微小程序段的動態前瞻處理方法及實現裝置的製作方法

2023-12-01 05:30:46 1

專利名稱：微小程序段的動態前瞻處理方法及實現裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及數控裝置的速度處理技術，具體地說是一種對CAM產生由微小程序段組成的工件程序加工速度的處理方法。採用該方法的數控裝置可實現微小程序段加工速度的動態前瞻處理，有效地解決小線段加工中的速度光滑問題與尖角過渡問題，從而改善工件的表面加工質量。
背景技術：
複雜型面的加工是高性能數控工具機的主要應用對象。在目前的數控裝置中，由於成本及系統處理能力的限制，裝置通常只具有直線與圓弧處理功能。因此，為了實現裝置對複雜型面的加工，必須先採用CAD系統進行實體模型設計，再由CAM系統根據加工工藝，將三維模型轉換成由程序段(直線段或圓弧段)組成的加工程序，由數控裝置進行加工處理。通常為了達到程序段所規定的速度與精度，裝置要對每個程序段進行加、減速處理，以保證刀具經過程序段所指定的位置。
而在複雜型面的加工中，為了確保由直線或圓弧擬合工件的形狀與精度，CAM產生的程序段所規定的路徑位移通常很短，因此也稱微小程序段(指毫米級)。如果以每個微小程序段為單位進行加、減速控制，這些微小程序段一方面將導致電機的頻繁啟停，同時過短的加工位移也會造成速度處理中的「數據飢餓」，無法達到規定的速度。實際上CAM產生的複雜型面加工程序具有一個顯著的特徵，即完成某一連續加工路徑的微小程序段具有相同的進給速度，且程序段間所形成的切向速度夾角滿足相應的擬合精度要求。因此，採用前瞻處理技術，通過對完成某一連續加工路徑程序段的進給速度統一規劃，並實現不同加工路徑間速度的連接處理，可有效地實現微小線段加工處理中的速度光滑問題和尖角過渡問題。
目前數控裝置中的前瞻處理功能已成為評價其性能的重要指標，國、內外的許多高性能數控裝置，如西門子、發那科公司的產品均配有相應的功能組件。這些方法主要為靜態方法，即通過在裝置中開闢程序段緩衝區，並以程序段預讀技術來實現加工速度的統一規劃。因此，程序段的前瞻處理段數成為評價其性能的重要指標。然而，CAM所生成的複雜型面的加工程序通常規模很大。以500×500mm的中等加工表面為例。以步長0.5mm，行距1mm加工，其程序段數則為500×500/0.5＝50萬段。龐大的程序段數，使靜態方法無法完全預見加工的軌跡情況而產生「斷鏈」，從而造成加工中速度的不連續。同時因裝置控制對象的動態特性，以及用戶在加工中對進給及主軸速度修調等交互操作，前瞻處理本身是個動態的過程。採用靜態處理方法，因處理過的程序段已存儲在緩衝區中，無法根據裝置的動態特性對已規劃的數據進行動態的調整。

發明內容
針對現有數控裝置微小程序段前瞻處理方法存在的問題，本發明的目的是提供一種可根據裝置的動態特性對已規劃的數據進行修正的微小程序段動態前瞻處理方法及實現裝置，本發明通過引入「程序鏈」和「程序鏈」識別的判定條件與速度規劃方法，以及「程序鏈」間的速度連接處理來實現微小程序段加工速度的動態前瞻處理；基於此方法，本發明採用PC平臺開發了數控實現裝置，以實現加工過程中微小程序段進給速度的連續控制。
為了實現上述目的，本發明的技術方案如下採用人機接口、任務協調、運動控制及可編程控制器，將運動控制與可編程控制器加載於系統的內核空間，人機接口、任務協調部分加載於系統的用戶空間，彼此間通過系統的共享通訊緩衝區互相通信；運動控制包括運動規劃與軸控制兩部分；其中運動規劃採用動態前瞻速度處理方法，對經任務協調部分解釋的微小程序段進行速度規劃，形成加工過程中的速度設置值，由軸控制部分實現加工過程中工具機伺服軸的平滑運動。
所述的動態前瞻速度處理方法由「程序鏈」識別，「程序鏈」速度規劃以及「程序鏈」間速度連接處理三步組成。所述「程序鏈」為滿足裝置速度與精度要求的連續程序段。基於CAM產生複雜型面工件程序的特徵，相鄰的兩個程序段可形成「程序鏈」。所述「程序鏈」識別的判定條件為1)具有相同的程序段設置速度；2)當刀具以設置速度通過兩個程序段銜接的夾角處時，速度不超過裝置的設定值；3)當刀具以設置速度通過兩個程序段連接的夾角時，誤差不超過裝置的設定值；基於所述判定條件，方法中「程序鏈」的識別可對連續到來的程序段「聚類」，形成若干「程序鏈」；程序段的「聚類」是個動態的過程。
