专利名称：实时生成曲率连续路径的数控插补系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种机械数控加工技术领域的数控插补系统，具体是一种实时生 成曲率连续路径的数控插补系统。
背景技术：
数控加工中，通常CAM (Computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造)软件的 后置处理器按加工精度的要求将复杂路径分解成一系列的微小路径段，再由数控系统中的 插补器对每一个特定的微小路径段进行插补运算。对于由大量条微小路径段构成的加工轨 迹，传统数控系统在进行速度规划时以每一路径段作为规划对象，势必造成启停次数多、速 度缓慢，从而降低了表面质量和加工效率。尽管前瞻技术减少了启停次数，路径的不连续性 还是会造成速度和加速度的波动。首先用参数曲线将连续微小路径段进行拟合，然后再插补运算的方法被证明是一 种非常有效的方法。为了满足高速高精度的加工要求，由连续微小路径段重新生成的理想 路径应该具备以下几个特征约束逼近误差使其满足精度要求；切向和曲率连续；抑制刀 路振荡；控制曲率轮廓线。经对现有技术的文献检索发现，很多方法采用了 Bezier (Hong-Tzong Yau. Fast Bezier interpolator with real-time lookahead function for high-accuracy machining. International Journal of Machine Tools and Manufacturing. (2007)47 1518-1529) > NURBS (Jun-Bin Wang. Real-time NURBS interpolator :application to short linear segments. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. (2009)41 :1169-1185)等参数曲线对线性路径段进行拟合，第一种方法不具 有通用性，仅适用于刀具路径平滑部分，且仅仅实现了切向连续，第二种方法需要在拟合后 校验误差，参数曲线上的点及曲率往往是关于参数的复杂表达式，导致拟合误差很难估计， 难以应用于实时运算环境。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种实时生成曲率连续路径的数控 插补系统，该系统计算效率高、编程实现简单，能大幅提高加工效率及降低速度和加速度波 动，可以应用于高速高精的数控加工中。本发明是通过以下技术方案实现的本发明包括人机交互界面模块、译码横块、插补模块、位置控制模块，其中人机 交互界面模块选择好加工文件将文件名传递给译码模块，再由译码模块提取机床各轴的位 置信息，并传输到插补模块，然后将每两个相邻线段的衔接点用曲率连续的Bezier曲线过 渡，生成曲率连续的刀具路径，生成的曲率连续路径与原路径的最大偏差值小于设定的误 差值，再进行速度规划和Bezier插补，最后将插补点输出到位置控制模块。所述的人机交互界面模块包括数控代码文件操作单元、参数管理单元和坐标显示单元，其中数控代码文件操作单元选择好加工文件将文件名传递给译码模块的数控代 码文件读入单元。位于用户态的人机界面是控制器与用户之间的对话接口，它作为一个背 景程序来执行。包括一方面将加工数据传送到内核中的实时任务，另一方面从内核中获得 运动轴的信息来进行动态显示。人机界面和内核之间的交互通过周期扫描进程完成，周期 扫描进程分别对界面和内核的相关数据进行扫描，并在周期内对数据进行更新，实现数据 的交换。所述的译码模块包括数控代码文件读入单元、坐标信息及工艺信息提取单元，其 中数控代码文件读入单元读取数控代码并输出至坐标信息及工艺信息提取单元，由坐标 信息及工艺信息提取单元获得机床各轴的位置并传输到插补模块的曲率连续路径生成单 元。主要任务有数控代码解释、刀具补偿，以及一些宏指令和固定循环程序的处理。译码模 块以解释方式运行，运行在实时域。