专利名称：数控机床高速加工的加减速前瞻控制方法
技术领域：
本发明涉及一种数控机床高速加工的加减速控制方法，属于数控技术领域。具体地说是一种在保证加工精度和在微段衔接点所允许通过的速度的前提下计算出一条效率最高的S形速度曲线。
背景技术：
高速高精度是数控系统当前的发展趋势，加减速控制是高速数控系统的核心技术之一。传统的速度规划方法是以每段小路径为研究对象，通过假设路径段起点和终点速度为零来保证加工精度。该方法虽能保证刀具经过路径的衔接点，对于普通曲面来说加工精度和速度均可满足要求，但随着实际应用中加工曲面的日趋复杂，加工路径越来越短，造成伺服电机频繁启停，加大冲击与振动，降低了加工效率，影响了加工质量。在这种情况下，采用S形加减速规律进行前加减速插补已逐步成为数控系统的主流方案。S形加减速具有加速度均勻变化的特点，兼顾了运动效率和平稳性，因更具有实用价值而日益受到青睐。但由于其模型是分段连续函数，计算量大，不易求解，使其使用范围受到了极大的限制。因此，如何有效地减小计算量，兼顾加工路径的几何特性等的制约，合理地进行 S形速度规划就成为数控机床高速加工乃至高档数控系统研发的关键问题。
发明内容
针对现有技术中数控系统速度规划在加减速阶段存在圆整度突变使数控机床运动时产生剧烈机械振动，S形曲线加减速规划计算复杂的问题，本发明的目的在于提供一种在保证加工精度的同时，大大提高了加工的效率，而且有效地避免了机床的柔性冲击的数控机床高速加工的加减速前瞻控制方法。为实现上述目标，本发明的技术方案如下
一种用于数控机床高速加工的加减速前瞻控制方法，包括以下步骤(1)由CAD (计算机辅助设计)/CAM (计算机辅助制造)模型的曲线数据，根据轮廓误差，截成NC (数字控制) 曲线数据模型；(2)在NC代码的基础上，输入系统参数，如插补周期T，最大速度Vmax等； (3)在此基础上进行微段整体S形速度规划及确定各段在S形速度曲线上相对应的速度
(i=l:N, N为前瞻段数，即确定从第一段至第N段的速度值)；(4)确定微段转接角允许通过速度Vai (i=l:N);(5)确定转角允许速度小于规划速度的点；(6)输出加工插补点；(7)
运动控制系统执行以上信息，完成零件的加工。步骤(5)是在比较S形速度曲线上的速度与转接角允许通过速度的基础上确定微段加工所能通过的合理速度，进而得出一条效率最高的S形速度曲线，最后输出加工插补点至运动控制系统。所述步骤(1)中的由CAD (计算机辅助设计)/CAM (计算机辅助制造)模型的曲线数据，根据轮廓误差，截成NC (数字控制)曲线数据模型是在经过CAD中建模之后，将模型送至CAM中进行加工，并按照一定的加工轮廓误差，本发明中取值为0. 025mm，截成NC曲线数据模型。所述步骤(2)中的在NC代码的基础上，输入系统参数是在截成的NC曲线数据模型基础上，输入数控机床系统参数，本发明中所需系统参数为插补周期T，最大速度Vmax， 最大加速度Amax，最大加加速度Jmax，前瞻段数N。所述步骤(3)中的微段整体S形速度曲线及各段在S形速度曲线上相对应的速度
W1Ci=IiN, N为前瞻段数)是在系统生成的NC曲线数据模型基础上，根据模型上数据点值
以及相邻两坐标点之间段长的计算公式计算出段长L的值，根据已知段长L、初速度vs、末速度ve模型可对前瞻段内进行计算，得到整体S形速度曲线，并得到段长L得相对应的在
S形速度曲线上的速度值Wi,具体推导如下
at
(1)
JT1 - Jt ^ 0
-JT4 +Jt
ι τ,2 VS + — Jt 2
VS +-JT2 + JTt 2
,2
ie
te
^ [O5T4]
ie
-Jt
fT
VS+ JT
h-
VS+ JT1
vs + JT{
2
-Jt
2
e
(2)
Ir
β
S
1 I 6
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2 EJ1
J
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2
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VSt + J%￡
VSt+ JT
24
-Jt
-JTx
2
+
2 R Λ
6
户 ie
(3)
5上式中，j为加加速度，τ为加速度达到最大值σ 时所需的时间，为勻速段时
权利要求
