CN105045210A - Cnc数控设备自适应控制弓高误差的平滑插补方法 - Google Patents

Abstract

一种CNC数控设备自适应控制弓高误差的平滑插补方法，包括如下步骤：设定或读取CNC数控设备的刀路运动指令的最大弓高误差ε；连续输入若干段刀路运动指令至插补器，直到刀路运动速度必须降速至0为止；由前瞻规划控制模块进行速度规划，该段路径的起点速度和终点速度均为0，中途无0速点；统计分析该段路径中的最小曲率半径、各衔接点处的运动速度及对应的运动方向偏转角度，计算出一个最大平滑周期数n，使之经过平滑插补处理后，所得的轨迹与原始轨迹的弓高误差不大于ε；平滑插补，将插补出来的若干连续的点，经过算术平均或加权平均算法，得到新的插补点，以减轻或消除运动突变。经该算法处理后的刀路圆润光滑，对某些加工领域具有显著效果。

Description

CNC数控设备自适应控制弓高误差的平滑插补方法

技术领域

本发明涉及CNC数控系统解决方案。

背景技术

通常CAM系统的后置处理器按加工精度的要求将复杂路径分解成一系列的微小路径段(如直线段或圆弧段)，再由数控系统中的各相关插补器对每一个特定的微小路径段进行插补运算。CAM软件生成的刀路文件的好坏，直接影响到加工的质量与速度。有时候，由于精度等方面的限制，CAM软件生成的刀路并不完美，比如与真实的加工曲线拟合误差过大，或者将原本光滑的曲线打散成一系列的微线段，如果仍完全忠实于该刀路加工，有时反而得不到高质量的效果。

现有技术中的做法是：采用数字滤波技术，将输出的脉冲进行平滑处理。现有技术的缺点：1、如果是基于对输出的脉冲进行平滑处理，相当于是对速度的平滑，很难保证终点位置的精准；2、需要人工设定一个平滑周期数，具体设多少难把握，且很难兼顾刀路全程加工。前者需要技术人员具有一定的经验，但仍需反复试验加工来验证，费时费料。而后者则常会出现顾此失彼的现象，很难做到全程都恰到好处。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种加工效果较好的CNC数控设备自适应控制弓高误差的平滑插补方法。

为达到以上目的，本发明提供了一种CNC数控设备自适应控制弓高误差的平滑插补方法，包括如下步骤：

a)设定或读取CNC数控设备的刀路运动指令的最大弓高误差ε；

b)连续输入若干段刀路运动指令至插补器，直到刀路运动速度必须降速至0为止；

c)由前瞻规划控制模块进行速度规划，该段路径的起点速度和终点速度均为0，中途无0速点；

d)统计分析该段路径中的最小曲率半径、各衔接点处的运动速度及对应的运动方向偏转角度，据此计算出一个最大平滑周期数n，使之经过平滑插补处理后，所得的轨迹与原始轨迹的弓高误差不大于ε；

e)平滑插补，将插补出来的若干连续的点，经过算术平均或加权平均算法，得到新的插补点，以减轻或消除运动突变。

本发明的进一步改进在于，所述的步骤e）中，进一步包括如下步骤：

f)初始化：以当前点为原点建立坐标系，分别用vInput、vOutput表示理论输入、实际输出的位置，以及n个理论输入坐标点vPosition[i](i=0,1,…,n-1)，显然它们均为零点，并用index表示输入点的序号，亦初始化为0；

g)平滑插补：对于每个插补周期，将计算出该插补周期内各轴需要的运动量v：

备份当前输出位置：vCurrent=vOutput；

计算当前输入的位置：vInput=vInput+v；

更新存储坐标：index=(index+1)modn，vPosition[index]=vInput；

计算新的输出位置：vOutput=(vPosition[0]+vPosition[1]+…+vPosition[n-1])/n；

计算各控制轴需要的运动量并输出：v=vOutput–vCurrent；

h)延时结束：当速度降为0时，因vOutput与vInput可能并不一致，必须再经若干个插补周期使之趋于一致，判定是否结束：令v=vInput-vOutput，如果v足够小，则输出v后，整个平滑插补完成；否则，令v等于0，调用上述步骤g)；

本发明的进一步改进在于，所述的步骤b）中，所述的降速至0的路径位置包括检测到大转角、或暂停指令、或加工文件尾。

本发明的进一步改进在于，所述的步骤h）中，延时的周期数不大于n。

本发明基于位置的平滑插补技术，即当平滑插补结束后，可精确保证处于指定位置；避免了人工设置平滑周期数，采用分段智能分析计算出恰当的平滑周期数，使之产生的弓高误差恰好不大于设定的最大弓高误差，自适应能力大大加强。经实验证明，经过该算法平滑处理后的刀路，更圆润光滑，对于某些加工领域，如高光处理，具有显著效果。

具体实施方式

下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

本发明的CNC数控设备刀路转角平滑处理方法，主要包括如下步骤：

1）设定或读取：最大弓高误差ε；

2）连续输入若干段运动指令至插补器，直到必须降速至0为止（比如检测到大转角、或暂停指令、或加工文件尾等）；

3）由前瞻规划控制模块进行速度规划，该段的起点速度和终点速度均为0，中途无0速点；

4）统计分析该段里运动的最小曲率半径、各衔接点处的运动速度及对应的运动方向偏转角度，据此计算出一个最大平滑周期数n，使之经过平滑插补处理后（详见以下步骤），所得的轨迹与原始轨迹的弓高误差不大于ε；

