一种nurbs曲线高速前瞻插补方法
一种nurbs曲线高速前瞻插补方法
【专利摘要】本发明涉及数控系统的速度规划技术，具体的说是NURBS曲线高速前瞻插补方法。以曲线自适应插补技术为基础，采用S型速度规划，给出插补过程中自适应减速区域的加加速度、加速度、速度以及插补距离的运动学公式；给出插补过程中前瞻窗口存储的数据的数据结构，建立前瞻窗口，给出前瞻窗口的最小值；确定前瞻过程中回溯距离的长度，建立回溯过程中加速度、加加速度的表达式；对曲线进行插补，在每次插补后动态调整前瞻窗口中的数据，直至插补结束。应用本发明方法能够有效的控制加速度、加加速度的波动，保证加工质量，能够准确确定回溯距离长度的长度，减少插补时间，提高插补效率。
【专利说明】一种NURBS曲线高速前瞻插补方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及数控系统的速度规划技术，具体的说是NURBS曲线高速前瞻插补方 法。
【背景技术】
[0002] NURBS曲线插补技术是基于PC的开放式数控平台的关键技术。在NURBS曲线插补 过程中，为了保证加工质量，需要通过自适应插补将弓高误差限制在规定范围之内，但自适 应插补过程中的加减速需求可能会超过机床的最大能力，产生的加加速度不仅影响了机床 的加工质量，还会对刀具产生振动，影响刀具寿命。因此，对加工过程中的加加速度进行有 效控制，对提高加工质量至关重要。
[0003] 现有的插补算法多是通过前瞻插补来实现对加加速度的控制，但是在现有的前瞻 算法中，当自适应减速区的加速度或加加速度超限后，需要进行再次插补，且再插补过程的 平均速度降低了，因此再插补过程对参数曲线的弧长逼近更加准确，导致算法中确定的回 溯距离长于实际需要的回溯距离，因此，再插补过程在最后部分可能会出现低速运行区，导 致插补时间增长，插补效率降低。
【发明内容】
[0004] 针对现有常用方法各自的不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种既能够 对加速度、加加速度进行有效控制，又能准确确定回溯距离长度，以减少插补时间、提高插 补效率的方法。
[0005] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种NURBS曲线高速前瞻插补方 法，包括以下步骤：
[0006] 以曲线自适应插补技术为基础，采用S型速度规划，给出插补过程中自适应减速 区域的加加速度、加速度、速度以及插补距离的运动学公式；
[0007] 给出插补过程中前瞻窗口存储的数据的数据结构，建立前瞻窗口，给出前瞻窗口 的最小值；
[0008] 确定前瞻过程中回溯距离的长度，建立回溯过程中加速度、加加速度的表达式；
[0009] 对曲线进行插补，在每次插补后动态调整前瞻窗口中的数据，直至插补结束。
[0010] 所述插补过程中自适应减速区域的加加速度的运动学公式为：
【权利要求】
1. 一种NURBS曲线高速前瞻插补方法，其特征在于，包括以下步骤： 以曲线自适应插补技术为基础，采用S型速度规划，给出插补过程中自适应减速区域 的加加速度、加速度、速度以及插补距离的运动学公式； 给出插补过程中前瞻窗口存储的数据的数据结构，建立前瞻窗口，给出前瞻窗口的最 小值； 确定前瞻过程中回溯距离的长度，建立回溯过程中加速度、加加速度的表达式； 对曲线进行插补，在每次插补后动态调整前瞻窗口中的数据，直至插补结束。
2. 根据权利要求1所述的一种NURBS曲线高速前瞻插补方法，其特征在于，所述插补过 程中自适应减速区域的加加速度的运动学公式为： -人ax' '0幺t〈匕 jerk=^ 0, ^ < t <t2 当时， , f0 - t jerk=-< 其中，J_为机床允许的最大加加速度的最大值，、为减速开始时间，&为加速度达到 最大值的时间，t2为加速度最大值持续的结束时间，t3为减速结束时间。
3. 根据权利要求1所述的一种NURBS曲线高速前瞻插补方法，其特征在于，所述插补过 程中自适应减速区域的加速度的运动学公式为： acceleration= -Λκκ, Ι? < t <r, 当 1^=1：2 时， 1 .卜U(' _'〇 W t <ll acceleration^ , i-』max + U d W t <t；2 其中，J_为机床允许的最大加加速度的最大值，Amax为机床允许的加速度的最大值， A' _为加速阶段达到的最大加速度值,、为减速开始时间，&为加速度达到最大值的时间， t2为加速度最大值持续的结束时间，t3为减速结束时间。
