的方法
技術領域：
本發明涉及一種控制電驅動速度的方法。
在對例如工具機和機器人進行現代工業控制時，常常會出現這樣的問題，即在走刀狀態下可能出現的軸向速度和軸向加速度達不到預先規定的軌跡速度斷面圖中的理論值，這樣軸向滯後誤差會使工件縱向上的速度誤差變大。由此常常會導致在加工工件的彎曲表面上產生輪廓誤差。因此，在表面輪廓的不連續位置即拐點這樣的特殊區域附近應對機器的軸向滯後誤差進行監控以便能即時停機。當前，由於人們考慮到受加工的精密輪廓在較窄的公差範圍內，都力爭使因軸向滯後誤差而導致出現的仿形誤差達到最小，這就存在這樣的必要性，即在儘量降低軸向速度和軸向加速度的基礎上來避免出現軸向滯後誤差。
眾所周知，在工具機控制中，就平滑軌跡速度斷面而言，能滿足這種需要的傳統速度控制方法，要麼只考慮了與總的軌跡速度無關的軌跡加速度極限和軌跡速度極限要麼是在極其簡單的條件下從機器軸或基軸的曲線中導出所述的加速度極限和速度極限。在工具機控制中，根據這兩種標準實施的速度控制方法存在以下缺點，即為了避免軸向滯後誤差和由此來限制輪廓誤差必須把容許的總加速度極限選擇的相當小。但是這樣將不能充分利用機器的效率。另外，根據上述傳統的推導軌跡加速度極限和軌跡速度極限的方法可以進行粗略計算，以此來識別斷續出現的特殊區域。但是在特殊區域附近不能足夠精確地確定出能夠阻止軸向滯後誤差監控中斷的必要的動態軌跡極限。基於這個原因，機器驅動器的子程序通常是根據由手工對機器上可能出現的加速度進行編程而得到的加速度極限來調整編程的走刀狀態。然而這種優選方式是不經濟的，因為，在製造中需要手工調整速度斷面曲線，從而使大量的程序只能進行為數不多的運行。另一種變換方案是對機器軸斷面圖進行近似處理。這種處理通常用線性定律來描述(參見DE-OS3623070及EP-A-0254884)。後面的優選例存在的缺點是，程序費用提高，不能進行後續的刀具修正而且安裝時的修正十分有限。
本發明的目的是提供一種速度控制方法，該方法能夠避免上述缺點，即避免使可利用的機械效率受到限制和手工調整的耗費以及因對機器軸分布曲線進行近似處理而產生的過高程序費用。可以從機器軸中導出這種局部的軌跡加速度極限和軌跡速度極限；而且即使在特殊區域附近也能夠足夠精確地確定必要的動態軌跡極限。
根據本發明，其目的可通過以下特徵得以實現1.1在內插之前先近似地確定機器軸的速度分布曲線，並根據總的機器軸速度極限和機器軸加速度極限推導出可能需要的且用於每組控制數據的局部軌跡速度極限和/或局部軌跡加速度極限；1.2通過對機器軸負載較小的區域只進行粗掃描以及與此相反對關鍵區域進行細掃描來改變用於近似處理的掃描步長並且始終使之與機器軸的運動相匹配；1.3此外，除了對算出的局部軌跡速度極限和/或局部軌跡加速度極限進行必要限制外，把在加工軌跡上的走刀速度儘可能長久地控制在預定的恆定值上。
一個在另一種條件下能以特別小的程序費用和加工耗費實現的本發明的第一優選實施例可通過下列特徵來實現2.1為了對實際出現的機器軸速度分布進行近似處理，可以根據控制數據對上述輪廓進行掃描，而且可以通過三次方或更高次方的多項式，優選用三次方多項式把掃描點連接成近似的斷面光譜；2.2利用多項式並根據由此得到的參數推導出現的軸向速度載荷和軸向加速度載荷；2.3如果算出的軸向速度極限及機器軸加速度極限超過或低於總的機器軸速度極限及機器軸加速度極限，那麼要把其在該區域中的值設定為超出或低出的極限值。
本發明的另一個特別簡化的優選實施例具有以下特徵3.1代替用局部限制來使走刀速度儘可能恆定，而確定這種走刀速度斷面圖中的最小值並以恆定的所算出的這個最小值走刀速度在整個軌跡上進行加工。