所述速度規劃處理過程以「程序鏈」為處理單位，基於微小程序段加工對工件表面光潔度的要求，處理過程採用「S型」速度曲線處理方法。針對「S型」速度曲線分段處理方法約束多，計算量大的問題，處理過程採用基於三次函數的處理方法；具體是通過採用三次函數對「S型」速度曲線的加速階段與減速階段擬合，進而形成「程序鏈」速度處理中加速階段、勻速階段、減速階段的插補步數與運動位移；當「程序鏈」只包含一個程序段時，所實現的是傳統的速度規劃方法；當「程序鏈」包含多個程序段時，因其可對預先到來的程序段統一規劃，所完成的是加工速度的前瞻處理；在速度處理中，由於程序段的到來是個動態的過程。若後續到來的程序段滿足當前「程序鏈」的判定條件，且當前「程序鏈」加工尚未到減速階段，則通過對已規劃勻速與減速階段的插補步數進行修正，來防止靜態處理方法中產生的「斷鏈」現象。
當出現多個「程序鏈」時，所述「程序鏈」間速度連接處理基於當前鏈的起始增量、後續鏈的終止增量以及「程序鏈」間切向速度夾角約束值，利用「遞推」與「逆推」相結合機制，得出「程序鏈」間連接速度，以實現「程序鏈」間速度的平滑過渡。
所述微小程序段的動態前瞻處理方法的實現裝置，基於ISA總線，由電源供電，包括顯示器、中央控制器、工具機操作面板、軸控制電路及接口電路，其中中央控制器與顯示器、工具機操作面板通信，並通過ISA總線與軸控制電路及接口電路通信，微小程序段的動態前瞻處理程序安裝在中央控制器的FLASH或DOM中，實現裝置加工速度的平滑處理；所述處理程序由程序段隊列管理、程序段管理、程序鏈管理、程序鏈隊列管理、軌跡規劃。所述程序段隊列管理接收工件程序，為運動規劃與任務協調間的接口；程序段管理實現程序段數據格式的轉換；程序鏈管理根據程序鏈判定條件實現工件程序中程序鏈的識別；程序鏈隊列管理以程序鏈的方式實現對工件程序的管理與程序鏈間速度連接的處理；軌跡規劃基於本發明方法實現加工速度的平滑控制。
與現有的技術相比，本發明有以下優點一是適應性強。引入「程序鏈」概念，將程序段的前瞻處理歸結為「程序鏈」的識別問題。通過設置相應「程序鏈」判定條件，使得方法既可實現單程序段的速度規劃，也可實現多程序段的速度規劃。
二是執行效率高。採用三次函數擬合「S-型」速度處理曲線，避免了分段處理方法的計算複雜性。在保證速度平滑的基礎上，提高了算法的執行效率。
三是動態性好。針對裝置控制對象的動態特性，引入速度規劃中勻速階段、減速階段的運動步數的動態修正機制，既避免了速度處理中「斷鏈」現象，也可處理加工中用戶對進給及主軸速度修調等交互操作。
四是速度平滑度高。針對工件程序中出現的多個「程序鏈」，通過引入「程序鏈」間速度連接的「遞推」與「逆推」處理機制，確保加工過程中速度的平滑性。


圖1為本發明方法總體結構圖。
圖2-1為完成某一加工路徑連續微小程序段集即「程序鏈」的組成圖。
圖2-2為圖2-1中左上角兩個「程序鏈」的放大圖。
圖3-1為兩個微小程序段連接所形成的「程序鏈」運動軌跡。
圖3-2為圖3-1中「程序鏈」的速度判定圖。
圖3-3為圖3-1中「程序鏈」的誤差判定圖。
圖4為本發明「程序鏈」的速度規劃方法圖。
圖5為本發明「程序鏈」間速度連接處理圖。
圖6為本發明方法的實現裝置結構圖。
圖7為本發明程序結構圖。
圖8為本發明「程序鏈」識別的程序流程圖。
圖9為本發明「程序鏈」速度規劃程序流程圖。
圖10為本發明「程序鏈」間速度連接程序流程圖。
圖11為本發明程序順序圖。
圖12為現有方法速度規劃的效果圖。
圖13為本發明速度規劃的效果圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
(1)微小程序段的動態前瞻處理方法參見圖1，採用人機接口、任務協調、運動控制及可編程控制器，將運動控制與可編程控制器加載於系統的內核空間，人機接口、任務協調部分加載於系統的用戶空間，彼此間通過系統的共享通訊緩衝區互相通信；其中人機接口用來接收操作命令與工件程序，用來顯示本發明實現裝置的加工過程，實現工具機操作人員與本發明實現裝置間的交互。
任務協調由狀態管理與工件程序解釋兩部分組成。狀態管理採用有限狀態機技術，實現加工狀態間，如自動加工、手動等方式間的自動管理與切換。工件程序解釋採用編譯技術，實現操作命令與工件程序到工具機控制命令的分解。
運動控制包括運動規劃與軸控制兩部分，運動規劃根據程序段動態前瞻處理方法，生成工具機伺服軸的速度設置值傳給軸控制部分，由軸控制部分控制裝置實現加工過程中工具機伺服軸的平滑運動。
可編程控制器由梯形圖編輯器與可編程控制器引擎兩部分組成。梯形圖編輯器實現以梯形圖表示工具機電器控制程序的編輯與轉換。可編程控制器引擎對工具機電器控制程序解釋執行，從而完成工具機電器，如冷卻液開關、換刀等的控制動作。
所述微小程序段的動態前瞻處理方法由「程序鏈」識別，「程序鏈」速度規劃以及「程序鏈」間速度連接處理步驟組成，以解決微小程序段加工中的速度平滑和尖角過渡問題。「程序鏈」識別所述「程序鏈」為滿足裝置速度與精度要求的連續程序段；基於CAM產生複雜型面工件程序的特徵，相鄰的兩個程序段可形成「程序鏈」；如圖2-1所示，「程序鏈」為完成某一加工路徑的連續微小程序段集(具有從1到7個「程序鏈」的加工軌跡)，圖2-2表示第4到5個「程序鏈」加工軌跡所包含的程序段，其中程序鏈4的起始點是從程序鏈3的AB程序段的B端起算，具體包括BC、CD、DE、EF程序段；程序鏈5包括FG、GH程序段。基於CAM產生複雜型面加工程序的特徵，可得「程序鏈」識別的判定條件。
