CN108303952B - 一种适用于数控装置刀具的小线段的速度曲线规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于数控装置刀具的小线段的速度曲线规划方法，具体涉及数控技术领域的小线段加工技术。本发明方法通过合并速度规划单元，减少确定的了速度规划单元的个数，在传统速度规划过程中，每一个速度规划单元的开始处，加速度从零开始增加到系统允许的最大值，然后在速度规划单元的结束处降低为零，通过减少速度规划单元个数和采用新的速度规划方法，可以有效减少加工过程中加速度变化过程所占用的时间。同时，通过合并速度规划单元，合并后的新速度规划单元对应的刀具路径长度增加，加工过程中，刀具的加工速度可以在最大值点维持较长时间，在提高加工质量的同时，有效的减少了加工时间，提高了加工效率。

Description

一种适用于数控装置刀具的小线段的速度曲线规划方法

技术领域

本发明涉及数控技术领域的小线段加工技术，具体的说是一种适用于数控装置刀具的小线段的速度曲线规划方法。

背景技术

模具的型腔、汽车部件以及航空结构件广泛采用自由曲线、自由曲面进行描述，但是除了少数种类的高端数控机床外，现有的数控机床不能够直接加工自由曲线和自由曲面。为了解决这个问题，制造领域采用小线段逼近自由曲线和自由曲面，然后，生成相应的描述加工过程中刀具运行路径的数控程序。实际数控加工过程中，现有的技术根据小线段的长度进行速度规划，生成运动学曲线，控制加工过程中刀具的运动速度。这种方法存在明显的缺陷：(1)当小线段的长度较短时，速度规划过程中的速度规划单元长度过短。(2)每一个速度规划单元的起始点处加速度为零。这些缺陷都会导致数控机床的刀具生成的运动学曲线波动频繁。在加工过程中，频繁波动的加工速度导致机床上的刀具受力不均匀，引起刀具抖动，并在加工件的表面留下不必要的刀具痕迹，降低加工质量和加工效率。

发明内容

为解决现有技术中的上述问题，本发明提供了一种适用于数控装置刀具的小线段的速度曲线规划方法。

具体技术方案如下：

一种适用于数控装置刀具的小线段的速度曲线规划方法，具体步骤如下：

(1)确定加工路径上每一个拐角的门限速度，并设定相邻拐角之间的路径为一个速度规划单元；

需要说明的是，小线段表示的数控程序方法中，相邻的小线段间存在拐角，在加工拐角的过程中，刀具的运动速度不能超过拐角处的门限速度，其中，所谓拐角的门限速度是指为了保证加工精度，拐角处所允许的最大加工速度，

加工路径上存在两个相邻的小线段，小线段之间的夹角的二分之一称之为门限速度角，数控机床所允许的最大加速度值与数控系统的采样周期的乘积除以门限速度角的正弦值的二倍，所得结果即为当前拐角的门限速度值；

加工路径上，相邻拐角之间的路径称为一个速度规划单元，每个速度规划单元两端拐角对应的门限速度的最小值，为该速度规划单元加工过程所允许的最大加工速度；

(2)根据加工路径上的门限速度值，重新确定速度规划单元，

需要说明的是，加工路径上沿着加工方向存在两个相邻的门限速度值，用后者减去前者获得当前拐角的门限速度变化值；

当连续多个拐角的门限速度变化值除以这些拐角的门限速度变化值的平均值所得结果小于5％时，将这些拐角所对应的刀具路径合并为一个速度规划单元，通过速度规划单元合并，可以减少刀具路径加工过程中的速度波动和刀具抖动，在缩短加工时间的同时提高加工质量；