1.一种数控机床高速加工的加减速前瞻控制方法，其特征在于操作步骤如下(1)由CAD/CAM模型的曲线数据，根据轮廓误差，截成NC曲线数据模型； (2)在NC代码的基础上，输入系统参数一插补周期T和最大速度Vmax ； (3)在此基础上进行微段整体S形速度规划及确定各段在S形速度曲线上相对应的速度Wi , i=l:N, N为前瞻段数，即确定从第一段至第N段的速度值；(4)确定微段转接角允许通过速度Vl1, i=l :N ； (5)确定转角允许速度小于规划速度的点；(6)输出加工插补点；(7)运动控制系统执行以上信息，完成零件的加工；步骤(5)是在比较S形速度曲线上的速度与转接角允许通过速度的基础上确定微段加工所能通过的合理速度，进而得出一条效率最高的S形速度曲线，最后输出加工插补点至运动控制系统。
2.根据权利要求1所述的数控机床高速加工的加减速前瞻控制方法，其特征在于所述步骤(1)中的由CAD/CAM模型的曲线数据，根据轮廓误差，截成NC曲线数据模型是在经过CAD中建模之后，将模型送至CAM中进行加工，并按照设定的加工轮廓误差0. 025mm,截成 NC曲线数据模型。
3.根据权利要求2所述的数控机床高速加工的加减速前瞻控制方法，其特征在于所述步骤(2)中的在NC代码的基础上，输入系统参数插补周期T和最大速度Vmax是在所述截成的NC曲线数据模型基础上，输入数控机床系统参数，所需系统参数为插补周期T、最大速度Vmax、最大加速度Amax、最大加加速度Jmax和前瞻段数N。
4.根据权利要求2所述的数控机床高速加工的加减速前瞻控制方法，其特征在于所述步骤(3)中的微段整体S形速度曲线及各段在S形速度曲线上相对应的速度VV1是在系统生成的NC曲线数据模型基础上，根据模型上数据点值以及相邻两坐标点之间段长的计算公式计算出段长L的值，根据已知段长L、初速度vs、末速度ve模型可对前瞻段内进行计算，得到整体S形速度曲线，并得到段长L得相对应的在S形速度曲线上的速度值VV1。
5.根据权利要求2所述的数控机床高速加工的加减速前瞻控制方法，其特征在于所述步骤(4)中的转接角允许通过速度皿4是在系统生成的NC曲线数据模型基础上，根据模型上数据点值以及相邻两坐标点之间夹角的计算公式计算出夹角的值，考虑到数控系统加工的插补周期τ及机床所允许的最大加速度的限制，得，.α ， 2 sin —A腿vai2α为路径段夹角；此即为限制条件下所允许的最大临界通过速度，只有当实际通过速度小于或等于此速度时，才为各段的可行通过速度。
6.根据权利要求2所述的数控机床高速加工的加减速前瞻控制方法，其特征在于所述步骤(5)确定转角允许速度小于规划速度的点是取在曲线速度规划中不满足W1 ^ Va1点进行整体s形速度规划，重新得到各段在s形速度曲线上相对应的速度W1,各段的Va1值不变；当s形速度曲线上各段相对应的速度W1 <vai时，则所求的s形速度曲线即为在限制条件下的合理通过速度；此时所得的速度曲线即为规划的效率最高的s形速度曲线。
7.根据权利要求6所述的数控机床高速加工的加减速前瞻控制方法，其特征在于所述步骤(6)中的输出加工插补点是在所述规划的效率最高的S形速度曲线的基础上将插补点输出至运动控制系统。
全文摘要
本发明涉及一种数控机床高速加工的加减速前瞻控制方法。其操作步骤如下(1)由CAD/CAM模型的曲线数据，根据轮廓误差，截成NC曲线数据模型；(2)在NC代码的基础上，输入系统参数，如插补周期T，最大速度Vmax等；(3)在此基础上进行微段整体S形速度规划及确定各段在S形速度曲线上相对应的速度(i=1N，N为前瞻段数，即确定从第一段至第N段的速度值)；(4)确定微段转接角允许通过速度(i=1N)；(5)确定转角允许速度小于规划速度的点；(6)输出加工插补点；(7)运动控制系统执行以上信息，完成零件的加工。步骤(5)是在比较S形速度曲线上的速度与转接角允许通过速度的基础上确定微段加工所能通过的合理速度，进而得出一条效率最高的S形速度曲线，最后输出加工插补点至运动控制系统。本发明在保证加工精度的同时，大大提高了加工的效率，而且有效地避免了机床的柔性冲击，延长了机床和刀具的使用寿命。
文档编号G05B19/4097GK102419570SQ201110299209
公开日2012年4月18日 申请日期2011年9月29日 优先权日2011年9月29日
发明者刘玉山, 张武杰, 施群, 王玉进, 程然, 赵幸福, 陈伟, 陈 胜 申请人:上海大学