[发明专利]样条曲线实时插补方法

说明书

技术领域

本发明涉及数控系统的速度处理技术，具体地说是一种样条曲线实时插补方法。

背景技术

在商用CAD/CAM(computer-aided design/computer-aidedmanufacturing，电脑辅助设计与电脑辅助制造)软件中，自由型曲线曲面是由样条来表示的。但是CNC(Computer numerical control，计算机数字控制)系统的发展要滞后于CAD/CAM系统，传统的CNC系统只具备圆弧和直线插补功能，限制了数控加工精度和效率的进一步提高。为了克服传统的直线、圆弧插补带来的弊端，需要在数控装置中直接对CAD/CAM装置输出的样条曲线进行插补计算。

与小线段相比，样条曲线的形状更为复杂，它的曲率是不断变化的，且存在曲率不连续点，这就给速度规划带来了很多问题。首先，减速点难以精确计算。在对小线段进行速度规划时，我们一般先求出当前规划段路径的总长度，然后根据剩余路径长度进行速度规划，求出减速点。对样条曲线进行实时插补时，是用实际步长去逼近原有的样条曲线，不同的逼近方法计算出来的路径长度也不同，而具体的逼近方法又与速度规划相关，因此难以精确求出减速点位置。同时在速度规划过程中，在每一个插补点首先根据加工精度求出当前曲率下允许的最大速度值，然后根据机床的加减速能力进行调整。但是样条曲线中存在曲率的突变点(曲率不连续的点)，这也就造成了所求的速度会发生突变。采用预处理的方法可以提前求出速度和加速度的突变点，并规划出速度曲线。但在加工过程中进行修调操作时，会导致规划出的速度曲线失效，需要重新计算，不能实时响应用户的需求。采用实时前瞻的方法可以实时响应修调等操作，但由于样条曲线计算量大，速度规划复杂，所有计算完全靠实时前瞻完成，难以满足实时性要求。

近年来，国内外已有大量相关的理论研究并取得了较大的进展。样条曲线的实时插补技术经历了恒定进给速度、自动调节进给速度和预处理这几个阶段。所考虑的问题也从最初的加工效率、精度扩展到机床的实际加减速能力。但是这些算法存在计算量大，难以满足实时性要求，减速点计算不够准确以及不能实时处理加工过程中出现的修调等问题，因此不能直接移植到现有数控系统中。

发明内容

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能够实现速度平滑过渡的样条曲线实时插补算法，以保证各运动轴的平稳运行，从而满足柔性化加工的要求。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明一种样条曲线实时插补方法包括以下步骤：

样条曲线段预处理：对加工程序进行样条曲线段预处理，得到曲线长度和突变点信息；

实时前瞻：根据上述曲线长度和突变点信息进行速度规划，得到加工速度；

插补计算：根据得到的加工速度计算下一点坐标，输出至伺服控制装置。

所述对加工程序进行样条曲线段预处理包括以下步骤：

输入加工程序，设置当前曲线段的初始速度；

根据误差约束、加速度约束以及加加速度约束规划当前速度；

判断规划的当前速度是否是突变点？

如果是突变点，则将该突变点加入突变点数组；

求出下一插补点坐标；

判断当前曲线段是否结束；

如结束，将处理结果输出至实时插补模块，并读入加工程序的下一段；

返回设置当前程序段的初始速度步骤。

所述实时前瞻包括以下步骤：

设置加工的初始速度；

根据误差约束、加速度约束、加加速度约束及编程进给速度约束条件计算加工的约束速度；

根据约束速度求下一点位置；

根据编程进给速度更新突变点数组；

判断下一点位置与所有突变点之间的剩余路径长度是否均大于所需的减速距离；

如上述判断结果为否，则从当前点开始减速，并重新计算当前速度；

将当前速度输出至插补计算步骤，并转至根据误差约束、加速度约束、加加速度约束及编程进给速度约束条件计算加工的约束速度步骤。

判断下一点位置与所有突变点之间的剩余路径长度是否均大于所需的减速距离包括以下步骤：

从突变点数组中依次取出突变点；

根据预处理得到的曲线长度信息计算从下一点位置到该突变点的距离；

根据下一点的加速度和速度、突变点的加速度和速度依次判断下一点位置与突变点之间的剩余路径长度是否大于所需的减速距离。