面向高速加工的表面质量优先的样条曲线实时插补方法

摘要

本发明涉及一种面向高速加工的表面质量优先的样条曲线实时插补方法，包括以下步骤：在数控系统的解释器中对加工路径进行预处理，得到加工速度曲线；将得到的加工速度曲线输入到数控系统的运动控制器，进行实时插补；将实时插补得到的坐标信息发给伺服装置，驱动电机运行。本发明提出了表面质量优先的样条曲线插补算法，通过对单轴加加速度的限制和速度曲线的平滑过渡，实现了单轴加速度的连续过渡，从而得到光滑的加工速度曲线，实现了不同加工区间速度规划算法的自动调节。

权利要求

1.一种面向高速加工的表面质量优先的样条曲线实时插补方法，其特征在于包括以下步骤：在数控系统的解释器中对加工路径进行预处理，得到加工速度曲线；

将得到的加工速度曲线输入到数控系统的运动控制器，进行实时插补；

将实时插补得到的坐标信息发给伺服装置，驱动电机运行；

所述预处理包括以下步骤：

求速度限制曲线是对整条加工路径进行一次快速插补，得到一条在加速时满足各个速度加工区要求的合加速度和单轴加加速度约束的加工速度曲线以及速度和加速度的不连续点；

根据高速加工信息以及上述加工速度曲线划分速度加工区，并修改上述速度加工曲线，记录下速度加工曲线上新产生的速度不连续点；

根据上述速度不连续点进行速度曲线反向链接，去除加工速度曲线上的速度不连续点，并记录下速度加工曲线上新产生的加速度不连续点；

根据上述加速度不连续点进行加工速度曲线平滑过渡，去除加工速度曲线上加速度不连续点。

2.按权利要求1所述的面向高速加工的表面质量优先的样条曲线实时插补方法，其特征在于：所述求速度限制曲线包括以下步骤：

求速度限制曲线首先判断当前所在的速度加工区，然后根据加工误差以及所在加工区的合加速度和单轴加加速度限制求约束速度，将约束速度曲线送至划分加工区步骤；

判断当前周期的加速度值是否满足约束条件，若不满足约束条件，则将该插补点写入速度不连续点数组，并将速度不连续数组送至划分加工区。

3.按权利要求2所述的面向高速加工的表面质量优先的样条曲线实时插补方法，其特征在于：若满足约束条件，则接续判断是否满足加加速度约束，若不满足加加速度约束条件，则将该点写入加速度不连续点数组，并送至速度曲线反向链接步骤。

4.按权利要求3所述的面向高速加工的表面质量优先的样条曲线实时插补方法，其特征在于：若满足加加速度约束条件，则进入划分速度加工区。

5.按权利要求1所述的面向高速加工的表面质量优先的样条曲线实时插补方法，其特征在于：所述速度曲线平滑过渡包括以下步骤：

根据速度加工曲线上加速度不连续点的加速度突变程度估算平滑所需的插补周期数N；

从不连续点向加速度绝对值较大的一侧偏移一个周期为起点，再从该起点反向偏移N个插补周期为终点，起点到终点的区间作为估计平滑区间；

判断该区间的实际速度差是否大于平滑过渡所能产生的速度增量，若大于平滑过渡所能产生的速度增量，则继续向加速度绝对值较大的一侧偏移一个周期，重新计算N和判断该区间的实际速度差是否大于平滑过渡所能产生的速度增量，直到满足为止，进入速度平滑处理阶段；