本發明的另一個優選實施例是可變型的和可靈活使用的實施例，其具有以下特徵
4.1隻根據粗內插來計算機器軸的值，從而使該方法與各自的機器運動學無關。
本發明所具有的優點特別在於，在輪廓表面上對軌跡加速度極限進行自動調整，而且只在絕對需要的地方設定極限值。可以在表面輪廓上進行內插而且在表面輪廓上要保持儘可能寬的走刀範圍。按照本發明，要把刀具的速度控制在技術上的最佳狀態，使之不出現運行超載的情況。因此，本發明的上述優點是特別有效的，而且價格很合適。
附圖中描述了本發明的一個實施例，下面將對該實施例進行詳細說明，附圖中
圖1是在基坐標中的速度曲線圖；圖2是在機器軸坐標中的近似速度曲線圖；圖3是在機器軸坐標中的加速度曲線圖；圖4是表示本發明所述在沒有輪廓誤差的情況下限制軸向加速度的流程圖。
圖1中示出了一個曲線圖，其表示例如工具機的刀具在基坐標中的速度曲線，以及待加工工件的坐標。橫坐標表示軌跡長度B，縱坐標表示基坐標VB中的速度值。圖中描繪的是兩種速度曲線VBX和VBY。其表示在X方向和Y方向上的走刀速度，刀具以該速度加工相應的工件。雖然可將本發明所述的方法隨時用於多維空間，但是為了更易於理解，在該圖中只限於二維。通過線性分布的用預定值VBXkonst表示的速度VBX和用值VBYkonst表示的速度VBY可以進行儘可能恆定的走刀驅動。由於這種理想情況在實際中並不總是能實現，所以有時會產生偏離線性分布的情況。下面根據VBY說明兩種情況。一種情況如虛線所示，其中速度VBY暫時呈一次線性分布，然後變為多次曲線並下降到局部軌跡速度極限BVG處，接著再次上升到線性的VBYkonst。這種曲線可通過超出整個機器軸加速度極限的部分來確定。另一種情況如實線所示，其中速度VBY在超過整個機器軸速度極限的基礎上暫時呈多次曲線地下降至局部軌跡速度極限BVG。因此，在過渡區出現了清楚的拐點。在每條曲線的分布圖上分別出現一個最小值M。用間距B1、B2和B3以及中分間隔B1′對橫坐標進行細分，所述中分間隔平分間隔B1和B2之間的間距。把局部軌跡速度極限BVG精確地調整到B1′。
圖2中描述了一條曲線，其中用機器軸坐標示出了電驅動的近似速度曲線。圖中再次示出了X方向和Y方向上的速度分布VMX和VMY。橫坐標表示軌跡長度B，其中該長度被多個間隔B1、B2、B3和中分間隔B1′細分。縱坐標表示機器軸坐標中的速度值。根據虛線所示，值Vmax意味著電驅動的速度曲線不能越過總的機器速度極限VMY。在儘可能保持沿待加工的整個軌跡勻速走刀的基礎上，應使間隔B1-B3內的速度VMX處於容許的速度範圍內。反之，在間隔B1-B2內的速度VMY將超過整個機器速度極限Vmax，並在中分間隔B1′處達到其最大值，通過用點狀線標出的分布曲線可描繪出其輪廓圖。該分布曲線以下的面積是明顯超出極限值的區域。對處於允許速度區域中的速度分布曲線VMY的修正是用實線的曲線段描述的，其幾乎能實現上述的理想分布曲線，但並未超出極限區域，該曲線在點V1和V2之間的階段內處於極限值Vmax。第二條允許的速度分布曲線VMY是用虛線形式的曲線段表示的，而且該曲線是在對超出整個機器加速度極限的部分進行修正的基礎上得出的。
圖3中示出了一條曲線，其中通過軌跡長度B來表示與圖2中速度分布曲線VMY相應的加速度aM。如在前兩個圖中所示，軌跡長度被間隔B1、B2、B3和中分間隔B1′細分。在縱坐標的正加速度區內以及負加速度區內分別示出了總的機器軸加速度極限amax以及-amax。用實線表示的加速度分布曲線aY對應於圖2中伸向總機器速度極限並同樣用實線表示的速度分布曲線VMY。因此，沿圖中所示的正弦曲線上升到一個局部最大值，接著下降到點aV1。在該點處根據在圖2中的V1和V2之間進行的速度修正，加速度突然降到零。下面將說明在負的加速度區域中相對橫坐標呈鏡面對稱分布的曲線。在點V2上加速度突然降到aV2，其中ay2＝-aV1，並變為加速度為零的新的橫坐標。
