專利名稱：基于插補(bǔ)精度和加速度限制的變插補(bǔ)周期曲線插補(bǔ)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于數(shù)控機(jī)床的基于插補(bǔ)精度和機(jī)床各驅(qū)動(dòng)軸的最大加速度控制的變插補(bǔ)周期曲線插補(bǔ)方法，屬于數(shù)控機(jī)床的數(shù)字控制加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
數(shù)控機(jī)床在加工復(fù)雜曲面時(shí)，通常是在設(shè)定的加工精度范圍內(nèi)，由大量的小直線段逼近曲線而進(jìn)行直線插補(bǔ)。但是，采用直線插補(bǔ)方法的缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)量大，加工效率低。為了提高加工效率和加工質(zhì)量，曲線插補(bǔ)是目前數(shù)控加工插補(bǔ)技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，然而，由于曲線插補(bǔ)的計(jì)算復(fù)雜度太高，難以滿足數(shù)控實(shí)時(shí)加工的需求，因此，至今還未在數(shù)控機(jī)床中得到普遍應(yīng)用。·
目前，曲線插補(bǔ)技術(shù)的主要方法有以下幾種I、等參數(shù)曲線插補(bǔ)方法，其計(jì)算復(fù)雜度低，但因等參數(shù)曲線插補(bǔ)的插補(bǔ)步長不均勻，容易造成頻繁加減速進(jìn)而引起機(jī)床的振動(dòng)，不能保證加工精度。2、等速率曲線插補(bǔ)方法，它的計(jì)算復(fù)雜度也比較低，但是，在曲線的尖銳部分容易造成加工誤差比較大，同時(shí)，由于速度方向的改變，也容易引起機(jī)床各個(gè)驅(qū)動(dòng)軸的頻繁加減速。3、基于機(jī)床各驅(qū)動(dòng)軸最大加減速能力的曲線最優(yōu)插補(bǔ)方法，它是根據(jù)機(jī)床各驅(qū)動(dòng)軸的最大加速度確定待插補(bǔ)曲線上的每點(diǎn)的最大加工速度上限，并進(jìn)行前瞻處理，生成最優(yōu)速度規(guī)劃曲線，然后進(jìn)行插補(bǔ)。該方法雖然可以得到最優(yōu)的加工速度曲線，但是，對于復(fù)雜曲線的計(jì)算復(fù)雜度非常高，很難應(yīng)用于實(shí)際數(shù)控加工，同時(shí)，沒有考慮加工誤差的限制，加工精度難以得到保證。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種基于設(shè)定插補(bǔ)精度和機(jī)床各驅(qū)動(dòng)軸最大加速度限制的變插補(bǔ)周期曲線插補(bǔ)方法，該方法通過根據(jù)指定插補(bǔ)精度用近似于插補(bǔ)步長長度的微小直線段逼近曲線，然后根據(jù)編程速度、機(jī)床各驅(qū)動(dòng)軸的最大加速度和機(jī)床控制系統(tǒng)的插補(bǔ)周期范圍，確定每個(gè)微小直線段的插補(bǔ)周期和插補(bǔ)周期個(gè)數(shù)，即采用變插補(bǔ)周期的方法對曲線進(jìn)行插補(bǔ)。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種用于數(shù)控機(jī)床的基于插補(bǔ)精度和機(jī)床各驅(qū)動(dòng)軸的最大加速度控制的變插補(bǔ)周期曲線插補(bǔ)方法，其特征在于所述方法包括下列操作步驟步驟1，基于設(shè)定的插補(bǔ)精度，用大量近似插補(bǔ)步長的微小直線段逼近待插補(bǔ)曲線，且使每個(gè)微小直線段與該待插補(bǔ)曲線之間的逼近誤差滿足插補(bǔ)精度要求；步驟2，根據(jù)編程速度、機(jī)床各驅(qū)動(dòng)軸的最大加速度、數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)周期范圍的限制確定每個(gè)微小直線段的插補(bǔ)周期和插補(bǔ)周期個(gè)數(shù)。