小線段路徑壓縮平滑的前瞻插補(bǔ)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種小線段路徑壓縮平滑的前瞻插補(bǔ)系統(tǒng)，包括：路徑光順模塊、曲線掃描分段模塊、雙向加速模塊、速度規(guī)劃模塊和插補(bǔ)模塊。其中，路徑光順模塊，通過讀取數(shù)控G代碼G01段的信息，提取代碼中的小線段的坐標(biāo)信息，根據(jù)這些坐標(biāo)信息計(jì)算，對(duì)小線段進(jìn)行路徑壓縮平滑光順。曲線掃描分段模塊、雙向加速模塊、速度規(guī)劃模塊完成躍度有限的S型速度規(guī)劃的任務(wù)。插補(bǔ)模塊，則根據(jù)計(jì)算得到的規(guī)劃速度生成離散的插補(bǔ)點(diǎn)。這些插補(bǔ)點(diǎn)會(huì)被存儲(chǔ)用于位置閉環(huán)控制中。本發(fā)明全部過程計(jì)算效率高，計(jì)算量小，編程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可進(jìn)一步用于高速高精的數(shù)控機(jī)床。
【專利說明】小線段路徑壓縮平滑的前瞻插補(bǔ)系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種數(shù)控加工【技術(shù)領(lǐng)域】的離線系統(tǒng)，尤其是可以根據(jù)小線段(G01代碼)生成B樣條，接著進(jìn)行躍度有限的速度規(guī)劃，進(jìn)而生成插補(bǔ)點(diǎn)的系統(tǒng)，具體涉及小線段路徑壓縮平滑的前瞻插補(bǔ)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]數(shù)控加工中，通常CAM (Computer Aided Manufacturing,計(jì)算機(jī)輔助制造)軟件的后置處理器會(huì)按加工精度的要求將復(fù)雜路徑分解為一系列的微小路徑段，再由數(shù)控系統(tǒng)中的插補(bǔ)器對(duì)每段路徑進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，進(jìn)而進(jìn)行閉環(huán)控制。而這一方面，需要較大的存儲(chǔ)空間存放數(shù)據(jù)；另一方，由于速度規(guī)劃的不連貫性，勢(shì)必導(dǎo)致表面質(zhì)量和加工效率的降低。
[0003]用參數(shù)曲線將微小路徑線段進(jìn)行擬合，然后再進(jìn)行速度規(guī)劃，進(jìn)而進(jìn)行插補(bǔ)被證明是一種非常有效的方法。為了滿足高速高精度的加工要求，根據(jù)微小路徑生成的參數(shù)曲線應(yīng)該具有以下特征:擬合精度滿足精度要求，利于進(jìn)行速度規(guī)劃，利于表示各種類型的曲線，抑制刀路振蕩，C2連續(xù)等。而規(guī)劃的速度曲線應(yīng)該滿足加速度連續(xù)、躍度有限的要求，如此可減少對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的沖擊。
[0004]對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)檢索發(fā)現(xiàn)，也有用Bezier曲線進(jìn)行小線段轉(zhuǎn)接的(CN102147600)，然而由于采用轉(zhuǎn)接的方式，需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量依然很大，且也不利于速度規(guī)劃的連貫性。另夕卜，Bezier曲線由于不具有局部支撐性，在設(shè)計(jì)、修改上也不方便。而在速度規(guī)劃方面，一般的方法都采用了速度連續(xù)，也即加速度有限的方式進(jìn)行，因此可能會(huì)有較大躍度，這仍然會(huì)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)造成較大沖擊。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)以上不足，本發(fā)明的目的在于采用對(duì)小線段擬合，而非轉(zhuǎn)接的方式將小線段光順為B樣條曲線，同時(shí)采用躍度有限的方式進(jìn)行速度規(guī)劃，而插補(bǔ)則采用了多種不同的方法。