「程序鏈」識別的判定條件推導過程如下如圖3-1所示，設Pi、Pi+1為工件程序中相鄰的兩個程序段，其速度向量分別為vi(vi,x,vi,y,vi,z),vi+1=(vi+1,x,vi+1,y,vi+1,z),]]>其中(vi，x，vi，y，vi，z與vi+1，x，vi+1，y，vi+1，z分別為速度向量在x軸、y軸與z軸的投影。 之間的夾角為θ，裝置的最大加速度amax，裝置的形狀誤差為e，裝置的插補周期為Δt。為了描述「程序鏈」的判定條件，引入如下符號maxInc表示勻速增量(屬一種位移增量)，即圖3-1中兩點間的距離，A、C表示採用本發明Pi、Pi+1兩個程序段的連接點，B表示採用傳統方法Pi、Pi+1兩個程序段的連接點。運動時Pi、Pi+1兩個程序段的一個插補周期的位移增量分別為maxInci=|vi|t]]>maxInci+1=|vi+1|t]]>因此，勻速增量maxInc由程序段速度設置值和插補時間決定。
cornerInc表示由裝置的加速度amax決定的兩相鄰程序段Pi、Pi+1間夾角處一個插補周期的位移增量。如圖3-2所示，Δxn、Δyn、Δzn分別表示勻速增量maxInc在x軸、y軸與z軸的投影，n表示插補步數，則cornerIncamaxt2maxkx,y,z|vi+1,k-vi,k|cos;]]>其中maxkx,y,z|vi+1,k-vi,k|]]>為|vi+1，x-vi，y｜、|vi+1，y-vi，y|、|vi+1，z-vi，z|中值較大者，α為其與對應軸所形成的夾角。
shapInc表示由形狀誤差e決定的兩個相鄰程序段Pi、Pi+1間夾角處一個插補周期的位移增量，如圖3-3所示，BD表示微小程序段連接所產生的形狀誤差，則shapInc4e2+cos;]]>
基於上述描述，若且唯若maxInci＝maxInci+1，maxInci≤shapInc，maxInci≤cornerInc時，程序段Pi，Pi+1可歸為一個「程序鏈」。
「程序鏈」速度規劃所述速度規劃處理過程以「程序鏈」為處理單位，基於微小程序段加工對工件表面光潔度的要求，處理過程採用「S型」速度曲線處理方法。針對「S型」速度曲線分段處理方法約束多，計算量大的問題，處理過程採用基於三次函數的處理方法，具體是通過採用三次函數對「S型」速度曲線的加速階段與減速階段擬合。
如圖4所示，規劃將「程序鏈」的運動分為加速、勻速、減速三階段，各階段的插補步數分別為m、p、q，並以initInc、maxInc和finalInc分別表示其在運動起始階段、勻速階段與終止階段的單位插補時間的位移增量(簡稱起始增量、勻速增量與終止增量)。針對基於分段處理方法計算量大，所述處理以如下三次函數擬合「S型」速度曲線的加速階段與減速階段的位移增量ΔD(n)＝a(nΔt)3+b(nΔt)2+c(nΔt)+d (1)其中ΔD為位移增量，a，b，c，d，為速度曲線的係數；n為插補序數。
由已知條件D(0)=D0,D(s)=DendD(0)=0,D(s)=0,]]>可得三次函數的四個係數a=-2Dend-D0(st)2]]>b=3Dend-D0(st)2---(2)]]>c＝0d＝ΔD0式中ΔD0是運動起始的位移增量，即起始增量；ΔDend是運動結束時位移增量，即終止增量；s是插補步數，為未知數。s越小，即速度調整的步數越少，速度改變的就越快，相應地加速度就越大，由此可得插補步數為s=ceil[3|Dend-D0|2amaxt2]---(3)]]>由式(1)，(2)和式(3)可以求出經過s個插補周期的總位移，表達式為D=n=1sD(n)=(s+1)(D0+Dend2)-D0---(4)]]>基於公式(1)、(2)、(3)、(4)進行程序鏈的速度規划具體為
加速階段插補步數為m，從起始增量initInc加速到勻速增量maxInc，運動位移為D1，將ΔD0＝initInc，ΔDend＝maxInc代入式(2)、(3)、(4)，可以得插補步數m=ceil[3|maxInc-initInc|2amaxt2]]]>運動位移D1=(m+1)(initInc+maxInc2)-initInc]]>位移增量函數係數a1=-2maxInc-initInc(mt)2]]>b1=3maxInc-initInc(mt)2]]>c1＝0d1＝initInc減速階段插補步數為q，從勻速增量maxInc減速到終止增量finalInc，運動位移為D3，將ΔD0＝maxInc，ΔDend＝finalInc代入式(2)、(3)、(4)，可以得出插補步數q=ceil[3|finalInc-maxInc|2amaxt2];]]>運動位移D3=(q+1)(finalInc+maxInc2)-maxInc;]]>位移增量函數係數