本發(fā)明用于數(shù)控機(jī)床的基于插補(bǔ)精度和機(jī)床各驅(qū)動(dòng)軸的最大加速度控制的變插補(bǔ)周期曲線插補(bǔ)方法的優(yōu)點(diǎn)是降低數(shù)據(jù)傳輸量和提高加工效率，同時(shí)，其中的全部計(jì)算操作都是線性復(fù)雜度；相對于以往的曲線插補(bǔ)算法，可以有效降低曲線插補(bǔ)的計(jì)算復(fù)雜度，并且，本發(fā)明方法還考慮了插補(bǔ)精度和機(jī)床動(dòng)力性能的限制，可以有效保證工件的加工精度，并能降低因突然加減速引起機(jī)床振動(dòng)而造成的加工誤差。此外，還可以靈活地根據(jù)設(shè)定插補(bǔ)精度和機(jī)床的動(dòng)力性能參數(shù)進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算，從而能夠適用于不同插補(bǔ)精度要求和不同機(jī)床的動(dòng)力性能參數(shù)所限制下的加工情況，尤其適用于精密加工。再者，本發(fā)明方法無需回溯處理，計(jì)算速度快，工作性能穩(wěn)定、可靠，能夠滿足實(shí)時(shí)加工的要求。雖然本發(fā)明方法主要針對二軸數(shù)控加工，但是，根據(jù)其工作原理與相應(yīng)的操作步驟，也可以很方便地?cái)U(kuò)展到三軸 五軸的數(shù)控加工中?？傊景l(fā)明具有很好的推廣應(yīng)用前
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圖I本發(fā)明用于數(shù)控系統(tǒng)的基于插補(bǔ)精度和加速度限制的變插補(bǔ)周期曲線插補(bǔ)方法操作步驟流程圖。圖2是曲線離散成小直線段的示意圖。圖3是計(jì)算曲線逼近誤差的示意圖。圖4是前一插補(bǔ)段與當(dāng)前待插補(bǔ)段的幾何關(guān)系及其插補(bǔ)速度示意圖。圖5 (A)和(B)分別是當(dāng)前待插補(bǔ)段的插補(bǔ)速度取值區(qū)間為非空集時(shí)的兩個(gè)示意圖。圖6 (A)和(B)分別是當(dāng)前待插補(bǔ)段的插補(bǔ)速度取值區(qū)間為空集時(shí)的兩個(gè)示意圖。圖7是本發(fā)明變插補(bǔ)周期曲線插補(bǔ)方法的整體操作步驟流程圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖和仿真實(shí)施例對本發(fā)明的實(shí)施過程及性能分析作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。 參見圖I，介紹本發(fā)明用于數(shù)控機(jī)床的基于插補(bǔ)精度和機(jī)床各驅(qū)動(dòng)軸的最大加速度控制的變插補(bǔ)周期曲線插補(bǔ)方法，該方法包括兩個(gè)操作步驟，步驟1，基于設(shè)定的插補(bǔ)精度，用大量微小直線段逼近待插補(bǔ)曲線(參見圖2)，且使每個(gè)微小直線段與該待插補(bǔ)曲線之間的逼近誤差滿足插補(bǔ)精度要求。步驟2，根據(jù)編程速度、機(jī)床各驅(qū)動(dòng)軸的最大加速度、數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)周期范圍的限制，確定每個(gè)微小直線段的插補(bǔ)周期和插補(bǔ)周期個(gè)數(shù)。下面詳細(xì)介紹這兩個(gè)操作步驟的具體操作內(nèi)容。首先詳細(xì)說明步驟I包括的下列操作內(nèi)容(11)先將被插補(bǔ)的參數(shù)曲線的端點(diǎn)設(shè)置為第一個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)，其所對應(yīng)的曲線參數(shù)值為Utl ;接著根據(jù)該待插補(bǔ)曲線形狀及其加工參數(shù)、編程速度Vm和最大插補(bǔ)周期Tmax確定經(jīng)驗(yàn)值α，再依據(jù)該經(jīng)驗(yàn)值α設(shè)置初始插補(bǔ)步長1():1()=0￥1111'_￡,式中,0.5〈€[ ( I ;然后,利用初始插補(bǔ)步長Ιο和當(dāng)前插補(bǔ)點(diǎn)所對應(yīng)的曲線參數(shù)值Ui,計(jì)算該待插補(bǔ)曲線上的下一個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)所對應(yīng)的曲線參數(shù)值ui+1，其中，自然數(shù)下標(biāo)i為該待插補(bǔ)曲線的插補(bǔ)點(diǎn)序號。