在機器軸坐標中用虛線表示的第二加速度分布曲線aY上，示意性地示出了一種情況，其中aY超出總的加速度極限amax和-amax。與圖2中的超速情況相類似，把aY分布曲線中可能超出極限的區域a1-a2和可能低於極限的區域a3-a4限制在相應的加速度極限amax和-amax上。在第二種情況下，aY恰好在B1′處與橫坐標相切。虛線表示其在最大加速度限定的加速度分布曲線中對相應的速度分布曲線，即與圖2中同樣用虛線表示的分布曲線VMY有這樣的影響，即其在局部加速度受限制的基礎上同樣不會超過所屬的總機器軸速度極限Vmax。在圖3中清楚地示出了位於加速度極限之外的兩個區域。
圖4中示出了一個流程圖，其描述了本發明一種方法的步驟。啟動後，在第一加工步驟中讀出數據組。接著藉助數據組中包含的掃描點通過與粗內插相適合的三次方多項式或更高次方多項式進行近似處理。在第一分路中要複查由此得出的機器運動速度是否很高，也就是說檢查機器軸的運動速度是超出或等於圖2中所示總機器軸的極限速度Vmax，以及圖3中的軸向加速度amax和-amax，還是在實際行程內超出上述極限。如果是超出，則應調整掃描步長，然後返回第一分路。而在不需要進行上述步驟的情況下，應轉入第二分路，在該分路中檢查是否必須設定軸向加速度極限。如果需要，則應按上述條件計算局部軌跡加速度極限並對其進行存儲。然後，在這兩種情況下，進入第三分路。在此檢查是否需設定軸向速度極限。如果需要，則需計算所屬的局部軌跡速度極限，並將其存儲起來。同樣，在這兩種情況下，轉入第四分路，在此檢查是否已讀出所有數據組。如果沒有，則回到第一處理步驟，即繼續讀取其它的控制數據組。如果已讀出所有數據組，則要完成標準方法規定的處理控制數據組的後續步驟，其中在另一個處理步驟中，對上述軌跡進行內插並且在其後的處理步驟中執行控制程序。執行控制程序之後將結束該方法。
為了達到本發明所述在不產生輪廓誤差的情況下限制軸向加速度的目的，和在儘可能大的範圍內以恆定的走刀速度VBXkonst和VBYkonst進行加工，必須足夠精確地確定在特殊區域及不相切區域附近的必要的動態軌跡極限。由此，根據本發明，要在內插之前近似地確定機器軸的分布曲線，並根據機器軸加速度極限amax和-amax和機器軸速度極限Vmax推導出可能需要的局部軌跡速度極限BVG或局部軌跡加速度極限的控制數據組。就使機器軸分布曲線靠近低於恆定走刀速度最大值區域的近似處理而言，根據控制數據組的掃描點通過用軌跡長度B及B、B進行粗內插便可求出輪廓並且在確定的內插間隔B1、B2和B3中通過三次方或更高次方多項式把單個掃描點彼此連接起來(參見Schruefer，E.的信號處理；數位訊號的數字處理，Muenchen，Wien；Hanser出版社1990年，第74頁及下頁)。用三次方多項式可計算出在機器軸坐標中與所得到的參數有關的速度分布曲線VMX和VMY，該曲線是在勻速走刀時由基坐標中的速度分布曲線VBX和VBY提供的。圖3中所示的曲線分布示出了基坐標系統和機器軸坐標系統之間的轉換關係。此外，從由此算出的已出現的軸向速度負載中可以推導出以此為基礎的軸向加速度負載，在圖3中為了簡單起見只示出了在Y方向運動的分布曲線aY的一半。因此，從軸向速度負載分布曲線VMX和VMY以及軸向加速度負載aY中可以清楚地找到與各內插間隔B1、B2和B3相應的總機器速度極限Vmax和總機器加速度極限amax及-amax。