平滑处理阶段为：在每个插补周期首先判断从当前位置到平滑区间终点的剩余插补周期数，并重新计算需要的平均加加速度，并根据得到的平均加加速度求出约束速度值。

6.按权利要求5所述的面向高速加工的表面质量优先的样条曲线实时插补方法，其特征在于：若上述判断为小于平滑过渡所能产生的速度增量，则进入平滑处理阶段。

说明书

面向高速加工的表面质量优先的样条曲线实时插补方法

技术领域

[0001] 本发明涉及数控系统的速度处理技术，具体地说是一种面向高速加工的表面质量优先的样条曲线实时插补方法。

背景技术

[0002] 复杂曲面的高速加工技术一直是数控加工中的一个难点问题，传统的加工方式首先将复杂曲面在CAM系统中离散成微小直线段和圆弧，然后以G代码的形式发送给数控系统。这些离散生成的微小直线段和圆弧数量庞大，给数控系统的数据传输造成了很大的负担。而且由于加工路径方向的变化，在这些小直线段和圆弧上进行速度规划需要频繁的加减速，会导致加工效率和加工质量都难以提高，很难达到高速加工所要求的加工速度。 [0003] 样条曲线的实时插补技术从一定程度上解决了这些问题，该技术要求CAM将离散生成的微小线段和圆弧重新拟合成样条曲线，输入到数控系统中，使得代码量大大减少，降低了数控系统的传输负担；同时样条曲线所表示的加工路径是光滑的，从一定程度上减弱了加工路径方向上的变化对速度的限制，能有效提高加工效率；而且光滑的加工路径也有助于提高加工表面的光洁度。

[0004] 现有的样条曲线实时插补技术还都是一种普适算法的研究，但是不同的加工对速度规划的要求也不同。首先，与粗加工不同，精加工追求的是光洁的加工表面和更高的加工质量。因此需要设计一种在满足加工精度、加速度连续过渡的同时，兼顾最大化利用各个运动轴的最大加减速能力的样条曲线实时插补方法。同时对高速加工而言，不同的速度加工区有不同的加工特性，对柔性化加工的要求也不同。在低速加工区由于加工速度不高，对加速度的变化敏感度较低，刀具的运行也相对平稳，在该区间只要保持加速度的连续过渡就可以得到光洁的加工表面和较高的加工质量。但是低速区的加工效率偏低，需要设置一个合理的加加速度以提高加工效率。当加工速度增大，进入过渡区时，则面临着刀具磨损与加工质量之间的博弈。首先加工时应该尽量减少刀具工作在过渡区的时间，需要设置一个较大的加速度值，使其尽快加速至高速加工区或减速至低速加工区，以减少刀具磨损。同时过渡区的特点是切削力大，切削速度较快，刀具运行不太平稳，过大的加速度所带来的切削力剧烈变化容易导致机床振动和刀具的抖动，影响加工质量。因此速度规划算法在过渡区需要平衡刀具磨损和加工质量之间的博弈，找到加速度的均衡解。高速加工区由于加工速度过快，对加工过程中的加速度变化极其敏感，稍大的受力变化都容易引起机床和刀具的振动，影响到加工表面的质量。因此在高速加工区需要更小的加速 度和加加速度值并尽量保持以稳定的速度加工。但是现有的研究是对整个加工过程采用同样的参数设置和速度规划策略，并没有对不同速度加工区实现分别控制。

发明内容

[0005] 针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种面向高速加工的表面质量优先的样条曲线实时插补方法，通过求速度限制曲线，划分速度加工区、反向链接和平滑过渡等步骤求出一条满足不同加工区的不同加工特性的加工速度曲线，实现不同加工区速度规划算法的自适应调整。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

[0007] 本发明面向高速加工的表面质量优先的样条曲线实时插补方法包括以下步骤： [0008] 在数控系统的解释器中对加工路径进行预处理，得到加工速度曲线； [0009] 将得到的加工速度曲线输入到数控系统的运动控制器，进行实时插补； [0010] 将实时插补得到的坐标信息发给伺服装置，驱动电机运行。

[0011] 所述预处理包括以下步骤：

[0012] 求速度限制曲线是对整条加工路径进行一次快速插补，得到一条在加速时满足各个速度加工区要求的合加速度和单轴加加速度约束的加工速度曲线以及速度和加速度的不连续点；

