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1、(10)申请公布号 CN 104331025 A (43)申请公布日 2015.02.04 C N 1 0 4 3 3 1 0 2 5 A (21)申请号 201410605191.4 (22)申请日 2014.10.31 G05B 19/416(2006.01) (71)申请人西安交通大学 地址 710049 陕西省西安市咸宁路28号 (72)发明人曹建福 汪霖 张继旸 (74)专利代理机构西安智大知识产权代理事务 所 61215 代理人段俊涛 (54) 发明名称 一种面向微小线段高效加工的速度前瞻预处 理方法 (57) 摘要 本发明公开了一种面向微小线段高效加工的 速度前瞻预处理方法，通过。
2、动态自适应选择前瞻 预处理段数，对各前瞻段切削速度进行优化预处 理，以保证进给速度的高速，平滑衔接；速度前瞻 预处理方法包含前瞻段自适应选择和最优衔接速 度预计算两个步骤，数控系统根据加工轨迹变化 趋势，判断拐点位置，从而自适应选择前瞻预处理 段，根据前瞻段的轨迹变化趋势，先粗估计各前瞻 段的末速度，再根据各前瞻段的指令速度、段末速 度粗估计值、加速度及段长约束，精确规划各前瞻 段的最优衔接速度；本发明提供的速度前瞻预处 理方法计算速度快，能够实现进给速度的高速、平 滑衔接，从而满足高速数控装备的速度控制要求。 (51)Int.Cl. 权利要求书2页 说明书5页 附图4页 (19)中华人民共和。
3、国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书5页 附图4页 (10)申请公布号 CN 104331025 A CN 104331025 A 1/2页 2 1.一种面向微小线段高效加工的速度前瞻预处理方法，其特征在于，数控系统利用加 工轨迹趋势自适应选择前瞻预读段，根据前瞻预读段的轨迹变化趋势粗估计各前瞻预读段 的末速度，再利用各前瞻预读段的速度、加速度及段长约束，精确规划各前瞻预读段的最优 衔接速度，从而使高速数控加工进给速度高速、平滑衔接。 2.根据权利要求1所述面向微小线段高效加工的速度前瞻预处理方法，其特征在于， 所述自适应选择前瞻预读段包括： 1)拐点判断及拐点速度计。
4、算 条件1：加工段l(i-1)和l(i)的转接点P i 的单位方向矢量间夹角 条件2：指令速度在转接点P i 处的各轴分速度大于各轴最大允许速度，或者转接点处 加速度大于最大允许加速度； 若加工段l(i-1)和l(i)的转接点P i 满足条件1或条件2时，该转接点P i 为第k个拐 点，拐点位置N k 等于i；条件1下P i 拐点速度为0，条件2下P i 拐点速度为相邻段转接处最 大允许速度v emax，i-1 ； 2)前瞻预读段选取 以加工段l(i)中各拐点为界来自适应分割加工轨迹，将相邻两拐点间所有加工段 l(j)作为一个整体进行前瞻预处理，即l(j)为前瞻预读段，并将相邻拐点间加工段段数。
5、 (N k -N k-1 )作为前瞻预读段数，其中i1,2,N,jN k-1 +1,N k-1 +2,N k ，k为拐点序号， N k 为转接点集合中拐点所在位置。 3.根据权利要求2所述面向微小线段高效加工的速度前瞻预处理方法，其特征在于， 所述各前瞻预读段的末速度粗估计为： 式中， 其中，v e,j 为前瞻预读段l(j)的末速度粗估计值，jN k-1 +1,N k-1 +2,N k ，为前瞻 预读段首段l(N k-1 +1)的初速度，为l(N k )和l(N k +1)段的拐点速度，l j 为前瞻预读段 l(j)的段长，jN k-1 +1,N k-1 +2,N k ，a 加 和a 减 分别。
6、为加速过程和减速过程的加速度，v emax,j 为前瞻预读段l(j)的段末最大允许速度，jN k-1 +1,N k-1 +2,N k 。 4.根据权利要求2或3所述面向微小线段高效加工的速度前瞻预处理方法，其特征在 于，所述各前瞻预读段的最优末速度精确规划过程如下： 根据各前瞻预读段l(j)的末速度粗估计值v e,j ，精确计算获得的前瞻预读段最优衔接 权 利 要 求 书CN 104331025 A 2/2页 3 速度为： 其中jN k-1 +1,N k-1 +1,N k ，limV表示前瞻预读段l(j)的段长为l j ，起点速度为 加速目标速度为F j 的加速过程的极限末速度。 权 利 要 。
