专利名称：数控加工中的运动规划方法、运动规划器及其应用的制作方法
技术领域：
本发明属于数控加工技术领域，具体涉及一种数控加工中的运动规划方法、运动规划器及其在云端数控系统中的应用。
背景技术：
数控机床是一种高效、自动化的机床，由机床本体和数控系统两部分组成。机床本体主要由床身、立柱、工作台、导轨等基础件和刀库、刀架等配套件组成，为叙述方便，以下将机床本体简称为机床。数控系统是一种程序控制系统，包括数控装置、驱动、电机(马达)，其中数控装置包括人机界面、参数设置、代码输入器、解释器、运动规划器、轴运动控制器，以及附加的加值软件等模块。图I是目前一般数控系统的架构图，标示了数控装置内的主要模块。其中，人机界面模块负责用户与数控装置之间的交互，参数设置模块用于设置数控装置运行时的参数，代码输入器主要负责数控加工程序、控制参数、补偿数据等的输入，解 释器主要对数控加工程序的程序段进行译码处理，运动规划器主要完成速度处理以及插补运算，轴运动控制器主要负责位置控制，加值软件则是一些实现附加功能的软件模块，例如刀具轨迹的仿真等。图2是近年来流行的数控系统新架构，其将数控装置拆成上、下位机；下位机包含实时操作有关的运动规划器与轴运动控制器，其他的模块放在上位机。在数控装置模块中，运动规划器是高档数控系统最关键的技术。数控装置在开始加工时，会从数控装置外部输入直接用于加工的程序，该程序称为数控加工程序，因该程序代码中通常含有较多的字符G，故又被称为G代码，在一般的G代码中，通过给定点的坐标的形式给出了运动轨迹上的一系列点即序列点，如图3所示。数控装置所读入的数控加工G代码(刀具轨迹)包含轴运动的轨迹，但不含速度信息。运动规划器的主要功能是计算每一时刻运动轨迹上的时间坐标，从而进一步得到速度信息，之后再使用时间坐标将运动轨迹做离散处理。第一步关于时间坐标的计算通称为速度规划，而运动轨迹的时间坐标离散化通称为运动插补。为了计算上的方便，速度的计算与运动轨迹时间坐标的离散化通常结合在一起；换言之，速度规划与运动插补算法有密切关系。将运动轨迹进行离散化处理的过程称为插补，离散所得的点称为离散插补点。相邻的离散插补点之间的时间差是固定的，称为插补周期。插补周期的大小取决于轴运动控制器的能力，越高端的轴运动控制器其插补周期越短。运动规划器的功能与加工精度、时间以及工件表面光滑度有密切的关系。高档数控系统在做运动规划时会考虑机床的速度、加速度、与抖动(jerk)的限制，同时对最短时间做优化。实时性的优化需要对刀具轨迹做前瞻，高度的优化必须具备高量的前瞻能力，对内存量与内核速度的要求较高。此处所说的前瞻是指数控装置在G代码执行以前预先计算出各程序段的运动轨迹和运动速度。云计算是一类信息化技术，云计算通过网络在远程提供计算以及数据的服务，而用户端可以不需要知道远程服务的来源。目前云计算在车间的使用还在起步阶段，且集中在对数控系统与机床的远程监控及数据服务方面。在车间云计算的架构设计上，目前的方法都是将数控系统与机床绑成云架构里的同一单元。换言之，数控系统与机床之间不经过云架构相连，如图4所示。在申请号为201210205272. 6的中国专利文献提出将数控装置的主要部分移到云端，其包括两个模式服务式与本地式云端数控。服务式云端数控是将整个上位机移到远程服务器电脑，形成一个云端的上位机，与下位机和机床经由网络连接，如图5所示。在此架构下，一个上位机可以接数个下位机。本地式云端数控保留本地(机床旁)上位机提供操作相关的人机界面与参数设置，而将其余的模块移到云端，如图6所示。在此架构下，操作人员感觉与传统的数控没有不同，唯一的差别是内部的计算都是在运端的上位机完成。无论是传统架构或云端数控架构，运动规划器都是放在本地下位机，如图2、5及图6所示。