a3=-2finalInc-maxInc(qt)2]]>b3=3finalInc-maxInc(qt)2;]]>c3＝0d3＝maxInc勻速階段運動位移D＝D-D1-D3，其中D為「程序鏈」總位移長度，根據程序段(如或是直線或是圓弧或是螺旋線)確定其長度。
插補步數p＝(D-D1-D3)/maxInc位移增量為常量maxInc。
當程序鏈無勻速階段(即在程序鏈長度範圍內，速度不能從起始增量initInc達到勻速增量maxInc並以終止增量finalInc結束)，則對勻速增量maxInc進行調整為勻速增量修正量maxInc*當maxInc＞initInc且maxInc＞finalInc時maxInc*=-13pamaxt2+16(2pamaxt)2+18(initInc2+finalInc2)+12amaxt2(initInc-finalInc+2D)]]>當maxInc＞finalInc且maxInc≤initInc時maxInc*=3[(finalInc2-initInc2)+2amaxt2(initInc-finalInc+2D)]4pamaxt2;]]>當maxInc＞initInc且maxInc≤finalInc時maxInc*=3[(finalInc2-initInc2)+2amaxt2(initInc-finalInc+2D)]4pamaxt2;]]>當maxInc≤initInc且maxInc≤finalInc時maxInc*=13pamaxt2+16(2pamaxt)2+18(initInc2+finalInc2)+12amaxt2(initInc+finalInc-2D),]]>
將maxInc調整為maxInc*後，可重新計算m，p，q及運動位移。
當程序段動態到來，滿足當前「程序鏈」的判定條件，且當前「程序鏈」加工尚未到減速階段，需對當前「程序鏈」的速度規划進行修正。設newSeg.length表示到來程序段的長度，則當其大於勻速增量maxInc，修正勻速階段插補步數，新增步數為p*=ceil[newSeg.lengthmaxInc];]]>否則將其歸為減速階段。
「程序鏈」間速度連接處理若相鄰兩程序段不能歸為一個「程序鏈」，而出現多個「程序鏈」。所述「程序鏈」間速度連接處理基於當前鏈的起始增量、後續鏈的終止增量以及「程序鏈」間切向速度夾角約束值，利用「遞推」與「逆推」相結合機制，得出「程序鏈」間連接速度，以實現「程序鏈」間速度的平滑過渡。
如圖5所示，針對工件程序中存在的多個「程序鏈」，為了避免「程序鏈」間速度降為零，所述「遞推過程」從第一個「程序鏈」開始，依次求出每個「程序鏈」加工結束後可達到的最大終止增量maxFinalInci。所述「逆推過程」從「程序鏈」隊列中的最後一個程序鏈開始，依次向前，求出為達到終止增量每個「程序鏈」的最大起始增量maxInitInci。所述方法通過掃描程序鏈隊列，取「程序鏈」連接處最大終止增量maxFinalInci和最大起始增量maxInitInci中的較小值作為連接速度linkInc，並分別對相鄰的「程序鏈」屬性進行修正，分別將起始增量或終止增量修正為linkInc。
(2)微小程序段動態前瞻處理方法的實現裝置如圖6所示，微小程序段動態前瞻處理方法的實現裝置，基於ISA總線，由電源4供電，包括TFT型顯示器1、中央控制器2、工具機操作面板3、軸控制電路5及接口電路6，其中中央控制器2與顯示器1、工具機操作面板3通信，並通過ISA總線與軸控制電路5及接口電路6通信，微小程序段的動態前瞻處理程序安裝在中央控制器2的FLASH或DOM型存儲器中，實現微小程序段動態前瞻處理；為了確保控制裝置控制性能與開放特性，裝置的軟體平臺採用具有實時擴展的通用作業系統RTLinux。
具體如下TFT型顯示器1的尺寸為10.4″，採用640×480的顯示方式，支持16位增強色。
中央控制器2採用標準的工控板卡，CPU採用Intel的PentiumMMX，主頻200MHz，內存32M，支持FLASH與DOM兩種方式，存儲容量64M。
工具機操作面板3是人機互動的界面，完成鍵盤編輯、顯示信息和圖形及完成對工具機操作的等功能。操作面板包括主鍵盤板、功能鍵盤板、鑰匙開關和LCD指示燈、波段開關、急停開關、循環啟動，循環停止按鈕等(為現有技術)。
電源4為數控系統提供+5V、+12V、-12V三種直流電源。它具有高效率，高可靠性，低輸出紋波與噪聲的特點。電源單元主要由工業用開關電源T-50B、電源控制板、電源輸入板、電源EMI濾波器四部分組成(為市購產品)。