(12)計(jì)算該微小直線段到該待插補(bǔ)曲線的逼近誤差將該待插補(bǔ)曲線的當(dāng)前插補(bǔ)點(diǎn)和下一個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)所對應(yīng)的曲線參數(shù)區(qū)間[hivJ平均分為四段，分別選取該參數(shù)區(qū)間的四分之一、二分之一和四分之三處的參數(shù)ui+Q.25，ui+0.5, ui+a75所對應(yīng)的該曲線上的三個(gè)點(diǎn)hph23和h3，并分別計(jì)算這三個(gè)點(diǎn)各自與該微小直線段的距離，將其中的最大值作為逼近誤差δ (參見圖3)。(13)判斷該逼近誤差δ是否不大于設(shè)定的插補(bǔ)精度δπ，若是，則滿足插補(bǔ)精度要求，完成該步驟I的操作；否則，采用二分法修正該插補(bǔ)步長即選取該待插補(bǔ)曲線上參
權(quán)利要求
1.一種用于數(shù)控機(jī)床的基于插補(bǔ)精度和機(jī)床各驅(qū)動(dòng)軸的最大加速度控制的變插補(bǔ)周期曲線插補(bǔ)方法，其特征在于所述方法包括下列操作步驟 步驟1，基于設(shè)定的插補(bǔ)精度，用大量微小直線段逼近待插補(bǔ)曲線，且使每個(gè)微小直線段與該待插補(bǔ)曲線之間的逼近誤差滿足插補(bǔ)精度要求； 步驟2，根據(jù)編程速度、機(jī)床各驅(qū)動(dòng)軸的最大加速度、數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)周期范圍的限制確定每個(gè)微小直線段的插補(bǔ)周期和插補(bǔ)周期個(gè)數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述步驟I包括下列操作內(nèi)容 (11)先將被插補(bǔ)的參數(shù)曲線的端點(diǎn)設(shè)置為第一個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)，其所對應(yīng)的曲線參數(shù)值為U0 ;接著根據(jù)該待插補(bǔ)曲線形狀及其加工參數(shù)、編程速度Vm和最大插補(bǔ)周期Tmax確定經(jīng)驗(yàn)值α，再依據(jù)該經(jīng)驗(yàn)值α設(shè)置初始插補(bǔ)步長Ιο : Itl=Ct VmTmax,式中,O. 5〈 α彡I ;然后,利用初始插補(bǔ)步長Ιο和當(dāng)前插補(bǔ)點(diǎn)所對應(yīng)的曲線參數(shù)值Ui,計(jì)算該待插補(bǔ)曲線上的下一個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)所對應(yīng)的曲線參數(shù)值ui+1，其中，自然數(shù)下標(biāo)i為該待插補(bǔ)曲線的插補(bǔ)點(diǎn)序號； (12)計(jì)算該微小直線段到該待插補(bǔ)曲線的逼近誤差將該待插補(bǔ)曲線的當(dāng)前插補(bǔ)點(diǎn)和下一個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)所對應(yīng)的曲線參數(shù)區(qū)間[hivJ均分為四段，分別選取該參數(shù)區(qū)間的四分之一、二分之一和四分之三處的參數(shù)ui+Q.25，ui+0.5, ui+a75所對應(yīng)的該曲線上的三個(gè)點(diǎn)，并分別計(jì)算這三個(gè)點(diǎn)各自與該微小直線段的距離，將其中的最大值作為逼近誤差S ; (13)判斷該逼近誤差δ是否不大于設(shè)定的插補(bǔ)精度δπ，若是，則滿足插補(bǔ)精度要求，完成該步驟I的操作；否則，采用二分法修正該插補(bǔ)步長即選取該待插補(bǔ)曲線上參數(shù)為