4. 根据权利要求1所述的一种NURBS曲线高速前瞻插补方法，其特征在于，所述插补过 程中自适应减速区域的速度的运动学公式为： /〇-孑人《*(卜'0)_，'0 feedrate=< /j - Aims ^ ( / - /0), /, < t <t: /2_4nax *('_'0)+^^腿*('_/0)2, '2 St<t；3 当 1^=1：2 时， /〇-孓乂腿 *('-'〇)、'〇 S t <tl feedrate= < fl~A^ *(f-f〇) + -Jnmx *(/_/〇)2> h ^ t <12 其中，J_为机床允许的最大加加速度的最大值，Amax为机床允许的最大加速度的最大 值，A'_为加速阶段达到的最大加速度值，f〇、fi、f2分别为t2点的速度，h为减速开 始时间，ti为加速度达到最大值的时间，t 2为加速度最大值持续的结束时间，t3为减速结束 时间。
5. 根据权利要求1所述的一种NURBS曲线高速前瞻插补方法，其特征在于，所述插补过 程中自适应减速区域的插补距离的运动学公式为： S0+f〇*({~ Q ~ - * (^ _?〇)3? 4 - t <1：ι distance=十./; *(卜g- j4!!aw一 t <t2 52 +/2 *(?_i〇)_~4nax *((~{〇)2 ~(〇? f t2~t<i3 2 6 当时， distance^ *^2 +Λ +7^max *(/_^〇)3 ? A ^ t <t, 12 6 其中，J_为机床允许的最大加加速度的最大值，Amax为机床允许的最大加速度的最大 值，A' _为加速阶段达到的最大加速度值，f〇、fi、f2分别为t2点的速度，S(l、 Sl、s2为 tp t2点对应的插补距离，h为减速开始时间，ti为加速度达到最大值的时间，t2为加速 度最大值持续的结束时间，t 3为减速结束时间。
6. 根据权利要求1所述的一种NURBS曲线高速前瞻插补方法，其特征在于，所述前瞻窗 口中存储的数据点的总距离值满足公式 2 v / j } ' c / max ^Tmx iims 5n*=j ry- Fc -- , otherwise V *^niax 的要求，并且最小； 其中，J_为机床允许的最大加加速度的最大值，Amax为机床允许的最大加速度的最大 值，F。为指令速度，Snin为回溯距离的最小值。
7. 根据权利要求1所述的一种NURBS曲线高速前瞻插补方法，其特征在于，所述回溯过 程中加速度的表达式为： t〇 <t<t, acceleration= -X,,.,x> /, < t <t2 4mX + J腿 *('-'0)，G 乞 t〈h F2 -V 2 当以时，?=c f ; 其中，J_为机床允许的最大加加速度的最大值，Amax为机床允许的最大加速度的最大 值，、为减速开始时间，&为加速度达到最大值的时间，&为加速度最大值持续的结束时 间，t3为减速结束时间，F。为指令速度，V min为插补过程中的最小速度，S为回溯距离。
8. 根据权利要求1所述的一种NURBS曲线高速前瞻插补方法，其特征在于，所述回溯过 程中加加速度的表达式为： - UK+D VL+^*S-F：- 当 1^=1:2 时，九=(6 -)*(―?--Jas-)-; 其中，为机床允许的最大加速度的最大值，&为加速度达到最大值的时间，t2为加 速度最大值持续的结束时间，F。为指令速度，Vmin为插补过程中的最小速度，S为回溯距离。
9. 根据权利要求1所述的一种NURBS曲线高速前瞻插补方法，其特征在于，每完成一次 插补，按照格式{u，V，a, J，Sstep，Swh()1J将插补点的数据存储到前瞻窗口中，在每次插补结束 后调整前瞻窗口的大小，使前瞻窗口中存储的数据点的总距离值满足公式 f>' Δ 厂 A ((祖 I__￡_\ J7 max ^ Q 2 vj A } ^ c J _ max '^inax msx Λ . = < >_ inm τ~, t F -- , otherwise [ 的要求，并且最小，然后继续进行前瞻，直到到达结束点； 其中，其中U表示当前插补点的参数值，V表示插补速读，a表示加速度，J表示加加速 度，Sstep存储当前插补周期内通过的小直线段的长度，S_=V*T，Swh&表示从第一个插补点 开始到当前点所经过的所有插补周期内小直线段长度之和，J max为机床允许的最大加加速 度的最大值，Amax为机床允许的最大加速度的最大值，F。为指令速度，S min为回溯距离的最小 值。
【文档编号】G05B19/41GK104238458SQ201310233967