7、求 书CN 104331025 A 1/5页 4 一种面向微小线段高效加工的速度前瞻预处理方法 技术领域 0001 本发明属于数控技术领域，涉及数控系统的速度控制技术，特别涉及一种面向微 小线段高效加工的速度前瞻预处理方法。 背景技术 0002 复杂型面加工往往由CAM软件生成微小直线段来逼近，其长度大多不超过1mm(最 小0.1mm)，总程序量多达几万甚至几十万个程序段，进给速度高达60m/min，加速度高达 9.18-2*9.18m/s 2 。速度前瞻预处理的目标是保证微小线段之间加工速度高速、平滑衔接， 以提高数控系统的加工效率、零件加工精度。研究适合微小线段高效加工的速度前瞻预处 理方。
8、法，对于提高数控系统的整体性能具有十分重要的意义。 0003 目前，不少学者对高速加工的速度优化与平滑运动控制进行了研究。现有的一些 小线段加工速度控制方法，大多采用读取固定段数的加工段，通过曲线拟合并求二阶导数， 然后再对高曲率点处的速度进行优化，这些方法计算量较大，同时固定段数很难适应复杂 轨迹的高速平稳加工要求。 发明内容 0004 为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种面向微小线段高效加 工的速度前瞻预处理方法，对各加工段最优衔接速度进行预计算，以保证微小线段之间加 工速度的高速、平滑衔接。 0005 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是： 0006 一种面向微小线段。
9、高效加工的速度前瞻预处理方法，数控系统利用加工轨迹趋势 自适应选择前瞻预读段，根据前瞻预读段的轨迹变化趋势粗估计各前瞻预读段的末速度， 再利用各前瞻预读段的速度、加速度及段长约束，精确规划各前瞻预读段的最优衔接速度， 从而使高速数控加工进给速度高速、平滑衔接。 0007 所述自适应选择前瞻预读段包括： 0008 1)拐点判断及拐点速度计算 0009 条件1：加工段l(i-1)和l(i)的转接点P i 的单位方向矢量间夹角 0010 条件2：指令速度在转接点P i 处的各轴分速度大于各轴最大允许速度，或者转接 点处加速度大于最大允许加速度； 0011 若加工段l(i-1)和l(i)的转接点P i。
10、 满足条件1或条件2时，该转接点P i 为第k 个拐点，拐点位置N k 等于i；条件1下P i 拐点速度为0，条件2下P i 拐点速度为相邻段转接 处最大允许速度v emax，i-1 ； 0012 2)前瞻预读段选取 0013 以加工段l(i)中各拐点为界来自适应分割加工轨迹，将相邻两拐点间所有加工 段l(j)作为一个整体进行前瞻预处理，即l(j)为前瞻预读段，并将相邻拐点间加工段段数 说 明 书CN 104331025 A 2/5页 5 (N k -N k-1 )作为前瞻预读段数，其中i1,2,N,jN k-1 +1,N k-1 +2,N k ，k为拐点序号， N k 为转接点集合中拐点所在。
11、位置。 0014 所述各前瞻预读段的末速度粗估计为： 0015 0016 式中， 0017 0018 其中，v e,j 为前瞻预读段l(j)的末速度粗估计值，jN k-1 +1,N k-1 +2,N k ，为 前瞻预读段首段l(N k-1 +1)的初速度，为l(N k )和l(N k +1)段的拐点速度，l j 为前瞻预 读段l(j)的段长，jN k-1 +1,N k-1 +2,N k ，a 加 和a 减 分别为加速过程和减速过程的加速度， v emax,j 为前瞻预读段l(j)的段末最大允许速度，jN k-1 +1,N k-1 +2,N k 。 0019 所述各前瞻预读段的最优末速度精确规划。