在自动运行加工前，插补模块调用译码模块功能，实现 数控代码时译码和刀具补偿功能，并生成加工过程中所需的中间数据，写入该模块与插补 模块的数据接口，供插补模块使用。在数据预处理结束后，该模块会根据插补模块传递来的 消息结束调用。所述的插补模块包括曲率连续路径生成单元、机床动力学特性计算单元、速度规 划单元、插补单元，根据译码传输来的程序段信息生成曲率连续的刀具路径，并计算路径的 几何特性，包括路径长度、最大曲率、最小曲率半径、Bezier曲线起终点单位切矢，设置机床 动力学特性，包括机床各辅允许的最大速度、加速度和跃度，然后对新生成的刀具路径进行 速度规划，根据速度轮廓线计算每插补周期的速度并插补，生成各轴位置增量输出给位置 控制模块。所述的曲率连续路径生成单元包括计算数控代码中相邻线段的长度、两个单位 方向矢量及其夹角，将这两个线段的连接处用Bezier曲线过渡，Bezier曲线在与线段连接 处曲率为零，切线方向与线段的方向一致，包含过渡Bezier曲线的曲率连续路径与原路径 的最大偏差值小于指定的误差值。所述的位置控制模块根据插补模块计算出的各个运动轴的位置增量值，根据伺 服系统反馈的信息，利用PID算法控制各个运动辅的轨迹、速度和加速度，是优先级最高的 实时任务。所述的速度规划是指在综合约束条件下规划每插补周期刀具沿连续路径运行的 速度。包括获取各轴允许的最大速度、加速度和跃度；对曲率连续的路径进行速度规划； 沿生成的曲率连续曲线进行插补，并将插补点输出到位置控制模块。所述的Bezier插补是指按照生成的速度轮廓线得到当前周期的规划速度，并计 算出弧长，从而求出曲线参数，由曲线参数求出曲线上的点坐标，即各轴的位置。插补精度 是指曲线路径相邻插补点间线性过渡与给定的曲线刀路之间存在的偏差；为满足插补精度 要求对刀具进给速度的约束为最大可行进给速度约束。本发明从数控机床数控代码中提取线性路径的坐标信息及工艺信息，由连续线性 刀具路径生成曲率连续的路径，计算数控代码中相邻线段时长度、两个单位方向矢量及其 夹角，将这两个线段的连接处用Bezier曲线过渡，Bezier曲线在与线段连处，曲率为零，切 线方向与线段的方向一致，包含过渡Bezier曲线的曲率连续路径与原路径的最大偏差值 小于指定的误差值，进一步利用速度规划和Bezier插补来实现本发明的任务。
所述的路径，由路径几何特性及数控机床各轴伺服能力建立约束模型；所述的路 径几何特性，包括路径长度、最大曲率、最小曲率半径、Bezier曲线起终点单位切矢。与现有技术相比，本发明在数控加工进给率控制中，先将线性路径用三次Bezier 曲线进行过渡，生成曲率连续的路径，同时考虑了误差约束和运动学性能约束，在满足精度 的条件下，使得速度与加速度更加平滑。全部过程计算效率高，编程实现简单，可应用于高 速高精的数控机床。
图1本发明工作原理示意图。图2本发明结构示意图。图3过渡Bezier对定义的示意图。图4Bezier过渡误差模型的示意图。图5过渡Bezier最大曲率的示意图。图6刀具路径Bezier过渡长度的示意图。图7三维线性刀路G2连续过渡的示意图。图8G2连续过渡路径的曲率的示意图。图9S曲线加减速的示意图。图10(a)有勻加速过程加速阶段示意图；(b)无勻加速过程加速阶段的示意图。图11采用本发明方法进给速率的示意图。图12采用本发明方法加速度的示意图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的实施例作详细说明以下实施例在以本发明技术方案为 前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。如图1所示，本实施例的硬件原理图。通过液晶显示屏1显示数控系统信息，包括 坐标信息、工艺信息、数控代码等；通过操作面板2对数控系统控制操作；人机交互面板通 过RS485总线3与嵌入式控制器4进行通讯；嵌入式控制器4内部集成了嵌入式主板、运 动控制卡、IO接口卡，主要进行插补运算、运动控制、各模块之间协调控制，是数控系统的大 脑；伺服驱动器5与伺服电机6构成了运动执行模块。如图2所示，本实施例包括人机交互界面模块、译码模块、插补模块、位置控制模 块，其中人机交互界面模块与插补模块相连接并显示机床信息以及向控制系统传递参数， 译码模块与插补模块相连接并传输坐标信息及工艺数据，插补模块与位置控制模块相连接 并传输插补点，插补模块由曲率连续路径生成单元、机床动力学特性计算单元、速度规划单 元、插补单元构成。本实施例实施如下1、从数控代码中提取线性路径的坐标信息及工艺信息所述坐标信息指每条线性刀路的终点坐标值。所述工艺信息主要包括进给率F、主轴转速S、刀号T、刀补号D及辅助M指令等。