这是因为目前一般数控系统都是在机床进行加工时，需要实时地做运动规划，而所有要求实时性的工作必须放在下位机以避免网络的时间延迟与网络故障的可能性。这种方式有下述缺点 (I)在加工实时性这一要求的限制下，无法做较复杂的优化计算。(2)加工实时性计算对内核的速度与缓存(cache)的要求较高，从而增加了成本。(3)将运动规划器放置在下位机，大大地降低了其开放性与配置在云端的可能性。尽管中国专利CN100412736C公开的一种技术方案中采用非实时运动规划方式，即其将运动规划器的工作(包括速度规划与运动插补)在实际加工之前先完成，将结果数据储存在电子媒介，然后在实时加工时直接调用预先储存的数据。但是，该技术方案不能适用于远程或云端数控系统的架构而且，对于如果实时加工时发生人为干涉(如人为暂停)等外部影响因素时，该方法不能进行有效处理。
发明內容针对上述问题，本发明的目的之一在于提供一种数控加工中的运动规划方法，采用曲线拟合与速度规划结合的方法，解决传统数控系统中曲线拟合及速度规划效果不好或实时性不足的问题。实现本发明的该目的所采用的具体技术方案如下一种数控加工中的运动规划方法，在对G代码序列点进行曲线拟合的同时，获得加工速度的规划函数，具体包括对数控系统中的解释器产生的G代码序列点ri(i=0，…，N-1)进行拟合处理，拟合得到连续的刀具轨迹曲线r (u) (ue
);其中，i为G代码序列点的序号，N为G代码序列点的总数目，i的取值范围为
，u为轨迹曲线里参数。轨迹曲线里的参数U代表一个抽象值，不具备物理意义，它是数学表达的一种方式。具体到本发明中，u是与时间密切相关的，其既可以是时间，也可以是时间的函数。根据加工总时间T获得规划函数σ (U)=du/dt ；根据上述刀具轨迹曲线r (U)和规划函数σ (U)，利用数控系统的插补周期At进行插补运算，获得轨迹曲线r(u)上的各离散插补点，即可实现运动规划；其中插补运算公式为Ujtl-Uj = ο (uj+1+Uj/2) At
式中，j为插补后所得离散插补点的序号，Uj为第j个离散插补点在曲线r(u)上的参数，j为整数，从零开始到一个具体的整数结束，这个具体的整数是j的上限值，其大小依具体的数控系统和加工精度而定，但不可能是无穷大的。作为该技术方案的改进，所述规划函数σ (U)通过求解加工时间积分的最小值得到
权利要求
1.一种数控加工中的运动规划方法，在对G代码序列点进行曲线拟合的同时，获得加工的规划函数，其具体包括 对数控系统中的解释器产生的G代码序列点ri进行拟合处理，拟合得到连续的刀具轨迹曲线r (U);其中，i为G代码序列点的序号，i的取值范围为[O，N-1], N为G代码序列点的总数目，u为轨迹曲线的参数； 根据加工总时间T获得规划函数0 (U)； 根据上述刀具轨迹曲线r (U)和规划函数0 (U)，利用数控系统的插补周期At进行插补运算，获得轨迹曲线r(u)上的各离散插补点，即可实现运动规划。
2.根据权利要求I所述的数控加工中的运动规划方法，其特征在于，所述的插补运算公式为 Uj+1-Uj= O (uj+1+Uj/2) At 式中，j为离散插补点的序号，+为第j个离散插补点在刀具轨迹曲线r (u)上的参数，uJ+1为第j+1个离散插补点在刀具轨迹曲线r (u)上的参数。
3.根据权利要求I或2所述的数控加工中的运动规划方法，其特征在于，所述规划函数O (u)通过求解下列加工时间积分的最小值得到 其中T是数控加工运行时间的总和。