否则，步骤(1)设定的速度规划单元不变；

其中，5％为工艺参数；

(3)根据步骤(2)重新确定的速度规划单元，对小线段描述的加工路径进行速度规划，

步骤(31)设定速度规划计算模块VPCM，速度规划过程中通过限制加工过程中加加速度的最大值，可以有效减少刀具抖动，提高加工质量，

所述速度规划计算模块VPCM具体如下：

Step 1.限制速度规划过程中的最大加加速度值，得到加加速度J(t)表达式，如下所示：

其中，J_max表示数控系统允许的最大加加速度值，t表示加工过程的时间参数，t_i(i＝1,...7)表示时间，且t₁＝t₃-t₂，t₅-t₄＝t₇-t₆；

Step 2.对上述加加速度表达式J(t)积分，得到加速度a(t)表达式，如下所示：

Step 3.对上述加速度表达式a(t)积分，得到速度v(t)表达式，如下所示：

其中，v_s表示加工速度的起始值，A'_{max_1}表示t₁时刻的加速度值，A'_{max_2}表示t₅时刻的加速度值，

Step 4.对上述速度表达式v(t)积分，得到加工距离s(t)表达式，如下所示：

其中，s_i(i＝1,...6)为t_i(i＝1,...6)时刻对应的加工距离，

由于每个速度规划单元对应的刀具路径长度可以从数控程序方法中提取，因此将每个速度规划单元对应的刀具路径长度赋值给加工距离s(t)，即可获得t_i(i＝1,...,7)，将t_i(i＝1,...,7)带入v(t)，即可获得该速度规划单元中任意时刻的刀具运行速度；

步骤(32)对小线段描述的加工路径进行速度规划，具体步骤如下：

A.确定加工路径上每一个速度规划单元起点处所允许的最大加工速度，

设置前瞻过程中的前瞻窗口大小为1024，从前瞻窗口中存储的最后一个速度规划单元开始，逆向速度规划得到当前速度规划单元终点处所允许的最大加工速度，并将该速度值和当前速度规划单元起点处拐角门限速度值、当前速度规划单元的刀具路径长度代入所述速度规划计算模块VPCM对当前速度规划单元进行速度规划，获得当前速度规划单元所需的加工时间和当前速度规划单元起点处所允许的最大加工速度，该速度称之为前瞻速度，

加工过程中当前速度规划单元起点处所允许的最大加工速度值取指令速度，前瞻速度和该起点处拐角门限速度三者的最小值，

然后，依次确定加工路径上每一个速度规划单元起点处所允许的最大加工速度；

需要说明的是，所谓指令速度是指加工方提供的数控程序中声明的加工过程中所允许的最大加工速度；

B.然后，沿着加工方向确定三个连续速度规划单元起点处的最大加工速度，

设三个连续速度规划单元的编号为i、i+1和i+2，其中，i+2≤N，N表示加工路径上速度规划单元的总个数，初始时i＝1，表示从加工路径上的第一个速度规划单元开始进行规划，

如果中间速度小于第二个速度规划单元起点处的门限速度，则说明在第一个速度规划单元的加工过程中数控机床的加工能力没有得到充分利用，因此，需要对第一个速度规划单元重新进行速度规划计算预加工距离pre_distance，

pre_distance＝vs_it+1/6Jt³，

其中，vs_i表示中间速度，t＝A/J，A表示加工方提供的数控程序中声明的加工过程中所允许的最大加速度，J表示加工方提供的数控程序中声明的加工过程中所允许的最大加加速度值，

重新速度规划之后加工速度提高，对应的加工距离增长，增长后的加工距离称之为预加工距离，

然后，计算虚拟加工距离，原加工距离与预加工距离二者之和称之为虚拟加工距离；

如果中间速度不小于第二个速度规划单元起点处的门限速度，则第一个速度规划单元的预加工距离pre_distance为零，对应的虚拟加工距离与原加工距离相等；

需要说明的是，第一个速度规划单元起点处的最大加工速度称之为首速度，i＝1时，该值为零，第二个速度规划单元起点处的最大加工速度称之为中间速度，第三个速度规划单元起点处的最大加工速度称之为末速度；

C.Step C1.根据第一个速度规划单元的虚拟加工距离对第一个速度规划单元进行速度规划，将步骤B得到的第一个速度规划单元的虚拟加工距离代入所述速度规划计算模块VPCM，分别计算得到第一个速度规划单元的虚拟加工距离以及虚拟加工距离的加工时间、原加工距离S_i的加工时间以及原加工距离S_i结束时的加工速度和加加速度值；

Step C2.如果i+3≤N，则i＝i+1，此时，第i个速度规划单元的首速度为当前速度规划单元终点处的速度值，前瞻窗口下移，返回步骤B，继续进行速度规划，直至得到每个速度规划单元的加工速度值，从而获得用于数控装置刀具路径的小线段的速度规划曲线进而控制加工过程中刀具的运动速度；