[0013] 根据高速加工信息以及上述加工速度曲线划分速度加工区，并修改上述速度加工曲线，记录下速度加工曲线上新产生的速度不连续点；

[0014] 根据上述速度不连续点进行速度曲线反向链接，去除加工速度曲线上的速度不连续点，并记录下速度加工曲线上新产生的加速度不连续点；

[0015] 根据上述加速度不连续点进行加工速度曲线平滑过渡，去除加工速度曲线上加速度不连续点。

[0016] 所述求速度限制曲线包括以下步骤：

[0017] 求速度限制曲线首先判断当前所在的速度加工区，然后根据加工误差以及所在加工区的合加速度和单轴加加速度限制求约束速度，将约束速度曲线送至划分加工区步骤； [0018] 判断当前周期的加速度值是否满足约束条件，若不满足约束条件，则将该插补点写入速度不连续点数组，并将速度不连续数组送至划分加工区；

[0019] 若满足约束条件，则接续判断是否满足加加速度约束，若不满足加加速度约束条件，则将该点写入加速度不连续点数组，并送至速度曲线反向链接步骤。 [0020] 若满足加加速度约束条件，则进入划分速度加工区。

[0021] 所述速度曲线平滑过渡包括以下步骤：

[0022] 根据速度加工曲线上加速度不连续点的加速度突变程度估算平滑所需的插补周期数N；

[0023] 从不连续点向加速度绝对值较大的一侧偏移一个周期为起点，再从该起点反向偏移N个插补周期为终点，起点到终点的区间作为估计平滑区间；

[0024] 判断该区间的实际速度差是否大于平滑过渡所能产生的速度增量，若大于平滑过渡所能产生的速度增量，则继续向加速度绝对值较大的一侧偏移一个周期，重新计算N和判断该区间的实际速度差是否大于平滑过渡所能产生的速度增量，直到满足为止，进入速度平滑处理阶段；

[0025] 平滑处理阶段为：在每个插补周期首先判断从当前位置到平滑区间终点的剩余插补周期数，并重新计算需要的平均加加速度，并根据得到的平均加加速度求出约束速度值。 [0026] 若上述判断为小于平滑过渡所能产生的速度增量，则进入平滑处理阶段。 [0027] 本发明具有以下有益效果及优点：

[0028] 1.本发明提出了表面质量优先的样条曲线插补算法，它通过对单轴加加速度的限制和速度曲线的平滑过渡，实现了单轴加速度的连续过渡，从而得到光滑的加工速度曲线。 [0029] 2.分析了高速加工过程中影响加工表面质量的两个受力变化，针对不同速度加工区的加工特性，为其分别设置了合加速度和单轴加加速度等参数，实现了不同加工区间速度规划算法的自动调节。

[0030] 3.本发明通过建模求出了过渡区的最优合加速度优化公式，并尽可能地减少了刀具工作在过渡区的时间。

[0031] 4.本发明是针对高速加工和精加工这种特殊的加工方式所设计的，与传统的普适速度规划算法相比，能更好得满足这种特殊加工的需求。

附图说明

[0032] 图1为本发明方法中应用到的Salomon曲线图；

[0033] 图2为本发明方法流程图；

[0034] 图3为本发明方法中切削温度影响示意图；

[0035] 图4为本发明方法中过渡区加速度图；

[0036] 图5为本发明方法中加速度不连续出现的四种可能情况。

具体实施方式

[0037] 下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

[0038] 如图1所示，根据Salomon曲线可以将整个加工过程根据速度值划分为低速加工区、过渡区、高速加工区和禁止区。低速加工区的加工特性与传统加工区基本相同，由于加工速度偏低，影响加工表面质量的主要是主轴电机输出力的变化。因此在该区间只要保证加速度的连续过渡即可，可以充分利用机床所能提供的最大合加速度。