[0006]根據(jù)本發(fā)明提供的一種小線段路徑壓縮平滑的前瞻插補(bǔ)系統(tǒng)，包括:路徑光順模塊、曲線掃描分段模塊、雙向加速模塊、速度規(guī)劃模塊、插補(bǔ)模塊；
[0007]路徑光順模塊，用于通過讀取數(shù)控G代碼GOl段的信息，提取代碼中的小線段的坐標(biāo)信息，根據(jù)這些坐標(biāo)信息計(jì)算，對(duì)小線段進(jìn)行路徑壓縮平滑光順；
[0008]曲線掃描分段模塊、雙向加速模塊、速度規(guī)劃模塊，用于完成躍度有限的S型速度規(guī)劃的任務(wù)，得到規(guī)劃速度；
[0009]插補(bǔ)模塊，用于根據(jù)計(jì)算得到的規(guī)劃速度生成離散的插補(bǔ)點(diǎn)，這些插補(bǔ)點(diǎn)會(huì)被存儲(chǔ)用于位置閉環(huán)控制中。
[0010]優(yōu)選地，所述路徑光順模塊，從所有小線段端點(diǎn)根據(jù)曲率、弓高誤差、曲率噪聲這些信息選取合適的點(diǎn)作為擬合所用特征點(diǎn)；為了更進(jìn)一步提高算法的快速收斂性，及以后的實(shí)時(shí)控制，通過添加前瞻窗口的方式，將找到的特征點(diǎn)分批進(jìn)行擬合，生成B樣條曲線；在根據(jù)曲率選取擬合特征點(diǎn)時(shí)，加入了曲率的濾波環(huán)節(jié)；在擬合過程中，分別采用向心參數(shù)化方法和平均化方法求取控制點(diǎn)對(duì)應(yīng)的曲線參數(shù)及節(jié)點(diǎn)矢量，根據(jù)PDM方法進(jìn)行最小二乘擬合求取初始控制點(diǎn)，通過距離函數(shù)得到的優(yōu)化問題來更新控制點(diǎn)信息，通過弓高誤差來增加特征點(diǎn)，最后使用HausdorfT距離來控制擬合精度；
[0011]所述曲線掃描分段模塊，找出B樣條曲線曲率的極大值點(diǎn)，再根據(jù)弓高誤差、最大進(jìn)給速度、最大加速度、最大躍度的約束找出B樣條上的特征點(diǎn)，根據(jù)這些特征點(diǎn)將曲線分為若干段，計(jì)算每段曲線的首末的速度極值及長(zhǎng)度；
[0012]所述雙向加速模塊，通過雙向掃描的方式，使機(jī)床能順利停機(jī)，且進(jìn)行的速度規(guī)劃曲線確實(shí)可行；
[0013]所述速度規(guī)劃模塊，根據(jù)機(jī)床最大進(jìn)給速度、加速度、躍度及允許的曲線弓高誤差以及每段曲線首末速度、弧長(zhǎng)信息，采用五段式加減速速度規(guī)劃，使生成的速度規(guī)劃曲線躍度有限；首先根據(jù)給定的約束條件，求取一個(gè)閾值曲率，然后根據(jù)閾值曲率確定曲線上進(jìn)行速度規(guī)劃的關(guān)鍵點(diǎn)，然后求取關(guān)鍵點(diǎn)的弧長(zhǎng)，然后再進(jìn)行速度規(guī)劃；
[0014]所述插補(bǔ)模塊，根據(jù)規(guī)劃速度，進(jìn)行插補(bǔ)，將插補(bǔ)所得位置信息離線存儲(chǔ)，用于進(jìn)行位置的實(shí)時(shí)控制；
[0015]根據(jù)前瞻窗口，將選取的特征點(diǎn)分批進(jìn)行擬合，提高算法效率；同時(shí)，在擬合生成的多段B樣條的連接處，應(yīng)用離散速度約束的條件，使速度規(guī)劃在連接點(diǎn)處不必降為0，保證了速度規(guī)劃的連貫性；