4.根据权利要求1-3之一所述的数控加工中的运动规划方法，其特征在于，在任一参数为+的离散插补点处规划的速度被减速或暂停时，可利用加速度插补进行速度提升，以恢复到规划好的速度，该加速度插补具体为 首先，计算该参数为的离散插补点处的瞬间运动速度 其次，根据得到的参数为+的离散插补点处的瞬间运动速度计算下一瞬间加速后相应的弧长Arj+1 进一步得到该参数为Uj的离散插补点与后一参数为uj+1的离散插补点之间的参数区间长度A uJ+1 由+与Up1计算之后的离散插补点的参数++2，…，Upk，直到两离散插补点的参数uj+k_i和I^k之间的区间长度满足 AuJ+k^ O ((Uj+k+Un)/^) At时，即可在该参数为uj+k的离散插补点处恢复到规划好的速度函数； 其中，j为离散插补点的序号，+为第j个离散插补点在刀具轨迹曲线r (U)上的参数，uJ+1为第j+1个离散插补点在刀具轨迹曲线r (u)上的参数，r (up表示第j个离散插补点在刀具轨迹曲线上的坐标，r(uj-1)表示第j_l个离散插补点在刀具轨迹曲线上的坐标，At为插补周期，表示r(up与r(i^-l)之间的曲线段的弧长，a是机床的加速度极限。
5.一种数控加工中的运动规划器，用于完成数控加工的运动轨迹规划，其特征在于，该运动规划器包括 拟合运动规划器，其具有轨迹曲线拟合器和速度函数规划器，其中，所述轨迹曲线拟合器用于将数控系统中的解释器产生的G代码序列点进行拟合处理，以拟合得到连续的刀具轨迹曲线，所述速度函数规划器用于计算并获得与所述刀具轨迹曲线对应的规划函数； 离散运动规划器，其具有固定插补器，该固定插补器根据所述刀具轨迹曲线和规划函数，利用数控系统的插补周期At进行插补运算，获得轨迹曲线r(u)上的各离散插补点，完成运动规划。
6.根据权利要求5所述的一种数控加工中的运动规划器，其特征在于，所述规划函数O(u)通过求解下列加工时间积分的最小值得到 其中T是数控加工运行时间的总和。
7.根据权利要求6所述的数控加工中的运动规划方法，其特征在于，所述固定插补器进行插补运算的公式为 Uj+1-Uj= O (uj+1+Uj/2) At 式中，j为离散插补点的序号，+为第j个离散插补点在刀具轨迹曲线r (u)上的参数，uJ+1为第j+1个离散插补点在刀具轨迹曲线r(u)上的参数，At为数控系统的插补周期。
8.根据权利要求5-7之一所述的数控加工中的运动规划方法，其特征在于，该运动规划器还包括加速插补器，用于在规划的速度被减速或暂停时，利用该加速插补器将速度提升到规划的速度。
9.一种云端数控系统，其具有上述权利要求5-8之一所述的运动规划器，其特征在于，所述运动规划器的拟合运动规划器设置在云端上位机上。
10.根据权利要求9所述的一种云端数控系统，其特征在于，所述云端数控系统的数控装置包括上位机和下位机，所述运动规划器的离散运动规划器设置在所述数控装置的下位机上。
全文摘要
本发明公开了一种数控加工中的运动规划方法，实现对加工速度函数的规划，具体包括对数控系统中的解释器产生的G代码序列点进行拟合处理，拟合得到连续的刀具轨迹曲线；计算与刀具轨迹曲线对应的规划函数；根据刀具轨迹曲线和规划函数，利用数控系统的插补周期进行插补运算，获得轨迹曲线上的各离散点，即可实现运动规划。本发明还公开了一种数控加工中的运动规划器以及具有该运动规划器的云端数控系统。本发明采用曲线拟合与速度规划结合的方法，简化并加快了计算步骤和计算时间，加速度与抖动的优化更好，而且计算所得到的速度函数是连续的，比离散的速度规划要更准确，从而可以解决传统数控系统中曲线拟合及速度规划效果和实时性不好的问题。
文档编号G05B19/41GK102809945SQ20121027976
公开日2012年12月5日 申请日期2012年8月8日 优先权日2012年8月8日
发明者李振瀚, 陈吉红, 杨建中, 张敏 申请人:武汉华中数控股份有限公司