[0039] 本发明面向高速加工的表面质量优先的样条曲线实时插补方法包括以下步骤： [0040] 在数控系统的解释器中对加工路径进行预处理，得到加工速度曲线； [0041] 将得到的加工速度曲线输入到数控系统的运动控制器，进行实时插补； [0042] 将实时插补得到的坐标信息发给伺服装置，驱动电机运行。

[0043] 如图2所示，本实施方案分为预处理的实时插补两部分，其中预处理是在解释器中实现的，它又可以分为求速度加工曲线，划分加工区、速度曲线反向链接和速度曲线平滑过渡几部分。最终预处理得到的是满足速度平滑过渡的加工速度曲线，这些加工速度曲线的数据以离散的方式发送到运动控制器。实时插补在运动控制器中实现，它根据预处理得到的加工速度曲线进行实时插补，最终将结果发给伺服装置，驱动电机运行。 [0044] 所述预处理包括以下步骤：

[0045] 求速度限制曲线是对整条加工路径进行一次快速插补，得到一条在加速时满足各个速度加工区要求的合加速度和单轴加加速度约束的加工速度曲线以及速度和加速度的不连续点；

[0046] 根据高速加工信息以及上述加工速度曲线划分速度加工区，并修改上述速度加工曲线，记录下速度加工曲线上新产生的速度不连续点；

[0047] 根据上述速度不连续点进行速度曲线反向链接，去除加工速度曲线上的速度不连续点，并记录下速度加工曲线上新产生的加速度不连续点；

[0048] 根据上述加速度不连续点进行加工速度曲线平滑过渡，去除加工速度曲线上加速度不连续点。

[0049] 所述求速度限制曲线包括以下步骤：

[0050] 求速度限制曲线首先判断当前所在的速度加工区，然后根据加工误差以及所在加工区的合加速度和单轴加加速度限制求约束速度，将约束速度曲线送至划分加工区步骤； [0051] 判断当前周期的加速度值是否满足约束条件，若不满足约束条件，则将该插补点写入速度不连续点数组，并将速度不连续数组送至划分加工区；

[0052] 若满足约束条件，则接续判断是否满足加加速度约束，若不满足加加速度约束条件，则将该点写入加速度不连续点数组，并送至速度曲线反向链接步骤。 [0053] 若满足加加速度约束条件，则进入划分速度加工区。

[0054] 在插补开始之前，是无法判断速度加工区的，因此需要先对整条加工路径进行一次快速插补，即上面提到的求速度加工曲线。当速度处于不同的加工区时，求速度曲线时的约束条件是不一样的。所以在每个插补周期首先判断上一个周期的速度所在的加工区，若处于低速区，则根据低速区的单轴最大加速度和加加速度值求出其最大约束速度，然后将该速度与加工误差约束的速度相比较，若小于加工误差约束的速度，则按该速度向前插补；否则按照误差约束的速度向前插补。若上一周期速度处于过渡区，则在单轴最大加速度和加加速度约束的基础上加上合加速度约束，然后再与加工误差约束的速度相比较，其余步骤与低速区相同。若上一周期速度处于高速加工区，则需要用满足高速区要求的合加速度和单轴加加速度值 取代过渡区中的参数设置，其余步骤与之相同。在规划完速度后，判断当前周期的加速度值是否满足约束，若否，将该插补点写入速度不连续点数组；若是，则接续判断是否满足加加速度约束。

[0055] 过渡区的最优合加速度值是根据影响加工质量的两个因素(切削力的变化率和切削温度)建模优化得到的。切削力的变化会影响机床的稳定运行，而切削温度过高会造成加工表面灼伤。在切削过程中切削力与合速度值是成正比的，因此可以将切削力的变化率抽象为合加速度值的大小，而切削力的变化率对加工的负面影响也就可以建模为以合加速度值和切削时间为变量的表达式，同样切削温度对加工的负面影响也可以建模为以切削温度和切削时间为变量的表达式。