因此，可以確定，機器軸的運動超過或低於總的機器速度極限Vmax或總的機器軸加速度極限amax或-amax或者是以實際計算值或連接間隔為基礎的機器軸的運動分布曲線有超出或低於所述機器極限的危險，為此，需要調整對機器軸運動所進行的掃描步長，通過這種方式來識別轉折的間隔並對粗大間隔進行細密掃描。這種情況出現在從B1到B3的間隔中，為此採用了作為另一個掃描點的中分間隔B1′。這樣便確保識別出包含不連續點即跳躍點或拐點的特殊區域並對其進行細密掃描。對機器軸負載較小的區域只需進行粗掃描而沒有必要計算時間。因此，掃描時應考慮可獨立用三次方多項式或更高次方多項式進行較好近似的斷面光譜。
為了能以在基坐標系統中的恆定走刀速度VBXkonst和VBYKonst進行加工，通常必須不斷地把X和Y方向上的滑動速度以及速度分布曲線轉換到機器軸坐標中。重要的是，使該速度處於機器負載的極限範圍內，否則就會出現滯後誤差，該滯後誤差之後會帶來輪廓誤差。因此，根據本發明，應儘可能在機器軸的負載極限範圍內保持勻速走刀。否則就必須調整走刀速度。這種必要性首先體現在間隔B1到B2間用實線表示的分布曲線VMY中。由於在機器坐標中Y方向上的近似速度分布曲線VMY超過了總的機器速度極限Vmax，因此，必須以例如軌跡控制中所述的拐點為基礎，限制Y方向的軸向運動，並且導出所需的適合這些規律的軌跡速度極限。由此形成了Y方向上的軸向速度分布曲線VMY，該分布曲線與總機器速度Vmax相適應，其除去了V1和V2之間明顯超出極限的區域，並把VMY限制在Vmax上。由於機器軸坐標中相應的加速度分布曲線aY在圖3中同樣也是用實線的曲線表示的，其在該示意圖中也沒有處於總的機器軸加速度極限之外，所以不需要對其進行進一步修正。然而，如果要對VMY進行速度修正，那麼會使V1和V2處的加速度突然降到零。
這個優選例雖然會使間隔B1到B2之間的走刀速度在其坐標中的Y方向不再保持恆定，但是在中分間B1′處必須經過局部軌跡速度極限BVG。通過直接分離超出區可以在VY上調整出一個突變的過渡帶，由此計算出局部軌跡速度極限BVG的分布曲線與相關坐標轉換的差值並描繪出與分離的超出區相似的逆分布曲線。由此形成了以下優點，即可避免在其它調整狀態下出現軸向滯後誤差和在工件的彎曲表面上形成輪廓誤差。
除了總的機器速度極限Vmax之外，從機器軸坐標中的近似加速度分布曲線上還可以看出求得所需局部軌跡速度極限和/或軌跡加速度極限的必要性。因此，從圖3中虛線段所示的第二條aY分布曲線上可明顯看出，在間隔B1中，近似加速度分布曲線在Y方向上超出了機器軸加速度amax。在負加速度區B2中也出現相同情況，在該區域中其低於負的機器軸加速度極限-amax。由此產生的機器加速度負載aY帶來可能會引起輪廓誤差的機器軸加速度。由於涉及關鍵性的間隔，掃描步長相應於高速機器軸運動來匹配並插入中分間隔B1′。在這種情況下，可考慮在間隔B1之前和B2之後減小掃描步長，但為了簡明起見，不對其作進一步說明。由於超出了總的機器軸向加速度極限amax及-amax，所以要把間隔點a1和a2之間的各加速度局限在最大值上，而把間隔a3和a4之間的各加速度局限在最小值上。在圖3中用虛線表示需要修正的加速度分布曲線aY，該曲線從a2開始到a3呈負增長分布，並在B1′點與橫坐標相交。對加速度aY的限制會對機器軸坐標中的速度分布曲線VMY產生這樣的影響，即使得VMY在a1和a2之間以及a3和a4之間呈線性分布。這種情況對基坐標中的走刀速度而言將導致出現局部軌跡速度極限和/由於線性增加的速度與VMY不相切所以偏離的情況在上述兩點間開始和結束。
