[发明专利]一种恒力约束条件下的数控机床加减速速度规划方法

说明书

本发明提出一种恒力约束条件下的数控机床加减速速度规划方法，属于数控加工的加减速处理技术领域。包括先获取计算参数：数控系统中伺服进给系统的动力学参数，待规划NC加工文件当前指令段的加工起点和终点坐标，加工起点速度、加工终点速度和进给指令速度；确定恒力约束条件下伺服指令速度和加速度的函数关系；得到各速度规划段的总运动时间的计算公式；依次确定恒力约束条件下伺服指令加速度与加工时间、伺服指令速度与加工时间以及伺服指令位置与加工时间的函数关系；根据上述各参数及函数关系，分别完成各速度规划段的速度规划。本发明使用动力学参数作为数控系统速度规划的约束条件，可提高工件的加工精度并增加数控系统稳定性和加工效率。

技术领域

本发明属于数控加工的加减速处理技术领域，特别涉及一种恒力约束条件下的数控机床加减速速度规划方法。

背景技术

数控系统是数控机床的核心控制装置，参见图1，为目前现有数控系统的工作流程图，数控系统根据输入的NC(Numerical Control)加工文件完成对工件的加工。NC加工文件是描述刀具路径轨迹的一种文件，通常使用G代码(ISO6983)格式对刀具路径轨迹进行描述。数控系统需要根据此刀具路径轨迹，使用速度规划方法进行速度规划，再由插补方法完成对刀具轨迹的插补，最终将插补数据发送给伺服进给系统，完成对数控机床的轨迹控制，实现对工件轮廓的切削加工。具体地，数控系统根据输入的NC加工文件，依次经过编译、轨迹规划、速度规划和插补后，将插补数据输出至数控机床的伺服进给系统。数控系统在编译NC加工文件时采用逐段解析方式，相应地，轨迹规划、速度规划和插补阶段分别逐段执行NC加工文件指令。

针对于数控系统的速度规划方法，目前经济型数控系统多采用直线加减速速度规划方法。参见图2，为一段NC加工文件通过直线加减速速度规划方法处理后得到的梯形加减速规划结果，分为加速段、匀速段和减速段，其中，直线加减速速度规划方法的输入参数包括：当前指令段的加工起点速度v_s、当前指令段的加工终点速度v_e、当前指令段的进给指令速度v_f和当前指令段的最大加速度a_max。例如中国专利公开的一种产生对称梯形加减速脉冲的方法(申请号CN1201310661637.0)。这种速度规划方法计算量小，算法结构简单，可约束加工最大速度和最大加速度。但利用该方法在伺服进给系统的启动和停止时会产生较大的加速度突变，这会使运动产生较大的冲击，难以很好控制工件的表面加工质量。

一些中高档数控系统使用一种S形曲线加减速速度规划方法。例如中国专利公开的一种数控机床S型加减速控制方法(申请号CN201410421152.9)，中国专利公开的一种用于数控设备控制系统的S形加减速控制的速度规划方法(申请号CN201210334913.8)等。这种速度规划方法使得运动加速度更加平滑，实现对运动加加速度的约束，提高了工件表面的加工质量，因此被广泛应用于商用数控系统中。但是，由于加减速过程平滑缓慢，相比于梯形加减速其总的加工时间较长，因此该种速度规划方法加工效率较低。通过S曲线加减速速度规划方法得到的一段NC加工文件的梯形加减速规划结果如图3所示，通过图3可知，相比于图2的速度曲线，图3的加减速段速度变化较平滑，因此运动过程冲击较小。

另有其它一些速度规划方法例如：申请号CN201310095677.3的“用于数控机床的三角函数二阶连续可导加减速算法”等。

以上所有速度规划方法中，约束参数均属于运动学参数，如最大速度、最大加速度和最大加加速度。商用数控系统中也分别对规划的运动学参数进行了约束，例如：德国西门子数控系统的“坐标轴速度限制”、“最大加速度(参考值：1m/s²)”等，日本发那科数控系的“快速移动G00时直线加减速时间常数”等。