[0056] 如下图3中的(a)所示，在过渡区切削温度首先随着切削速度的增大而增大，之后又随着切削速度的增大而减小，两者的关系不满足单调性。从另一个角度来考虑，速度过渡区的起始速度和终点速度是固定的，如图3中的(b)所示，加速度值不同只是相当于对速度曲线做拉伸和压缩操作，改变速度过渡的时间。因此不同的合加速度值只是改变了温度对加工质量产生负面影响的时间，为了简化分析，本发明将整个过渡区温度的影响抽象成关于时间的函数。

[0057] 假设 表示各种加工因素对加工质量总的负面影响度，那么 可以表示为： [0058] 公式1

[0059] 其中a为切削力变化率的影响度，b为切削温度的影响度，0≤α≤1，amax为最大合加速度值，T为过渡区总的加工时间。

[0060] 过渡区是一个单加速或单减速的过程，为了简化分析，将减速过程也看成是反向的加速过程，这样整个过渡区的合加速度可以近似表示为如图4所示的三个阶段，上式也可以改写为：

[0061] 公式2

[0062] 其中astart为过渡区起始点的加速度值，Jmax为最大合加加速度值，Vstart和Vend分别为过渡区起始和终点速度，C1，C2，C3和C4是常数，那么合加速度的最优解也就是使 最小的amax取值。

[0063] 所述速度曲线平滑过渡包括以下步骤：

[0064] 根据速度加工曲线上加速度不连续点的加速度突变程度估算平滑所需的插补周期数N；

[0065] 从不连续点向加速度绝对值较大的一侧偏移一个周期为起点，再从该起点反向偏移N个插补周期为终点，起点到终点的区间作为估计平滑区间；

[0066] 判断该区间的实际速度差是否大于平滑过渡所能产生的速度增量，若大于平滑过渡所能产生的速度增量，则继续向加速度绝对值较大的一侧偏移一个周期，重新计算N和判断该区间的实际速度差是否大于平滑过渡所能产生的速度增量，直到满足为止，进入速度平滑处理阶段；

[0067] 平滑处理阶段为：在每个插补周期首先判断从当前位置到平滑区间终点的剩余插补周期数，并重新计算需要的平均加加速度，并根据得到的平均加加速度求出约束速度值；

[0068] 若上述判断为小于平滑过渡所能产生的速度增量，则进入平滑处理阶段。 [0069] 所述的速度曲线的平滑过渡分为寻找平滑区间和实现加速度连续过渡的速度衔接两部分。它是在u-v平面上进行的，将确定平滑段起点和终点的过程叫做寻找平滑区间，具体实现步骤如下：

[0070] 1、首先根据不连续点加速度的突变程度估算平滑所需的插补周期数N。设插补周期为Ts，Δai＝ai-ai-1其中ai为第i个插补周期的合加速度，合加加速度Jmax＝max(Jxmax，Jymax，Jzmax)，则N＝Δai/Jmax。样条曲线加工路径的方向是不断变化的，而机床能提供的实际最大合加速度是随着加工方向的变化而变化，因此是难以提前预估的。在曲线平滑算法中并没有考虑保证每个插补周期至少一个运动轴的性能达到最大，而是取了理论上最大合加速度的最小值以保证平滑的过渡。相对来说，平滑段在整个速度曲线中是很短的，这种近似做法对加工效率的影响甚微。

[0071] 2、然后从不连续点向加速度绝对值较大的一侧偏移一个周期为起点，再从该点反向偏移N个插补周期为终点，作为估计平滑区间。图4所示的四种情况可能产生这里需要处理的加速度不连续点：1)从加速段进匀速段；2)从快加速段进慢加速段；3)从加速段进减速段；4)从匀速段进减速段。根据偏移方式的不同将这些不连续点分两类，其中前两种是先向左偏移一个周期，再向右偏移N个周期，最后一种与之相反，第3种根据情况两种偏移方式都有可能。对于第一类偏移方式，假设估计平滑区间起点为um，终点为um+N，从起点开始加速度连续过渡该段平滑区间所能产生的最大速度差 ΔVs为：