2、由连续线性刀具路径生成曲率连续的新路径如图3所示，计算数控代码中相邻线段的长度、两个单位方向矢量及其夹角，将这 两个线段的连接处用Bezier曲线过渡，Bezier曲线在与线段连处，曲率为零，切线方向与 线段的方向一致，包含过渡Bezier曲线的曲率连续路径与原路径的最大偏差值小于指定 的误差值，如图4所示，Il B13P2 Il ( ε2。所述的设定的误差是指用户通过人机交互界面模块或者数控代码定义的允许误差值。如图5所示，由于Bezier曲线B1 (t) ,B2 (t)的曲率变化是单调的，且B10与B20处的 曲率为零，因此，Bezier曲线B1W J2 (t)的最大曲率出现在点B13或Bm处。由于是G2连 续，所以点B13或Bm处的曲率相等，即为所述最大曲率。从而获得最小曲率半径，用于速度 规划单元对刀具进给速度进行约束。如图6所示，所述最优过渡长度Cli可由设定的误差、相邻路径长度Ip1与Ii共同 约束所得。如图7所示，原始路径由三维空间的5个点连接构成，最大逼近误差设为0. 05mm, 由每段路径的最优过渡长度Cli及单位方向矢量Ti即可生成G2连续的新路径，在新的刀具 路径中有三对三次Bezier过渡曲线。图8所示，新路径的曲率变化趋势，由此可知新路径 满足了精度要求并且曲率连续。3、由路径几何特性及机床各轴伺服能力建立约束模型所述路径几何特性，包括路径长度、最大曲率、最小曲率半径、Bezier曲线起终点 单位切矢。所述最大可行过渡速度约束指为满足插补精度要求对刀具进给速度的约束，第i 段过渡Bezier曲线最大可行过渡速度Vi表示为其中，T为插补周期，ri = 1/Kimax是最小曲率半径，δ是容许的弦高误差，Amax是 机床最大加速度。1)单轴最大速度νΛ_对该轴每周期速度Vm的限制，即各轴的进给速度低于该轴 的最大速度νΛ ^ VAmax ；2)单轴最大加速度4“ 对该轴每周期加速度aM的限制，即各轴时进给加速度低 于该轴最大加速度=aAi ( AAmax ；3)单轴最大跃度JAmax对该轴每周期跃度JAi的限制，即各轴的进给加加速度低于 该轴最大加加速度JAi ( JAmax。4、速度规划所述速度规划是在综合约束条件下规划每插补周期刀具沿连续路径运行的速度。本实施例以S曲线加减速方法为例介绍速度规划，其不构成对本发明的限定。如图9所示，所述S曲线加减速的称法由系统在加减速阶段的速度曲线形状呈S 形而得来，运行过程可分为7段加加速段、勻加速段、减加速段、勻速段、加减速段、勻减速 段、减减速段。设路径段开始速度为Vs，结束速度为\，最大加速度为A，最大加加速度为J，该路径段长度为1。要想获得最大终点速度，即要以最大跃度J加速到最大加速度A，再以A勻 加速，接着再以-J减加速到终点，图10(a) (b)分别表示了有勻加速和没有勻加速的情况。5、Bezier 插补所述Bezier插补是指接照生成的速度轮廓线得到当前周期的规划速度，并计算 出弧长，从而求出曲线参数，由曲线参数求出曲线上的点坐标，即各轴的位置。图11、12所示，本实施例进行上述步骤后生成进给速率曲线、加速度曲线。本实施例以三维线性刀具路径为例，说明了实时生成曲率连续路径的方法，以及 在精度和机床伺服能力综合约束条件利用S曲线加减速对新生成路径进行插补的方法，可 以缩短加工时间、提高表面质量，适应于高速高精的数控加工。
权利要求