12、过程如下： 0020 根据各前瞻预读段l(j)的末速度粗估计值v e,j ，精确计算获得的前瞻预读段最优 衔接速度为： 0021 0022 其中jN k-1 +1,N k-1 +1,N k ，limV表示前瞻预读段l(j)的段长为l j ，起点速度 为加速目标速度为F j 的加速过程的极限末速度。 0023 综上，本发明主要由前瞻预读段自适应选择和最优衔接速度预计算两步骤构成。 前瞻预读段自适应选择，是根据转接点处轨迹趋势变化，判定拐点位置，并选择相邻拐点间 所有加工段作为前瞻预读段。最优衔接速度预计算，是根据运动学理论，以及转接处最大允 许速度约束，先对各前瞻预读段的段末速度进行粗估计，再精。
13、确计算各前瞻预读段的最优 衔接速度。 0024 前瞻预读段自适应选择是为了选择合理的前瞻预读段数，以适应复杂多变的轨迹 变化。为此，采用几何分析法，分析相邻段运动趋势，并根据相邻两插补周期的进给速度变 化规律，计算转接点处所需加速度，在此基础上，判断拐点位置，以拐点为界来分隔加工轨 迹，将相邻两拐点间所有加工段l(j)(jN k-1 +1,N k-1 +2,N k )作为一个整体进行前瞻预处 理。因为前瞻预读段数可以随轨迹趋势变化而变化，从而实现了前瞻预读段自适应选择功 能。同时，根据转接点处速度约束条件和加速度约束条件，计算各前瞻预读段转接点处最大 允许速度v emax,j 以及拐点速度为后。
14、续计算做准备。 说 明 书CN 104331025 A 3/5页 6 0025 最优衔接速度预计算包括各前瞻预读段的段末速度粗估计和各前瞻预读段的最 优衔接速度精确计算两步。段末速度粗估计，是根据运动学理论，由前瞻预读段的首段初速 度，末段末速度约束(拐点速度)，以及各前瞻预读段的段长、转接处最大允许速度约束，估 计各前瞻预读段的段末速度v e,j ；最优末速度精确规划，是根据运动学原理，由前瞻预读段 的首段初速度，以及各前瞻预读段的段长、指令速度、加速度、段末速度粗估计值，精确计算 各前瞻预读段的最优衔接速度 0026 与现有技术相比，本发明面向微小线段高效加工的速度前瞻预处理方法，不受指 。
15、令速度的影响，对不同指令速度的加工程序均能实现进给速度的高速、平滑衔接；同时本发 明的方法计算速度快，能够满足高速数控系统高实时性的要求，在不改变原数控系统控制 软件结构的情况下，能够实现进给速度的高速、平滑衔接。 附图说明 0027 图1为本发明前瞻速度预处理流程示意图。 0028 图2为本发明前瞻预读段数选取计算示意图。 0029 图3为本发明各前瞻预读段的末速度粗估计计算示意图。 0030 图4为本发明前瞻预读段最优衔接速度计算示意图。 0031 图5为带前瞻速度和不带前瞻速度曲线对比示意图，实线曲线为带前瞻速度曲 线，虚线曲线为不带前瞻速度曲线。 具体实施方式 0032 本发明提供的速。
16、度前瞻预处理方法，是通过嵌入到数控系统加工代码译码模块和 加减速模块之间的前瞻速度预处理模块实现。其中，加减速模块采用S加减速算法。下面 结合附图对本发明作进一步详细描述。 0033 参见图1所示，前瞻速度预处理由前瞻预读段自适应选择模块和最优衔接速度预 计算模块组成。前瞻预读段自适应选择模块，包括拐点判断、前瞻预读段选取两步，该模块 根据预读段l(i)(i1,2,.,N)信息，先进行拐点判断，拐点为段l(N k )与段l(N k +1)转 接点，将拐点序号N k 放入拐点队列，再进行前瞻加工段选取，选取相邻拐点间加工段l(j)(j N k-1 +1,N k-1 +2,.,N k )为前瞻预读。
17、段。最优衔接速度预计算模块，包括各前瞻加工段末速 度粗估计、最优衔接速度精确计算两步，该模块首先算出段末速度粗估计值v e,j ，再根据v e,j 计算出最优衔接速度两个模块并行处理，只有当拐点队列中至少存在两个拐点时，最 优衔接速度预计算模块才能进行。 0034 参见图2所示，前瞻预读段自适应选择模块，是由预读段信息(段l(i-1) 终点单位方向矢量e e,i-1 (e xe,i-1 ,e ye,i-1 ,e ze,i-1 ) T 、段l(i)起点单位方向矢量e s,i (e xs,i ,e ys,i ,e zs,i ) T )，依次进行转接点最大允许速度v emax,i-1 计算、拐点判断。