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述步驟2在用于二軸數(shù)控機(jī)床時(shí)，包括下列操作內(nèi)容 (21)先根據(jù)編程速度Vm、機(jī)床兩個(gè)驅(qū)動(dòng)軸的最大加速度Ax，Ay和數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)周期范圍[Tmin，TfflaJ，計(jì)算這三種參數(shù)對插補(bǔ)速度的限制分別為0〈vi+1 ( vffl,
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述步驟(22)中的四個(gè)集合&、&、&和X4的取值范圍是根據(jù)待插補(bǔ)曲線的幾何形狀下述參數(shù)和機(jī)床驅(qū)動(dòng)軸的不同參數(shù)而相應(yīng)改變的當(dāng) COS Θ i+1〈0,1'Γ COS^ +44./,_i cosh >0，且 cos Θ i < o 時(shí)，[u3, U4]不是空集,其余情況下，[u3, U4]都是空集； 當(dāng) COS Θ i+1>0,
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述步驟(22)包括下述計(jì)算操作步驟 (22A)集合X1的取值范圍，有下述六種不同情況 當(dāng) COS Θ i+1>0 時(shí)，X1=IiO, X2]；當(dāng) cos θ i+1〈o,且
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述步驟(24)包括下列兩種可供選擇的操作內(nèi)容 (24A)若由編程速度和機(jī)床各驅(qū)動(dòng)軸最大加速度限制所確定的插補(bǔ)速度的取值范圍為單區(qū)間，即集合X' =X1 n X2 n X3 n X4 η [ο, vm] = [o，u]時(shí)，則當(dāng)前待插補(bǔ)微小直線段的 插補(bǔ)速度為Vi+1=u，插補(bǔ)周期為
全文摘要
一種基于插補(bǔ)精度和機(jī)床各驅(qū)動(dòng)軸的最大加速度控制的變插補(bǔ)周期曲線插補(bǔ)方法，有兩個(gè)操作步驟(1)基于設(shè)定插補(bǔ)精度，用大量近似于插補(bǔ)步長的微小直線段逼近待插補(bǔ)曲線，使各微小直線段與該待插補(bǔ)曲線之間的逼近誤差滿足插補(bǔ)精度要求。(2)根據(jù)編程速度、機(jī)床各驅(qū)動(dòng)軸最大加速度、數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)周期范圍的限制，確定每個(gè)微小直線段的插補(bǔ)周期和插補(bǔ)周期個(gè)數(shù)。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)是降低數(shù)據(jù)傳輸量、保證插補(bǔ)精度和提高加工效率，有效降低了曲線插補(bǔ)的計(jì)算復(fù)雜度，降低因突然加減速引起機(jī)床振動(dòng)造成的加工誤差。還可根據(jù)設(shè)定插補(bǔ)精度和機(jī)床的動(dòng)力性能進(jìn)行插補(bǔ)，特別適用于精密加工。無需回溯處理，計(jì)算速度快，性能穩(wěn)定、可靠，滿足實(shí)時(shí)加工要求。
文檔編號G05B19/41GK102880118SQ20121036925
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月27日
發(fā)明者張立先, 李洪波, 高小山 申請人:中國科學(xué)院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院