5）平滑插补，将插补出来的若干连续的点，经过算术平均或加权平均算法（为了说明原理，以下仅以最简单的算术平均算法为例进行阐述），得到新的插补点，以减轻或消除运动突变；

a)初始化：以当前点为原点建立坐标系，分别用vInput、vOutput表示理论输入、实际输出的位置，以及n个理论输入坐标点vPosition[i](i=0,1,…,n-1)，显然它们均为零点；并用index表示输入点的序号，亦初始化为0；

b)平滑插补：对于每个插补周期，将计算出该插补周期内各轴需要的运动量v；

i.备份当前输出位置：vCurrent=vOutput；

ii.计算当前输入的位置：vInput=vInput+v；

iii.更新存储坐标：index=(index+1)modn，vPosition[index]=vInput；

iv.计算新的输出位置：vOutput=(vPosition[0]+vPosition[1]+…+vPosition[n-1])/n；

v.计算各轴需要的运动量并输出：v=vOutput–vCurrent；

c)延时结束：当速度降为0时，因vOutput与vInput可能并不一致，必须再经若干个插补周期使之趋于一致（可证明，延时的周期数不大于n），

i.判定是否结束：令v=vInput-vOutput，如果v足够小，则输出v后，整个平滑插补完成；

ii.否则，令v等于0，调用上述步骤b)。

另一个可替代方案是，将原始刀路先进行拟合成Nurbs曲线，然后再进行Nurbs插补。但Nurbs的拟合与插补，计算量均很大，需要投入的软件与硬件成本都很高。

非常美妙的是，经过严格论证，本方法所得到的插补平滑轨迹，正好是Nurbs曲线！体现出处处光顺的效果，具有异曲同工之妙，但实现起来却容易得多，并可满足实时在线计算的要求。

需要指出的是，本发明的核心思想体现在以下几点：

1)基于相邻理论位置（而非速度），进行计算；

2)平滑处理算法，可以采用算术平均，或加权平均；

3)根据平滑处理算法，并结合已前瞻速度规划好的刀路，自动计算出合理的平滑周期数；

4)平滑处理延时结束的标志为，理论输出位置与实际输出位置足够接近，将它们的差值输出并终止平滑处理，即可严格保证终点位置的精准。

由于基于位置的平滑插补技术，即当平滑插补结束后，可精确保证处于指定位置；避免了人工设置平滑周期数，采用分段智能分析计算出恰当的平滑周期数，使之产生的弓高误差恰好不大于设定的最大弓高误差，自适应能力大大加强。经实验证明，经过该算法平滑处理后的刀路，更圆润光滑，对于某些加工领域，如高光处理，具有显著效果。

本方案的显著效果体现在以下几点：

1)可以得到处处光顺的插补效果；

2)减少相邻加工段衔接时运动方向突变的冲击，保护工件及加工设备；

3)由于根据设定的最大弓高误差，自动分析计算出各段的平滑周期数，并保证经过平滑前后的轨迹的弓高误差小于等于设定值；

4)本算法的平滑周期数是自动分析计算得到的，具有一定的智能性和自适应性。

以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰均涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种CNC数控设备自适应控制弓高误差的平滑插补方法，其特征在于，包括如下步骤：

a）设定或读取CNC数控设备的刀路运动指令的最大弓高误差ε；

b）连续输入若干段刀路运动指令至插补器，直到刀路运动速度必须降速至0为止；

c）由前瞻规划控制模块进行速度规划，该段路径的起点速度和终点速度均为0，中途无0速点；

d）统计分析该段路径中的最小曲率半径、各衔接点处的运动速度及对应的运动方向偏转角度，据此计算出一个最大平滑周期数n，使之经过平滑插补处理后，所得的轨迹与原始轨迹的弓高误差不大于ε；

e）平滑插补，将插补出来的若干连续的点，经过算术平均或加权平均算法，得到新的插补点，以减轻或消除运动突变。

2.根据权利要求1所述的CNC数控设备自适应控制弓高误差的平滑插补方法，其特征在于：所述的步骤e）中，进一步包括如下步骤：

f）初始化：以当前点为原点建立坐标系，分别用vInput、vOutput表示理论输入、实际输出的位置，以及n个理论输入坐标点vPosition[i](i=0,1,…,n-1)，显然它们均为零点，并用index表示输入点的序号，亦初始化为0；

g）平滑插补：对于每个插补周期，将计算出该插补周期内各轴需要的运动量v：

备份当前输出位置：vCurrent=vOutput；

计算当前输入的位置：vInput=vInput+v；

更新存储坐标：index=(index+1)modn，vPosition[index]=vInput；

计算新的输出位置：vOutput=(vPosition[0]+vPosition[1]+…+vPosition[n-1])/n；

计算各控制轴需要的运动量并输出：v=vOutput–vCurrent；

h）延时结束：当速度降为0时，因vOutput与vInput可能并不一致，必须再经若干个插补周期使之趋于一致，判定是否结束：令v=vInput-vOutput，如果v足够小，则输出v后，整个平滑插补完成；否则，令v等于0，调用上述步骤g)。

3.根据权利要求1所述的CNC数控设备自适应控制弓高误差的平滑插补方法，其特征在于：所述的步骤b）中，所述的降速至0的路径位置包括检测到大转角、或暂停指令、或加工文件尾。

4.根据权利要求2所述的CNC数控设备自适应控制弓高误差的平滑插补方法，其特征在于：所述的步骤h）中，延时的周期数不大于n。