在此應當指出，對兩種情況下的曲線分布並不是按比例進行描繪的，而僅僅是將其作為原理圖進行處理的。
本發明對於總的機器速度極限Vmax及總的機器軸加速度極限amax和-amax的考慮以及在需要時由此導出的局部軌跡加速度極限和軌跡速度極限，會導致只在絕對必要的部位上才對機器的效率加以限制和約束。這樣，既可以最佳地利用驅動效率，又可以防止出現輪廓誤差還能防止導致完全停機的軸向滯後誤差監控的中斷。
在本發明的一個簡化實施例中還提出，替代使走刀速度儘可能保持勻速和局部限制而確定在這種走刀速度斷面圖中的最小值M。然後以最小走刀速度M沿整個軌跡進行勻速加工。這個優選例的計算量很小並易於實現。然而它卻確保了既不超出總的機器軸速度極限又不超出總的機器軸加速度極限。由於要使本發明的方法儘可能保持靈活多變，所以要在所述的輪廓上通過粗內插來確定機器軸的值。因此，該方法與各種機械運動學無關，而且還提供了可考慮轉換以及刀具加長和半徑修正等其它可能性。此外，還可以考慮曲線內插及細內插等任何一種方法。
權利要求
1.一種控制電驅動速度的方法，其特徵在於1.1在進行內插之前先近似地確定機器軸的速度分布曲線(VMX，VMY)，並藉助總的機器軸速度極限(Vmax)和機器軸加速度極限(amax，-amax)導出可能會需要的並用於各控制數據組的軌跡速度極限(BVG)和/或局部軌跡加速度極限；1.2通過對機器軸負載較小的區域(B1、B2、B3)進行粗掃描，而對關鍵區域(B1′)進行細密掃描，可改變用於近似處理的掃描步長並使其總是適合於機器軸的運動；1.3除了通過算出的局部軌跡速度極限(BVG)和/或局部軌跡加速度極限對在加工軌跡上的走刀速度進行必要限制外，要儘可能長久地把該速度控制在預定的恆定值(VBXkonst、VBYkons)上。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，2.1為了對實際出現的機器軸速度分布曲線(VMX，VMY)進行近似，要藉助控制數據對所述的輪廓進行掃描，並通過三次或更高次多項式，優選用三次方多項式把掃描點連接成一個近似的斷面光譜圖，2.2根據由此得出的軌跡參數並利用多項式導出所出現的軸向速度負載(VMX，VMY)和軸向加速度負載(aY)，2.3如果算出的軸向速度負載(VMX，VMY)和/或加速度負載(aY)超出或低出總機器軸速度極限(Vmax)或機器軸加速度極限(amax，-amax)，那麼要把其在該區域的值設定為超出或低出的極限值(Vmax、amax，-amax)上。
3.根據權利要求1或2的方法，其特徵在於，3.1代替用局部限制使走刀速度儘可能保持勻速，確定這種走刀速度斷面圖中的最小值(M)並以算出的最小值在整個軌跡上進行加工。
4.根據上述任一項權利要求所述的方法，其特徵在於，只根據粗內插計算機器軸的值，以使該方法與各自的機械運動學無關。
全文摘要
一種控制電驅動速度的方法，該方法能夠在不產生輪廓誤差的情況下限制軸向加速度，其中在特殊區域附近可以事先足夠精確地確定必要的動態軌跡限制，這是通過在內插之前用高次多項式近似地求出機器軸的運行狀態並根據總的機器軸加速度極限和機器軸速度上限導出與每個控制數據組有關的可能需要的局部軌跡速度極限或局部軌跡加速度極限來實現的。否則，應使走刀速度保持勻速。通過對關鍵區域進行細密掃描來改變用於近似處理的掃描步長是可變的並可根據算出的機器軸負載來匹配。
文檔編號G05B19/41GK1155337SQ95194619
公開日1997年7月23日 申請日期1995年9月15日 優先權日1994年9月29日
發明者沃爾夫岡·斯佩斯, 威廉·韋斯特邁耶 申請人:西門子公司