軸控制電路5為標準電路(市購產品)。它根據工具機伺服軸的控制要求，提供D/A輸出接口、編碼器輸入接口、開關信號接口、測頭信號接口、顯示燈信號接口、輸入輸出電路接口、編碼器故障檢測接口、ISA總線接口，並由現場可編程門陣列提供控制邏輯。其中D/A輸出接口提供伺服驅動的控制信號，編碼器輸入接口檢測伺服電機中編碼器的位置信號，開關信號接口檢測工具機伺服軸的回零點與極限位置，測頭信號接口檢測測頭的在線位置信號，顯示燈信號接口提供軸控制中的執行狀態，輸入輸出電路接口為接口電路提供控制信號，編碼器故障檢測接口檢測編碼器的故障。電路產生信號最後通過ISA總線接口電路6與裝置中的中央控制器2進行通信，由其上的軟體完成微小程序的速度規劃。
接口電路6為標準電路(市購產品)，主要功能是提供隔離的64輸入/48輸出數字接口，起著裝置與工具機功能部件(如各種開關、指示燈以及繼電器)之間的信息傳遞作用。數控工具機中各種開關(如限位開關等)的狀態要通過數字輸入埠讀入到裝置中，而數控工具機控制面板上的指示燈以及繼電器的通斷，則通過接口電路6的數字輸出埠進行控制。接口電路6的每個通道都是光電隔離的，增強了系統的抗幹擾能力。
如圖7所示，微小程序段動態前瞻處理程序包括軌跡規劃(TrajectoryPlanner)、程序段隊列管理(SegmentQueue)、程序鏈管理(SegmentChain)、程序鏈隊列管理(ChainQueue)、程序段管理。程序受運動控制主程序調用，其中程序段隊列管理為運動規劃與任務協調部分的接口，任務協調部分通過其將工件程序傳給運動規劃部分，程序段管理將程序段隊列管理中的元素轉換成本方法數據結構，其結構包含如下元素type程序段類型，如直線，圓弧，螺旋線；startPosition程序段的起始位置；endPosition程序段的終止位置；line直線參數；helixRadius螺旋線參數；circle圓弧參數當運動控制調用程序段隊列管理接收程序段後，由程序段管理將其轉換成本方法所需的數據結構，然後調用程序鏈管理根據判定條件形成軌跡規劃的處理對象——程序鏈，由此觸發軌跡規劃的運行；軌跡規劃根據「S-型」速度曲線對速度進行規劃，並在存在多個程序鏈時，調用程序鏈隊列管理計算程序鏈的連接速度；最後運動控制根據軌跡規劃的結果調用軸控制部分，形成加工過程中切削速度的平滑控制。
「程序鏈」管理根據判定條件識別加工程序中的「程序鏈」，其程序流程圖如圖8所示，具體為首先從程序段隊列中讀取新到的程序段(newseg)，若當前「程序鏈」為空，則以新到的程序段為元素形成「程序鏈」否則從當前「程序鏈」取出隊尾的程序段(PLlast)；若新到的程序段與隊尾的程序段不滿足「程序鏈」識別判定的三個條件，則以新到的程序段為元素形成「程序鏈」，識別判定處理結束；若新到的程序段與隊尾的程序段滿足「程序鏈」識別判定的三個條件，且當前「程序鏈」尚未進行加工，則將新到的程序段併入當前「程序鏈」，識別判定處理結束；否則對當前「程序鏈」的速度規划進行修正；若新到的程序段滿足速度兩個修正條件(即滿足當前「程序鏈」的判定條件及當前「程序鏈」加工尚未到減速階段條件)，將新到的程序段併入當前「程序鏈」，並對「程序鏈」的插補步數進行調整，識別判定處理結束；否則不滿足速度修正條件，以新到的程序段為元素形成「程序鏈」，完成識別處理。
軌跡規劃實現加工處理中「程序鏈」的速度規劃與速度連接。「程序鏈」速度規劃程序流程圖如圖10所示，具體為從「程序鏈」隊列中取出隊首「程序鏈」，判斷其當前狀態。若該「程序鏈」尚未規劃(新的程序鏈)，則調用「程序鏈」隊列管理程序計算「程序鏈」間的連接速度，根據所述方法規劃出運動各個階段的插補步數m、p、q及位移增量函數的係數a、b、c、d，初始運動規劃的插補步數並標記當前「程序鏈」的狀態(即使標記該程序鏈已規劃)，然後分別計算各個階段的位移增量；否則該程序鏈已規劃則根據運動狀態直接分別計算各個階段的位移增量；若當前運動處於加速階段，根據其位移增量函數計算其位移增量；若當前運動處於勻速階段，其位移增量為常量；若當前運動處於減速階段，根據其位移增量函數計算其位移增量；然後再由相應運動狀態的位移增量計算運動位移，將位移轉換成三維坐標值並輸出，同時累計插補步數作為「程序鏈」結束的判定條件。若當前「程序鏈」運動結束，判斷整個程序是否結束。若整個加工程序結束，清除運動隊列，結束運動規劃。
「程序鏈」隊列管理對「程序鏈」隊列進行維護，以「程序鏈」的方式實現對加工程序的管理，並計算「程序鏈」間的連接速度。「程序鏈」隊列管理的程序流程圖如圖9所示，具體為掃描「程序鏈」隊列，從頭往後遞推計算每個「程序鏈」最大結束增量；然後從後往前逆推計算每個「程序鏈」最大起始增量maxInitInci；最後比較相鄰「程序鏈」間的最大起始增量與最大結束增量maxFinalInci，取其最小值作為「程序鏈」間的連接速度。