如果i+3＞N，将第i+1个和第i+2个速度规划单元加工过程中所允许的最大加工速度和速度规划单元的加工距离分别带入所述速度规划计算模块VPCM中，对第i+1个和第i+2个速度规划单元进行速度规划，分别计算得到第i+1个和第i+2个速度规划单元的加工速度，然后结束规划过程。

经过上述速度曲线规划方法产生的速度曲线，减少了加工过程中的速度波动，加工过程中刀具运行平稳，相比现有技术明显提高了加工质量。同时，该方法确定的速度规划单元和速度规划方法有效的减少了加工时间，提高了加工效率。

技术分析如下：

现有技术基于小线段的长度进行速度规划单元划分，每一个小线段对应一个速度规划单元，在小线段较短时产生的速度规划单元较短，规划的速度曲线波动频繁，导致加工过程中刀具受力不均匀，进而引起刀具抖动并产生不必要的切削痕迹，降低了加工质量和加工效率。本发明提出的速度曲线规划方法相比于现有技术，创新性在于：(1)提出了速度规划单元新的设计思路，设计了新的速度规划单元。本发明用加工路径上多个拐角的门限速度变化值除以这些拐角的门限速度变化值的平均值，进而确定速度规划单元，本发明提出的方法减少了速度规划单元的个数，增加了每一个速度规划单元的长度，减少了加工过程中的速度波动和刀具抖动，提高了加工质量和加工效率；(2)设计了新的速度规划方法。根据产生的速度规划单元，本发明提出的速度规划方法，使得相邻速度规划单元间的加速度绝对值大于零，能够在提高加工工程中加速度的同时，降低加工过程中的速度波动，提高加工过程中的加工速度，进而获得更好的加工质量和更高的加工效率。

附图说明

图1为实施例1加工的刀具路径图(海星图形)。

图2为实施例1的拐角门限速度说明示意图。

图3为速度规划计算模块VPCM示意图。

图4(a)为实施1使用的沈阳机床的VMC850E数控加工中心；

图4(b)为实施1使用的UIK U550 D2R1球头刀。

图5(a)为现有方法加工图1的加工结果示意图；

图5(b)为实施例1的方法加工图1的加工结果示意图。

图6(a)为传统方法和实施1使用的方法加工图1过程中产生的速度曲线对比图；

图6(b)为传统方法和实施1使用的方法加工图1过程中产生的速度曲线对比图的局部放大图；

图6(c)为传统方法和实施1使用的方法加工图1过程中产生的加速度曲线对比图；

图6(d)为传统方法和实施1使用的方法加工图1过程中产生的加速度曲线对比图的局部放大图。

图7(a)为图5(a)中圆圈表示部分的放大图；

图7(b)为图5(b)中圆圈表示部分的放大图。

具体实施方式

实施例1

沈阳高精数控智能技术股份有限公司生产的GJ301数控统采用主频1.66GHZ的Inter Atom N450处理器,512MB内存，以及RTlinux实时系统，插补周期为0.2ms。采用GJ301数控系统对一种刀具路径平滑压缩的方法实施，图1为将要加工的工件的刀具路径对应的图形，

具体步骤如下：

(1)确定加工路径上每一个拐角处的门限速度值。

如图2所示，P_i-1，P_i，P_i+1为小线段描述的刀具路径上的三个连续指令点，拐角∠P_i-1P_iP_i+1大小为α，向量P_iA为P_i-1P_i方向上的单位向量，向量P_iB为P_iP_i+1方向上的单位向量，向量AB为向量P_iA与向量P_iB的差，则拐角∠P_i-1P_iP_i+1处的门限速度为V_{threshold_i}，其值大小为

其中，A为数控机床所允许的最大加速度值，T为数控系统的采样周期，即0.2ms，

并且，设定相邻拐角之间的路径为一个速度规划单元。

(2)沿加工路径上的加工方向，根据加工路径上的门限速度值，确定速度规划单元。

在图1中，拐角∠P_i-2P_i-1P_i处的门限速度为v_{threshold_i-1}，拐角∠P_i-1P_iP_i+1处的门限速度为v_{threshold_i+1}，假设n'＝n+1，如果公式(1)成立，则拐角∠P_i-1P_iP_i+1所对的刀具路径为从第i+1-n'个小线段开始的速度规划单元的一部分，此时此时修改n的值，即将n'的值赋给n，令n＝n+1，初始时n值为零,对应的n'＝1。