[0016]通過增加前瞻窗口，使曲線擬合、速度規(guī)劃在較短時(shí)間內(nèi)完成，同時(shí)使插補(bǔ)與位置控制實(shí)時(shí)完成。
[0017]優(yōu)選地，選取合適的點(diǎn)作為擬合所用特征點(diǎn)，具體如下:
[0018]首先將整段曲線的端點(diǎn)作為特征點(diǎn)；
[0019]離散曲率的計(jì)算公式為
[0020]
【權(quán)利要求】
1.一種小線段路徑壓縮平滑的前瞻插補(bǔ)系統(tǒng)，其特征在于，包括:路徑光順模塊、曲線掃描分段模塊、雙向加速模塊、速度規(guī)劃模塊、插補(bǔ)模塊； 路徑光順模塊，用于通過讀取數(shù)控G代碼GOl段的信息，提取代碼中的小線段的坐標(biāo)信息，根據(jù)這些坐標(biāo)信息計(jì)算，對(duì)小線段進(jìn)行路徑壓縮平滑光順； 曲線掃描分段模塊、雙向加速模塊、速度規(guī)劃模塊，用于完成躍度有限的S型速度規(guī)劃的任務(wù)，得到規(guī)劃速度； 插補(bǔ)模塊，用于根據(jù)計(jì)算得到的規(guī)劃速度生成離散的插補(bǔ)點(diǎn)，這些插補(bǔ)點(diǎn)會(huì)被存儲(chǔ)用于位置閉環(huán)控制中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小線段路徑壓縮平滑的前瞻插補(bǔ)系統(tǒng)，其特征在于， 所述路徑光順模塊，從所有小線段端點(diǎn)根據(jù)曲率、弓高誤差、曲率噪聲這些信息選取合適的點(diǎn)作為擬合所用特征點(diǎn)；為了更進(jìn)一步提高算法的快速收斂性，及以后的實(shí)時(shí)控制，通過添加前瞻窗口的方式，將找到的特征點(diǎn)分批進(jìn)行擬合，生成B樣條曲線；在根據(jù)曲率選取擬合特征點(diǎn)時(shí)，加入了曲率的濾波環(huán)節(jié)；在擬合過程中，分別采用向心參數(shù)化方法和平均化方法求取控制點(diǎn)對(duì)應(yīng) 的曲線參數(shù)及節(jié)點(diǎn)矢量，根據(jù)PDM方法進(jìn)行最小二乘擬合求取初始控制點(diǎn)，通過距離函數(shù)得到的優(yōu)化問題來更新控制點(diǎn)信息，通過弓高誤差來增加特征點(diǎn)，最后使用HausdorfT距離來控制擬合精度； 所述曲線掃描分段模塊，找出B樣條曲線曲率的極大值點(diǎn)，再根據(jù)弓高誤差、最大進(jìn)給速度、最大加速度、最大躍度的約束找出B樣條上的特征點(diǎn)，根據(jù)這些特征點(diǎn)將曲線分為若干段，計(jì)算每段曲線的首末的速度極值及長(zhǎng)度； 所述雙向加速模塊，通過雙向掃描的方式，使機(jī)床能順利停機(jī)，且進(jìn)行的速度規(guī)劃曲線確實(shí)可行； 所述速度規(guī)劃模塊，根據(jù)機(jī)床最大進(jìn)給速度、加速度、躍度及允許的曲線弓高誤差以及每段曲線首末速度、弧長(zhǎng)信息，采用五段式加減速速度規(guī)劃，使生成的速度規(guī)劃曲線躍度有限；首先根據(jù)給定的約束條件，求取一個(gè)閾值曲率，然后根據(jù)閾值曲率確定曲線上進(jìn)行速度規(guī)劃的關(guān)鍵點(diǎn)，然后求取關(guān)鍵點(diǎn)的弧長(zhǎng)，然后再進(jìn)行速度規(guī)劃； 所述插補(bǔ)模塊，根據(jù)規(guī)劃速度，進(jìn)行插補(bǔ)，將插補(bǔ)所得位置信息離線存儲(chǔ)，用于進(jìn)行位置的實(shí)時(shí)控制； 根據(jù)前瞻窗口，將選取的特征點(diǎn)分批進(jìn)行擬合，提高算法效率；同時(shí)，在擬合生成的多段B樣條的連接處，應(yīng)用離散速度約束的條件，使速度規(guī)劃在連接點(diǎn)處不必降為0，保證了速度規(guī)劃的連貫性； 通過增加前瞻窗口，使曲線擬合、速度規(guī)劃在較短時(shí)間內(nèi)完成，同時(shí)使插補(bǔ)與位置控制實(shí)時(shí)完成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的小線段路徑壓縮平滑的前瞻插補(bǔ)系統(tǒng)，其特征在于，選取合適的點(diǎn)作為擬合所用特征點(diǎn)，具體如下: 首先將整段曲線的端點(diǎn)作為特征點(diǎn)； 離散曲率的計(jì)算公式為