在上述軟、硬結構的實現裝置運行中，用戶可通過人機接口輸入工件程序，工件程序在任務協調的控制下，經工件程序解釋發送給運動控制，進入加工程序運動規劃。如圖11所示，當運動控制調用程序段隊列管理接收程序段後，由程序段管理將其轉換成本方法所需的數據結構，然後調用程序鏈管理根據判定條件形成軌跡規劃的處理對象——程序鏈，由此觸發軌跡規劃的運行；軌跡規劃根據「S-型」速度曲線對速度進行規劃，並在存在多個程序鏈時調用程序鏈隊列管理計算程序鏈的連接速度；最後運動控制根據軌跡規劃的結果調用軸控制部分，形成加工過程中切削速度的平滑控制。
(3)本發明執行效果本發明方法及實現裝置的執行機構採用安川∑-2伺服與電機，控制工具機為三軸數控銑床，裝置的主要參數如下·進給率F＝2500mm/min·最大加速度＝1000mm/s2·插補周期＝0.002秒·伺服周期＝0.0005秒·任務協調執行周期＝0.006秒本發明方法及實現裝置效果的評價以微小程序段加工中常用的「R型」曲線的加工為評測依據。採用現有方法速度規劃曲線如圖12所示(橫坐標以伺服周期為單位，縱坐標表示所對應的加工速度)；而採用本發明方法與實現裝置，速度規劃曲線如圖13所示。從速度曲線的對比可以得到如下結論1.微小程序段動態前瞻處理方法的實現裝置加減速次數少，速度曲線平滑。加工「R型」曲線時，本發明僅經過6次加減速處理，而傳統方法需要26次加減速。
2.微小程序段動態前瞻處理方法的實現裝置實現了程序鏈間的速度連接，而傳統方法沒有實現程序鏈(或段)間的速度銜接，每段加工結束後速度為零。
3.微小程序段動態前瞻處理方法加工速度高。因為對於相同初始化控制參數，本發明方法實現裝置加工R型曲線時用了220個單位的時間，而傳統方法用了400多個單位的時間。
權利要求
1.一種微小程序段的動態前瞻處理方法，採用人機接口、任務協調、運動控制及可編程控制器，將運動控制與可編程控制器加載於系統的內核空間，人機接口、任務協調部分加載於系統的用戶空間，彼此間通過系統的共享通訊緩衝區互相通信；運動控制包括運動規劃與軸控制兩部分；其特徵在於運動規劃採用動態前瞻處理方法，對經任務協調部分解釋的微小程序段進行速度規劃，形成加工過程中的速度設置值，由軸控制部分實現加工過程中工具機伺服軸的平滑運動。
2.按權利要求1所述微小程序段的動態前瞻處理方法，其特徵在於所述動態前瞻處理方法由「程序鏈」識別，「程序鏈」速度規劃以及「程序鏈」間速度連接處理組成，所述「程序鏈」為滿足裝置速度與精度要求的連續程序段；基於CAM產生複雜型面工件程序的特徵，相鄰的兩個程序段可形成「程序鏈」；所述「程序鏈」識別的判定條件為1)具有相同的程序段設置速度；2)當刀具以設置速度通過兩個程序段連接的夾角處時，速度不超過裝置的設定值；3)當刀具以設置速度通過兩個程序段連接的夾角處時，誤差不超過裝置的設定值；基於所述判定條件，「程序鏈」識別過程對連續到來的程序段「聚類」，以形成若干「程序鏈」；所述速度規劃以「程序鏈」為處理單位，處理過程採用「S型」速度曲線處理方法，具體是採用三次函數對「S型」速度曲線的加速階段與減速階段擬合，來形成「程序鏈」速度處理中加速階段、勻速階段、減速階段刀具的插補步數與運動位移；在速度處理中，若後續到來的程序段滿足當前「程序鏈」的判定條件，且當前「程序鏈」加工尚未到減速階段，則通過對已規劃勻速與減速階段的插補步數進行修正，來防止靜態處理方法中產生的「斷鏈」現象；所述「程序鏈」間速度連接處理當出現多個「程序鏈」時，所述「程序鏈」間速度連接處理基於當前鏈的起始增量、後續鏈的終止增量以及「程序鏈」間切向速度夾角約束值，利用「遞推」與「逆推」相結合機制，得出「程序鏈」間連接速度，以實現「程序鏈」間速度的平滑過渡。
3.按權利要求2所述微小程序段動態前瞻處理方法，其特徵在於所述「程序鏈」識別的判定條件推導過程為設Pi、Pi+1為加工程序中相鄰的兩個程序段，其速度向量分別為vi=(vi,x,vi,yvi,z),]]>vi+1=(vi+1,x,vi+1,y,vi+1,z),]]>其中vi，x，vi，y，vi，z與vi+1，x，vi+1，y，vi+1，z分別為速度向量在x軸、y軸與z軸的投影； 之間的夾角為θ，裝置的最大加速度amax，裝置的形狀誤差為e，裝置的插補周期為Δt；maxInc表示勻速增量，運動時Pi、Pi+1兩個程序段的一個插補周期的位移增量分別為maxInci=|vi|t]]>maxInci+1=|vi+1|t;]]>cornerInc表示由裝置的加速度amax決定的兩相鄰程序段Pi、Pi+1間夾角處一個插補周期的位移增量cornerIncamaxt2maxkx,y,z|vi,k-vi+1,k|cos;]]>其中 為|vi+1，x-vi，y|、|vi+1，y-vi，y|、|vi+1，z-vi，z|中值較大者，α為其與對應軸所形成的夾角；shapInc表示由形狀誤差e決定的兩個相鄰程序段Pi、Pi+1間夾角處一個插補周期的位移增量shapInc4e2+cos;]]>基於上述描述，若且唯若max Inci＝max Inci+1，max Inci≤shapInc，max Inci≤cornerInc時，程序段Pi，Pi+1歸為一個「程序鏈」。
