[发明专利]数控加工中的运动规划方法、运动规划器及其应用

说明书

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1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：

（1）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。