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的小線段路徑壓縮平滑的前瞻插補(bǔ)系統(tǒng)，其特征在于，最小二乘擬合求取初始控制點(diǎn)，具體如下: (a)求取控制點(diǎn)參數(shù) 采用向心法求取控制點(diǎn)曲線參數(shù)；
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的小線段路徑壓縮平滑的前瞻插補(bǔ)系統(tǒng)，其特征在于，雙向掃描及速度規(guī)劃，具體如下: 采用躍度有限的五段式S型速度規(guī)劃，根據(jù)擬合得到的B樣條曲線，找出B樣條曲線上的進(jìn)行速度規(guī)劃的關(guān)鍵點(diǎn)，關(guān)鍵點(diǎn)包括曲率大于閾值K cr處的極值點(diǎn)和間斷點(diǎn)，確定關(guān)鍵點(diǎn)處的速度極值，然后再對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)確定的每段進(jìn)行雙向掃描，確定關(guān)鍵點(diǎn)處的速度極值及規(guī)劃的速度類型(ACC+CF+DEC、ACC+DEC、ACC+CF、CF+DEC、ACC、DEC、CF ;其中，ACC 表示加速段，DEC表示減速段，CF表示恒速段)；曲率的閾值計(jì)算為.( M Aa IJ^)
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的小線段路徑壓縮平滑的前瞻插補(bǔ)系統(tǒng)，其特征在于，插補(bǔ)按照一、二階泰勒展開法進(jìn)行，具體如下: 一、二階泰勒展開法按下式計(jì)算
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的小線段路徑壓縮平滑的前瞻插補(bǔ)系統(tǒng)，其特征在于，插補(bǔ)按照龍格-庫(kù)塔方法進(jìn)行，具體如下: 迭代過程如下
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的小線段路徑壓縮平滑的前瞻插補(bǔ)系統(tǒng)，其特征在于，插補(bǔ)按照亞當(dāng)姆斯方法進(jìn)行，具體如下: 亞當(dāng)姆斯顯式公式方法利用歷史插值點(diǎn)來計(jì)算當(dāng)前插值參數(shù)，亞當(dāng)姆斯顯式公式計(jì)算如下
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的小線段路徑壓縮平滑的前瞻插補(bǔ)系統(tǒng)，其特征在于，插補(bǔ)按照速度校正多項(xiàng)式方法，，具體為:建立(I^si)之間的擬合多項(xiàng)式U(S)，然后利用該多項(xiàng)式在已知弧長(zhǎng)的情況下直接求出曲線參數(shù)。
【文檔編號(hào)】G05B19/41GK104007705SQ201410186814
【公開日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年5月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月5日
【發(fā)明者】朱利民, 趙歡, 黃杰 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)