如果公式(1)不成立，则将n赋值为零，并从拐角∠P_i-1P_iP_i+1处开始进行新的速度规划单元的划分。

(3)根据步骤(2)确定的速度规划单元，对小线段描述的加工路径进行速度规划。

A.首先，确定加工路径上每一个速度规划单元起点处所允许的最大加工速度。

如图3所示为所述速度规划计算模块VPCM的加加速度曲线、加速度曲线和速度曲线对应的图形，图中的j、a、v分别表示加加速度值、加速度值和速度值。采用所述速度规划计算模块VPCM对小线段描述的加工路径进行速度规划，具体如下：

设置前瞻过程中的前瞻窗口大小为1024，从前瞻窗口中存储的最后一个速度规划单元开始，倒序逐一将速度规划单元终点处拐角对应的门限速度和速度规划单元的刀具路径长度带入所述速度规划计算模块VPCM中直至当前速度规划单元，然后计算当前速度规划单元终点处所允许的最大加工速度，并将该速度值和当前速度规划单元起点处拐角门限速度值、当前速度规划单元的刀具路径长度代入所述速度规划计算模块VPCM中，计算得当前速度规划单元所需的加工时间和当前速度规划单元起点处的前瞻速度vs_i，

加工过程中当前速度规划单元起点处所允许的最大加工速度值为V_{max_i_i+1}，其值如下所示：

V_{max_i_i+1}＝min(V_{threshold_i},V_command) (2)

其中，V_command为指令速度，V_{threshold_i}为第i个拐角处的门限速度。

B.然后，沿着加工方向，确定三个连续速度规划单元起点处的最大加工速度。

设三个连续速度规划单元的编号为i、i+1和i+2，其中，i+2≤N，N表示加工路径上速度规划单元的总个数，初始时i＝1，表示从加工路径上的第一个速度规划单元开始进行规划。

如果中间速度小于第二个速度规划单元起点处的门限速度，则说明在第一个速度规划单元的加工过程中数控机床的加工能力没有得到充分利用，对第一个速度规划单元重新进行速度规划。重新速度规划之后加工速度提高，对应的加工距离增长，增加的加工距离称之为预加工距离，用pre_distance表示，原加工距离用S_i表示，原加工距离与预加工距离二者之和称之为虚拟加工距离，用S_virtual表示。计算预加工距离pre_distance的表达式如下：

pre_distance＝vs_it+1/6Jt³ (3)

其中，vs_i表示中间速度，t＝A/J，A表示加工方提供的数控程序中声明的加工过程中所允许的最大加速度，J表示加工方提供的数控程序中声明的加工过程中所允许的最大加加速度值。

计算虚拟加工距离S_virtual值的表达式如下：

S_virtual＝pre_distance+S_i (4)

如果中间速度不小于第二个速度规划单元起点处的门限速度，则第一个速度规划单元的预加工距离为零，对应的虚拟加工距离与原加工距离相等。

C.Step C1.根据第一个速度规划单元的虚拟加工距离对第一个速度规划单元进行速度规划，将步骤B得到的第一个速度规划单元的虚拟加工距离代入所述速度规划计算模块VPCM，分别计算得到第一个速度规划单元的虚拟加工距离以及虚拟加工距离的加工时间、原加工距离S_i的加工时间以及原加工距离S_i结束时的加工速度和加加速度值。

Step C2.如果i+3≤N，则i＝i+1，此时，第i个速度规划单元的首速度为当前速度规划单元终点处的速度值，前瞻窗口下移，返回步骤B，继续进行速度规划，直至得到每个速度规划单元的加工速度值，从而获得用于数控装置刀具路径的小线段的速度规划曲线进而控制加工过程中刀具的运动速度；

如果i+3＞N，将第i+1个和第i+2个速度规划单元加工过程中所允许的最大加工速度和速度规划单元的加工距离分别带入所述速度规划计算模块VPCM中，对第i+1个和第i+2个速度规划单元进行速度规划，分别计算得到第i+1个和第i+2个速度规划单元的加工速度，然后结束规划过程。