4.按權利要求2所述微小程序段的動態前瞻處理方法，其特徵在於所述速度規劃將「程序鏈」的運動分為加速、勻速、減速三階段，各階段的插補步數分別為m、p、q，並以initInc、maxInc和finalInc分別表示其在運動起始階段、勻速階段與終止階段的單位插補時間的位移增量，即起始增量、勻速增量與終止增量；以如下函數擬合「S型」速度曲線的加速階段與減速階段的位移增量ΔD(n)＝a(nΔt)3+b(nΔt)2+c(nΔt)+d (1)其中ΔD為位移增量，a，b，c，d為速度曲線的係數，n為插補序數；由已知條件D(0)=D0,D(s)=DendD(0)=0,D(s)=0,]]>可得三次函數的四個係數a=-2Dend-D0(st)2]]>b=3Dend-D0(st)2---(2)]]>c＝0d＝ΔD0式中ΔD0是運動起始的位移增量，ΔDend是運動結束時位移增量，s是插補步數，為未知數；插補步數為s=ceil[3|Dend-D0|2amaxt2]---(3)]]>由式(1)，(2)和式(3)可以求出經過s個插補周期的總位移，表達式為D=n=1sD(n)=(s+1)(D0+Dend2)-D0---(4)]]>基於公式(1)、(2)、(3)、(4)進行程序鏈的速度規劃。
5.按權利要求4所述微小程序段的動態前瞻處理方法，其特徵在於所述程序鏈的速度規划具體如下加速階段插補步數為m，從起始增量initInc加速到勻速增量maxInc，運動位移為D1，將ΔD0＝initInc，ΔDend＝maxInc代入式(2)、(3)、(4)，可以得插補步數m=ceil[3|maxInc-initInc|2amaxt2];]]>運動位移D1=(m+1)(initInc+maxInc2)-initInc;]]>位移增量函數係數a1=-2maxInc-initInc(mt)2]]>b1=3maxInc-initInc(mt)2;]]>c1＝0d1＝initInc減速階段插補步數為q，從勻速增量maxInc減速到終止增量finalInc，運動位移為D3，將ΔD0＝max Inc，ΔDend＝finalInc代入式(2)、(3)、(4)，可以得出插補步數q=ceil[3|finalInc-maxInc|2amaxt2];]]>運動位移D3=(q+1)(finalInc+maxInc2)-maxInc;]]>位移增量函數係數a3=-2finalInc-maxInc(qt)2]]>b3=3finalInc-maxInc(qt)2;]]>c3＝0d3＝maxInc勻速階段運動位移D＝D-D1-D3，其中D為「程序鏈」總長度；插補步數p＝(D-D1-D3)/maxInc位移增量為常量maxInc；當程序鏈無勻速階段，則對勻速增量maxInc進行調整為勻速增量修正量maxInc*當maxInc＞initInc且maxInc＞finalInc時maxInc*=-13pamaxt2+16(2pamaxt)2+18(initInc2+finalInc2)+12amaxt2(initInc-finalInc+2D)]]>當max Inc＞finalInc且max Inc≤initInc時maxInc*=3[(finalInc2-initInc2)+2amaxt2(initInc-finalInc+2D)]4pamaxt2;]]>當max Inc＞initInc且max Inc≤finalInc時maxInc*=3[(initInc2-finalInc2)+2amaxt2(initInc-finalInc+2D)]4pamaxt2;]]>當max Inc≤initInc且maxInc≤finalInc時maxInc*=13pamaxt2+16(2pamaxt)2+18(initInc2+finalInc2)+12amaxt2(initInc+finalInc-2D)]]>將maxInc調整為max Inc*後，可重新計算m，p，q及運動位移；當程序段動態到來，滿足當前「程序鏈」的判定條件，且當前「程序鏈」加工尚未到減速階段，需對當前「程序鏈」的速度規划進行修正；設newSeg.length表示到來程序段的長度，則當其大於勻速增量maxInc，修正勻速階段插補步數，新增步數為p*=ceil[newSeg.lengthmaxInc];]]>否則將其歸為減速階段。