18、、拐点速度 计算、前瞻预读段选取，并将转接点最大允许速度、拐点速度放入相应的队列中，以备后续 计算。 0035 计算步骤如下， 0036 a.计算转接点P i 处最大允许速度v emax,i-1 ，转向b； 说 明 书CN 104331025 A 4/5页 7 0037 b.计算e e,i-1 e s,i ，若小于等于0，P i 处转接角大于/2，P i 为拐点，转向e，否则， 转向c； 0038 c.计算段l(i-1)终点处指令速度各轴分量，段l(i)起点处指令速度各轴分量，若 某一分量大于对应轴最大允许速度，P i 为拐点，转向e，否则，转向d； 0039 d.计算P i 处加速度在各轴分。
19、量，若某一分量大于对应轴最大允许加速度，P i 为拐 点，转向e，否则，P i 不是拐点，ii+1，转向a； 0040 e.N k i,kk+1,转向f； 0041 f.计算拐点速度若e e,i-1 e s,i 0，则否则转向 g； 0042 g.选择相邻拐点间加工段l(j)(jN k-1 +1,N k-1 +2,.,N k )为前瞻预读段，i i+1，转向a。 0043 参见图3所示，各前瞻预读段段末速度粗估计，是由前瞻预读段首段l(N k-1 +1)的 初速度末段l(N k )末速度约束(l(N k )和l(N k +1)段的拐点速度)，以及各前瞻 预读段的段长l j (jN k-1 +1。
20、,N k-1 +2,N k )、加速过程的加速度a 加 (a 加 0)、减速过程的加 速度a 减 (a 减 0)、段末最大允许速度v emax,j ，先计算再计算在此基础上，对各前瞻 预读段的段末速度v e,j 进行粗估计，并将v e,j 放入队列，以备后续计算。v e,j 计算公式如下， 0044 0045 式中， 0046 0047 计算步骤如下， 0048 a.转向b； 0049 b.计算若jN k ,转向c，否则，继续b； 0050 c.转向d； 0051 d.计算jj-1，若jN k-1 +1,转向e，否则，继续d； 0052 e.计算v e,j 0053 参见图4所示，各前瞻预读段。
21、的最优衔接速度精确计算，是由前瞻预读段首段 l(N k-1 +1)的初速度以及各前瞻预读段l(j)的段长l j 、加速目标速度F j 、加速过程的 说 明 书CN 104331025 A 5/5页 8 加速度a、段末速度粗估计值v e,j ，精确计算各前瞻预读段的最优衔接速度并放入队列， 以备后续计算。计算公式如下， 0054 0055 式中，limV表示段长为l j ，起点速度为加速目标速度为F j 的加速过程的极限 末速度。 0056 计算步骤如下， 0057 a.转向b； 0058 b.计算前瞻预读段l(j)极限末速度LimV； 0059 c.计算前瞻预读段最优衔接速度jj+1，若jN 。
22、k ，转向b 0060 在实验室高速雕铣机床上对本发明的速度前瞻预处理方法进行验证。加工测试程 序包括直线(G01)、顺圆(G02)、逆圆(G03)插补类型，以及直线接直线、直线接圆弧、圆弧 接圆弧和圆弧接直线曲线过渡类型，图5为带前瞻预处理和不带前瞻预处理的进给速度曲 线。由图5可知，采用速度前瞻预处理方法前，在圆弧接直线，直线接圆弧位置，发生速度突 变，其加减速频繁，导致数控系统存在一定程度的机械振动；采用速度前瞻预处理方法后， 段末速度突变得到有效地避免，其进给速度能够实现高速、平滑衔接，保证了数控系统加工 精度，同时，加工时间也有所缩短，数控系统加工效率也得到提高。 说 明 书CN 104331025 A 1/4页 9 图1 图2 说 明 书 附 图CN 104331025 A 2/4页 10 图3 说 明 书 附 图CN 104331025 A 10 3/4页 11 图4 说 明 书 附 图CN 104331025 A 11 4/4页 12 图5 说 明 书 附 图CN 104331025 A 12 。