[0072] ΔVs＝amNT-N(N+1)JmaxT2/2 公式3

[0073] 该平滑区间的实际速度差ΔVt＝Vm+N-Vm，若ΔVs≤ΔV，则该区间已经足够长，就是需要的平滑区间。否则，继续向后偏移至um-1，重新计算N，寻找平滑区间，直到满足不等式ΔVs≤ΔV为止。对于第二类偏移方式，假设估计平滑区间起点为um，终点为um-N，则： [0074] ΔVs＝amNT+N(N+1)JmaxT2/2 公式4

[0075] 当该区间的实际速度差ΔVt＝Vm-N-Vm，若ΔVs≤ΔV，该区间就是所求的平滑区间，否则继续偏移至um+1，重新计算N，寻找平滑区间，直到满足条件为止。 [0076] 平滑区间确定以后，下一步是对该区间的速度平滑处理，使其加速度连续。对于上面提到的第一类偏移方式产生的平滑区间，采用正向平滑处理技术，即从平滑区间起点um开始，在区间(um，um+N)内实现速度从Vm到Vm+N的平滑过渡。设每个插补周期平均加加速度为Ja，那么Ja需满足下面的关系式：

[0077] Vm+N-Vm＝amNT-N(N+1)JaT2/2 公式5

[0078] 公式6

[0079] 因此，am+1＝am-Ja，将区间(um，um+N)内的速度曲线转换到V-T平面的话，在将速度曲线变平滑的同时也对曲线进行了拉伸，所以平滑后的曲线可能从N个插补周期变成了N+1个或更多。当平滑后的实际插补周期多于N时，用上面求出的Ja来规划整个平滑区间的速度就会出现问题。因此在平滑该区间内的速度曲线时，在每个插补周期都要判断从当前位置到平滑区间终点的剩余插补周期数，并重新计算需要的平均加加速度。对于第二类偏移方式产生的平滑区间，采用逆向平滑处理技术，其方法与正向平滑基本相同。 [0080] 所述求速度限制曲线得到的加工速度曲线处于低速区和高速区的部分不需要进行修改，而过渡区部分若不是一直沿着单轴的最大加加速度或最大合加速度向前单加速或单减速则需要进行修正。

[0081] 因此划分加工区时修改加工速度曲线首先判断当前段是否为过渡区，若是，则接续判断该段是否沿着最大合加速度或单轴最大加加速度约束单加速或单减速。若上述判断为否，则修改该段的速度值为低速加工区的最高速度。修改完该段速度值后，若该过渡区为从低速区向高速区的过渡段，则将相邻的高速区的第一个插补点作为第一类速度不连续点记录下来；若该过渡区为从高速区向低速区的过渡段，则将相邻高速区的最后一下插补 点作为第二类速度不连续点记录下。

[0082] 所述的速度曲线反向链接是用来处理现有速度曲线上的速度不连续点，对于求加工速度曲线时产生的不连续点采用从不连续点开始，反向加速插补，直到反向插补曲线与原曲线相交为止的方法来处理；而修改过渡区速度曲线产生的第一类不连续点采用从不连续点开始反向减速插补，直到反向插补速度曲线与原曲线相交为止；产生的第二类不连续点则需要从不连续点开始正向减速，直到新生成的速度曲线与原曲线相交为止。此时得到的速度曲线其速度是连续的，但还存在加速度不连续的点。

[0083] 所述的实时插补只是一个根据速度曲线插值计算的过程，在每个插补周期，若当前节点矢量u刚好等于保存数据点的u，则该点的速度值应等于与之节点矢量相等的保存数据点速度值；若该点节点矢量落在两个相邻的保存数据点的u之间，则该点的速度值可根据这两个相邻数据点对应的速度值插值求出。