6.按權利要求2所述微小程序段的動態前瞻處理方法，其特徵在於所述「程序鏈」間速度連接處理採用「遞推」與「逆推」相結合機制推導「程序鏈」間的連接速度，通過掃描程序鏈隊列，取「程序鏈」連接處最大終止增量和最大起始增量中的較小值作為連接速度，並分別對相鄰的「程序鏈」屬性進行修正，分別將起始增量或終止增量修正為連接速度；其中所述「遞推過程」從第一個「程序鏈」開始，依次求出每個「程序鏈」加工結束後可達到的最大終止增量；所述「逆推過程」從「程序鏈」隊列中的最後一個程序鏈開始，依次向前，求出為達到結束增量每個「程序鏈」的最大起始增量。
7.一種按權利要求1所述微小程序段的動態前瞻處理方法的實現裝置，其特徵在於基於ISA總線，由電源(4)供電，包括顯示器(1)、中央控制器(2)、工具機操作面板(3)、軸控制電路(5)及接口電路(6)，其中中央控制器(2)與顯示器(1)、工具機操作面板(3)通信，並通過ISA總線與軸控制電路(5)及接口電路(6)通信，處理程序安裝在中央控制器(2)中，實現微小程序段動態前瞻處理。
8.按權利要求7所述微小程序段的動態前瞻處理方法的實現裝置，其特徵在於所述處理程序包括軌跡規劃、程序段隊列管理、程序鏈管理、程序鏈隊列管理、程序段管理，程序受運動控制主程序調用，其中程序段隊列管理為運動規劃與任務協調部分的接口；程序段管理將程序段隊列管理中的元素轉換成本方法數據結構格式；「程序鏈」管理根據判定條件將程序段聚類為「程序鏈」；軌跡規劃通過調用「程序鏈」隊列管理程序實現加工處理中「程序鏈」的速度規劃與速度連接；「程序鏈」隊列管理對「程序鏈」隊列進行維護，以「程序鏈」的方式實現對加工程序的管理，並計算「程序鏈」間的連接速度。
9.按權利要求8所述微小程序段的動態前瞻處理方法的實現裝置，其特徵在於「程序鏈」管理流程具體為首先從程序段隊列中讀取新到的程序段，若當前「程序鏈」為空，則以新到的程序段為元素形成「程序鏈」，否則從當前「程序鏈」取出隊尾的程序段；若新到的程序段與隊尾的程序段不滿足「程序鏈」識別判定的三個條件，則以新到的程序段為元素形成「程序鏈」，識別判定處理結束；若新到的程序段與隊尾的程序段滿足「程序鏈」識別判定的三個條件，且當前「程序鏈」尚未進行加工，則將新到的程序段併入當前「程序鏈」，識別判定處理結束；否則對當前「程序鏈」的速度規划進行修正；若新到的程序段滿足速度修正條件，將新到的程序段併入當前「程序鏈」，並對「程序鏈」的插補步數進行調整，識別判定處理結束；否則不滿足速度修正條件，以新到的程序段為元素形成「程序鏈」，完成識別處理。
10.按權利要求8所述微小程序段的動態前瞻處理方法的實現裝置，其特徵在於軌跡規劃程序流程具體為從「程序鏈」隊列中取出隊首「程序鏈」，判斷其當前狀態；若該「程序鏈」尚未規劃，則調用「程序鏈」隊列管理程序計算「程序鏈」間的連接速度，根據所述方法規劃出運動各個階段的插補步數及位移增量函數的係數，初始運動規劃的插補步數並標記當前「程序鏈」的狀態，然後分別計算各個階段的位移增量；否則直接分別計算各個階段的位移增量；若當前運動處於加速階段，根據其位移增量函數計算其位移增量；若當前運動處於勻速階段，其位移增量為常量；若當前運動處於減速階段，根據其位移增量函數計算其位移增量；然後再由相應運動狀態的位移增量計算運動位移，將位移轉換成三維坐標值並輸出，同時累計插補步數作為「程序鏈」結束的判定條件。若當前「程序鏈」運動結束，判斷整個程序是否結束。若整個加工程序結束，清除運動隊列，結束運動規劃。
11按權利要求8所述微小程序段的動態前瞻處理方法的實現裝置，其特徵在於「程序鏈」隊列管理流程具體為掃描「程序鏈」隊列，從頭往後遞推計算每個「程序鏈」最大結束增量；然後從後往前逆推計算每個「程序鏈」最大起始增量；最後比較相鄰「程序鏈」間的最大起始增量與最大結束增量，取其最小值作為「程序鏈」間的連接速度。
全文摘要
本發明公開一種微小程序段的動態前瞻處理方法及實現裝置，採用人機接口、任務協調、運動控制及可編程控制器，將運動控制與可編程控制器加載於系統的內核空間，人機接口、任務協調部分加載於系統的用戶空間，彼此間通過系統的共享通訊緩衝區互相通信；運動控制包括運動規劃與軸控制兩部分；其特徵在於運動規劃採用動態前瞻處理方法，對經任務協調部分解釋的微小程序段進行速度規劃，形成加工過程中的速度設置值，由軸控制部分實現加工過程中工具機伺服軸的平滑運動。採用本發明可有效地解決小線段加工中的速度光滑問題與尖角過渡問題，從而改善工件的表面加工質量。
文檔編號G05B19/4097GK1967421SQ20051004775
公開日2007年5月23日 申請日期2005年11月18日 優先權日2005年11月18日
發明者於東, 周雷, 黃豔, 郭銳鋒, 吳文江 申請人:中國科學院瀋陽計算技術研究所有限公司, 瀋陽高精數控技術有限公司