然后，本发明方法和传统方法均采用沈阳机床的VMC850E数控加工中心(如图4(a)所示)和UIK U550 D2R1球头刀(如图4(b)所示)，根据图1中的海星图形对应的刀具路径，对7075-T7451航空铝材进行加工。

加工过程中，设定刀具所允许的最大加工速度为1.2m/min，最大加速度为5m/s2，最大加加速度为40m/s3，数控系统的加工周期为0.002s。

传统方法的相邻速度规划单元间加速度为零。分别采用传统方法和本发明的方法的加工结果如图所示，其中图4(a)为采用传统方法加工时产生的加工结果，图4(b)为采用本文本发明方法进行加工时产生的加工结果。

传统方法没有对速度规划单元进行合并，且相邻速度规划单元间的加速度值为零，因此加工过程中速度、加速度的波动多，加工时间长。本发明的方法通过速度规划单元合并、采用新的速度规划方法，产生的速度曲线、加速度曲线较为平滑，有效的减少了加工过程中速度、加速度的波动，缩短了加工时间，提高了加工效率。加工过程中刀具运行产生的速度曲线、加速度曲线如图6所示。图6(a)为加工过程中的加工速度对比图，图6(b)为第84至第96段加工路径对应的速度曲线的局部放大图，从图中可以看出，采用传统方法进行加工时，加工过程用时2.770s，采用本发明方法进行加工时，加工过程用时2.718s，通过对比可以看出，采用本发明方法进行加工可以减少加工时间和加工过程中的速度波动。图6(c)为加工过程中的加速度对比图，图6(d)为第84至第96段加工路径对应的加速度曲线的局部放大图，通过对比可以看出，本发明方法产生的加速度曲线较为平滑，加工过程中波动较少。

图7为加工过程中产生的实际加工结果的局部放大图。传统方法产生的速度规划单元较短，加工过程中速度波动频繁，引起的刀具震动在在加工件的表面产生额外的刀痕，降低了加工质量；但是本发明有效减少速度规划单元个数，采用新的速度规划方法，产生的速度曲线较为平滑，加工过程中刀具运行平稳，如图7(a)与7(b)所示，采用本发明技术，可以明显获得更好加工效果。

经过上述速度曲线规划方法产生的速度曲线，减少了加工过程中速度波动，速度曲线的导数与刀具质量二者的乘积为作用在刀具上的力的大小，因此，通过降低加工过程中的速度波动，使得作用在刀具上的力的大小变化平顺，则加工过程中刀具运行平稳，刀具因受力突变而产生的抖动大幅降低，相比现有技术明显提高了加工质量。同时，该本发明方法通过合并速度规划单元，减少确定的了速度规划单元的个数。在传统速度规划过程中，每一个速度规划单元的开始处，加速度从零开始增加到系统允许的最大值，然后在速度规划单元的结束处降低为零，通过减少速度规划单元个数和采用新的速度规划方法，可以有效减少加工过程中加速度变化过程所占用的时间。同时，通过合并速度规划单元，合并后的新速度规划单元对应的刀具路径长度增加，加工过程中，刀具的加工速度可以在最大值点维持较长时间，在提高加工质量的同时，有效的减少了加工时间，提高了加工效率。

Claims (1)