1.一种实时生成曲率连续路径的数控插补系统，其特征在于，包括人机交互界面模 块、译码模块、插补模块、位置控制模块，其中人机交互界面模块选择好加工文件将文件名 传递给译码模块，再由译码模块提取机床各轴的位置信息，并传输到插补模块，然后将每两 个相邻线段的衔接点用曲率连续的Bezier曲线过渡，生成曲率连续的刀具路径，生成的曲 率连续路径与原路径的最大偏差值小于设定的误差值，再进行速度规划和Bezier插补，最 后将插补点输出到位置控制模块。
2.根据权利要求1所述的实时生成曲率连续路径的数控插补系统，其特征是，所述的 人机交互界面模块包括数控代码文件操作单元、参数管理单元和坐标显示单元，其中数 控代码文件操作单元选择好加工文件将文件名传递给译码模块的数控代码文件读入单元。
3.根据权利要求1所述的实时生成曲率连续路径的数控插补系统，其特征是，所述的 译码模块包括数控代码文件读入单元、坐标信息及工艺信息提取单元，其中数控代码文 件读入单元读取数控代码并输出至坐标信息及工艺信息提取单元，由坐标信息及工艺信息 提取单元获得机床各轴的位置并传输到插补模块的曲率连续路径生成单元；在自动运行加 工前，插补模块调用译码模块功能，实现数控代码的译码和刀具补偿功能，并生成加工过程 中所需的中间数据，写入该模块与插补模块的数据接口，供插补模块使用。
4.根据权利要求1所述的实时生成曲率连续路径的数控插补系统，其特征是，所述的 插补模块包括曲率连续路径生成单元、机床动力学特性计算单元、速度规划单元、插补单 元，根据译码传输来的程序段信息生成曲率连续的刀具路径，并计算路径的几何特性，包括 路径长度、最大曲率、最小曲率半径、Bezier曲线起终点单位切矢，设置机床动力学特性，包 括机床各轴允许的最大速度、加速度和跃度，然后对新生成的刀具路径进行速度规划，根据 速度轮廓线计算每插补周期的速度并插补，生成各轴位置增量输出给位置控制模块。
5.根据权利要求4所述的实时生成曲率连续路径的数控插补系统，其特征是，所述的 曲率连续路径生成单元包括计算数控代码中相邻线段的长度、两个单位方向矢量及其夹 角，将这两个线段的连接处用Bezier曲线过渡，Bezier曲线在与线段连接处曲率为零，切 线方向与线段的方向一致，包含过渡Bezier曲线的曲率连续路径与原路径的最大偏差值 小于指定的误差值。
6.根据权利要求1所述的实时生成曲率连续路径的数控插补系统，其特征是，所述的 位置控制模块根据插补模块计算出的各个运动轴的位置增量值，根据伺服系统反馈的信 息，利用PID算法控制各个运动轴的轨迹、速度和加速度，是优先级最高的实时任务。
7.根据权利要求1所述的实时生成曲率连续路径的数控插补系统，其特征是，所述的 速度规划是指在综合约束条件下规划每插补周期刀具沿连续路径运行的速度，包括获取 各轴允许的最大速度、加速度和跃度；对曲率连续的路径进行速度规划；沿生成的曲率连 续曲线进行插补，并将插补点输出到位置控制模块。
8.根据权利要求1所述的实时生成曲率连续路径的数控插补系统，其特征是，所述的 Bezier插补是指按照生成的速度轮廓线得到当前周期的规划速度，并计算出弧长，从而求 出曲线参数，由曲线参数求出曲线上的点坐标，即各轴的位置，插补精度是指曲线路径相邻 插补点间线性过渡与给定的曲线刀路之间存在的偏差；为满足插补精度要求对刀具进给速 度的约束为最大可行进给速度约束。
全文摘要
一种机械数控加工技术领域的实时生成曲率连续路径的数控插补系统，包括人机交互界面模块、译码模块、插补模块、位置控制模块，其中人机交互界面模块选择好加工文件将文件名传递给译码模块，再由译码横块提取机床各轴的位置信息，并传输到插补模块，然后将每两个相邻线段的衔接点用曲率连续的Bezier曲线过渡，生成曲率连续的刀具路径，生成的曲率连续路径与原路径的最大偏差值小于设定的误差值，再进行速度规划和Bezier插补，最后将插补点输出到位置控制模块。本发明全部过程计算效率高，编程实现简单，可应用于高速高精的数控机床。
文档编号G05B19/19GK102147600SQ201110111960
公开日2011年8月10日 申请日期2011年4月30日 优先权日2011年4月30日
发明者毕庆贞, 王宇晗, 金永乔 申请人:上海交通大学, 上海拓璞数控科技有限公司