[发明专利]一种计算机辅助离散运动规划方法与系统

说明书

技术领域

本发明属先进控制与先进制造领域，具体涉及开放式数控系统的一种计算机辅助离散运动规划方法与系统。

技术背景

计算机数字控制系统(简称数控系统)以控制机械系统之间的确定性运动关系和控制开关装置的逻辑关系为目标。开关装置的逻辑控制采用PLC控制，即可编程序逻辑控制，属于常规技术手段。控制坐标轴之间的确定性运动关系则是数控系统的主要目标。

在先进制造领域，进给速度F是用户指定的工艺参数，指的是刀具上的基准点沿着刀具轨迹相对于工件移动时的速度。用户程序所要求的工件轮廓取决于刀具中心的轨迹即刀路(Tool Path)曲线。刀路曲线则通过相关坐标轴的直线位移或转角的复合得以实现，因而进给速度也就是相关坐标轴的合成速度。为叙述的简便，在本申请中，刀路曲线一般简称为曲线。

刀路曲线通过相关坐标轴的位移或角位移的合成来实现。这就意味着相关坐标轴的运动在时序上必须是关联的，也就是相关坐标轴必须联动。工件轮廓曲线的确定性表明，坐标轴之间的运动关系是确定性的。坐标轴之间的确定性运动关系中的数字控制信息可分为两部分：坐标轴进给的离散位置信息与这些离散位置信息之间的关联信息。

因此，在先进控制领域，采用什么技术来生产用户程序所要求的坐标轴进给的离散位置信息与这些离散位置信息之间的关联信息，成为数控系统的核心技术。

数控加工的目标是实现高精度的加工。工件轮廓一般由若干条曲线构成，存在许多拐点与尖角，坐标轴因而必须不断地换向。换向时电机的启动/停止导致进给速度不平滑和加速度突变而产生机械系统的振动，这就必然影响加工精度。此外，对于工件轮廓上的拐点，特别是一些尖角，高速进给还将产生较大的轮廓误差甚至导致零件的过切。在这些情况下，都必须进行加减速控制。

考虑连续的刀路曲线，例如圆弧。该曲线被离散为一些微线段ΔL₁，...，ΔL_n。在微线段ΔL₁，...，ΔL_n之间，坐标轴的进给速度必然产生跳变，这是离散运动的内在属性。坐标轴进给速度的跳变值反映了坐标轴的运动平稳性。

对于每条微线段实施加减速控制，可以减小微线段之间的进给速度的跳变值，显然，这将导致坐标轴频繁地加速与减速从而降低加工质量与加工速度。因此，使微线段ΔL₁，...，ΔL_n之间的进给速度的跳变值保持在适当的范围内可以大幅度提高加工质量与加工速度，成为高速高精度加工的重要技术手段。

所谓运动规划，指的是，对于连续的刀路曲线，减小坐标轴的进给速度在微线段ΔL₁，...，ΔL_n之间的跳变值，从而提高坐标轴的运动平稳性，实现高速高精度加工。

在现有开放式数控系统中，速度前瞻控制(Look ahead)与运动规划类似。所谓速度前瞻控制就是在插补运算的同时，提前预插补一段距离，对多达1000～5000条微线段ΔL_i进行实时处理，以减小坐标轴的进给速度在微线段ΔL₁，...，ΔL_n之间的跳变值。

速度前瞻控制是现有开放式数控系统中的关键技术之一。

现有数控系统采用插补迭代控制方法对机械系统进行数字控制。插补精度与插补速度成为现有数控系统的核心技术指标。插补迭代控制方法的基本技术方案是，对于给定的刀路曲线与刀具的进给速度，在实时操作系统的控制下，以插补周期作为分时周期，采用插补迭代算法实时计算相关坐标轴在给定时刻的全部数字控制信息。所述数字控制信息包括坐标轴进给的离散位置信息与这些离散位置信息之间的关联信息。

众所周知，在求解曲线的坐标值增量时，插补是数值计算方法中的一种迭代算法。所谓插补算法，在本质上，就是从X_n中获得X_n+1的运算规则。由于函数的连续性，X_n中必然蕴涵X_n+1的部分信息，充分利用这些信息导致高阶复杂运算简化为低阶简单运算，从而大大提高插补算法的速度。为避免复杂的高阶运算，一些最优插补迭代算法无法使用。另一方面，对于一些复杂曲线，从X_n中获得X_n+1的运算规则是相当困难的。因此，高速高精度的插补迭代控制算法成为现有数控技术中的核心技术。

发明人发现，插补迭代控制方法存在下述四个本质特征。

1、为了提高进给速度，现有开放式数字控制系统必须采用时间分割法(又称数字增量法)进行插补迭代控制。