1.一种适用于数控装置刀具的小线段的速度曲线规划方法，其特征在于步骤如下：

(1)确定加工路径上每一个拐角的门限速度V_{threshold_i}，

其中，A为数控机床所允许的最大加速度值，T为数控系统的采样周期，α为相邻小线段之间的拐角；

并且，设定相邻拐角之间的路径为一个速度规划单元；

(2)沿加工路径上的加工方向，假设n'＝n+1，并且初始时n＝0，

当

成立时，则将上述拐角所对应的刀具路径合并为一个速度规划单元，此时令n＝n+1，

否则，步骤(1)中设定的速度规划单元不变；

(3)根据步骤(2)确定的速度规划单元，对小线段描述的加工路径进行速度规划，

步骤(31)设定速度规划计算模块VPCM，

所述速度规划计算模块VPCM包括步骤如下：

Step 1.限制速度规划过程中的最大加加速度值，得到加加速度表达式J(t)，

其中，J_max表示数控系统允许的最大加加速度值，t表示加工过程的时间参数，t_i(i＝1,...7)表示时间，且t₁＝t₃-t₂，t₅-t₄＝t₇-t₆；

Step 2.对上述加加速度表达式J(t)积分，得到加速度a(t)，

Step 3.对上述加速度表达式a(t)积分，得到速度v(t)，

其中，v_s表示加工速度的起始值，A'_{max_1}表示t₁时刻的加速度值，A'_{max_2}表示t₅时刻的加速度值，

Step 4.对上述速度表达式v(t)积分，得到加工距离s(t)，

其中，s_i(i＝1,...6)为t_i(i＝1,...6)时刻对应的加工距离，

从数控程序中提取每个速度规划单元对应的刀具路径长度，并赋值给加工距离s(t)，即得t_i(i＝1,...,7)，将t_i(i＝1,...,7)代入v(t)，即得该速度规划单元中任意时刻的刀具运行速度；

步骤(32)对小线段描述的加工路径进行速度规划，步骤如下：

A.设置前瞻过程中的前瞻窗口大小为1024，从前瞻窗口中存储的最后一个速度规划单元开始，倒序逐一将速度规划单元终点处拐角对应的门限速度和速度规划单元的刀具路径长度带入所述速度规划计算模块VPCM中直至当前速度规划单元，计算得到当前速度规划单元终点处所允许的最大加工速度，并将该速度值和当前速度规划单元起点处拐角门限速度值、当前速度规划单元的刀具路径长度再次代入所述速度规划计算模块VPCM，计算得当前速度规划单元所需的加工时间和当前速度规划单元起点处的前瞻速度，

加工过程中当前速度规划单元起点处所允许的最大加工速度值取指令速度、前瞻速度和该起点处拐角门限速度三者中的最小值；

然后，依次确定加工路径上每一个速度规划单元起点处所允许的最大加工速度；

B.然后，沿着加工方向设三个连续速度规划单元编号为i、i+1和i+2，其中，i+2≤N，N为加工路径上速度规划单元的总个数，初始时i＝1，

如果中间速度小于第二个速度规划单元起点处的门限速度，则加工过程中数控机床的加工能力没有得到充分利用，然后对第一个速度规划单元重新进行速度规划计算预加工距离pre_distance，

pre_distance＝vs_it+1/6Jt³，

其中，vs_i表示中间速度，t＝A/J，A表示加工方提供的数控程序中声明的加工过程中所允许的最大加速度，J表示加工方提供的数控程序中声明的加工过程中所允许的最大加加速度值，

然后，原加工距离S_i与预加工距离pre_distance二者之和为虚拟加工距离S_virtual，

S_virtual＝pre_distance+S_i，

如果中间速度不小于第二个速度规划单元起点处的门限速度，则第一个速度规划单元的预加工距离pre_distance＝0，S_virtual＝S_i；

C.Step C1.根据第一个速度规划单元的虚拟加工距离S_virtual对第一个速度规划单元进行速度规划，

将步骤B得到的第一个速度规划单元的虚拟加工距离S_virtual代入所述速度规划计算模块VPCM，分别计算得到第一个速度规划单元的虚拟加工距离S_virtual以及虚拟加工距离S_virtual的加工时间、原加工距离S_i的加工时间以及原加工距离S_i结束时的加工速度值和加加速度值；

Step C2.如果i+3≤N，则i＝i+1，此时，第i个速度规划单元的首速度为当前速度规划单元终点处的速度值，前瞻窗口下移，返回步骤B，继续进行速度规划，直至得到每个速度规划单元的加工速度值，获得刀具路径小线段的速度规划曲线，从而控制加工过程中刀具的运动速度；

如果i+3＞N，将第i+1个和第i+2个速度规划单元加工过程中起点处所允许的最大加工速度和速度规划单元的加工距离s_i+1、s_i+2分别带入速度规划计算模块VPCM中，对第i+1个和第i+2个速度规划单元进行速度规划，分别计算得到第i+1个和第i+2个速度规划单元的加工速度值，然后结束规划过程。

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