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年6月8日 优先权日:2013年6月8日
【发明者】林浒, 孙树杰, 郑飂默, 王品, 杜少华, 陈智殷 申请人:沈阳高精数控技术有限公司
【专利摘要】本发明涉及数控系统的速度规划技术，具体的说是NURBS曲线高速前瞻插补方法。以曲线自适应插补技术为基础，采用S型速度规划，给出插补过程中自适应减速区域的加加速度、加速度、速度以及插补距离的运动学公式；给出插补过程中前瞻窗口存储的数据的数据结构，建立前瞻窗口，给出前瞻窗口的最小值；确定前瞻过程中回溯距离的长度，建立回溯过程中加速度、加加速度的表达式；对曲线进行插补，在每次插补后动态调整前瞻窗口中的数据，直至插补结束。应用本发明方法能够有效的控制加速度、加加速度的波动，保证加工质量，能够准确确定回溯距离长度的长度，减少插补时间，提高插补效率。
【专利说明】一种NURBS曲线高速前瞻插补方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及数控系统的速度规划技术，具体的说是NURBS曲线高速前瞻插补方 法。
【背景技术】
[0002] NURBS曲线插补技术是基于PC的开放式数控平台的关键技术。在NURBS曲线插补 过程中，为了保证加工质量，需要通过自适应插补将弓高误差限制在规定范围之内，但自适 应插补过程中的加减速需求可能会超过机床的最大能力，产生的加加速度不仅影响了机床 的加工质量，还会对刀具产生振动，影响刀具寿命。因此，对加工过程中的加加速度进行有 效控制，对提高加工质量至关重要。
[0003] 现有的插补算法多是通过前瞻插补来实现对加加速度的控制，但是在现有的前瞻 算法中，当自适应减速区的加速度或加加速度超限后，需要进行再次插补，且再插补过程的 平均速度降低了，因此再插补过程对参数曲线的弧长逼近更加准确，导致算法中确定的回 溯距离长于实际需要的回溯距离，因此，再插补过程在最后部分可能会出现低速运行区，导 致插补时间增长，插补效率降低。
【发明内容】
[0004] 针对现有常用方法各自的不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种既能够 对加速度、加加速度进行有效控制，又能准确确定回溯距离长度，以减少插补时间、提高插 补效率的方法。
[0005] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种NURBS曲线高速前瞻插补方 法，包括以下步骤：
[0006] 以曲线自适应插补技术为基础，采用S型速度规划，给出插补过程中自适应减速 区域的加加速度、加速度、速度以及插补距离的运动学公式；
[0007] 给出插补过程中前瞻窗口存储的数据的数据结构，建立前瞻窗口，给出前瞻窗口 的最小值；
[0008] 确定前瞻过程中回溯距离的长度，建立回溯过程中加速度、加加速度的表达式；
[0009] 对曲线进行插补，在每次插补后动态调整前瞻窗口中的数据，直至插补结束。
[0010] 所述插补过程中自适应减速区域的加加速度的运动学公式为：
【权利要求】
1. 一种NURBS曲线高速前瞻插补方法，其特征在于，包括以下步骤： 以曲线自适应插补技术为基础，采用S型速度规划，给出插补过程中自适应减速区域 的加加速度、加速度、速度以及插补距离的运动学公式； 给出插补过程中前瞻窗口存储的数据的数据结构，建立前瞻窗口，给出前瞻窗口的最 小值； 确定前瞻过程中回溯距离的长度，建立回溯过程中加速度、加加速度的表达式； 对曲线进行插补，在每次插补后动态调整前瞻窗口中的数据，直至插补结束。
2. 根据权利要求1所述的一种NURBS曲线高速前瞻插补方法，其特征在于，所述插补过 程中自适应减速区域的加加速度的运动学公式为： -人ax' '0幺t〈匕 jerk=^ 0, ^ < t <t2 当时， , f0 - t jerk=-< 其中，J_为机床允许的最大加加速度的最大值，、为减速开始时间，&为加速度达到 最大值的时间，t2为加速度最大值持续的结束时间，t3为减速结束时间。
3. 根据权利要求1所述的一种NURBS曲线高速前瞻插补方法，其特征在于，所述插补过 程中自适应减速区域的加速度的运动学公式为： acceleration= -Λκκ, Ι? < t <r, 当 1^=1：2 时， 1 .卜U(' _'〇 W t <ll acceleration^ , i-』max + U d W t <t；2 其中，J_为机床允许的最大加加速度的最大值，Amax为机床允许的加速度的最大值， A' _为加速阶段达到的最大加速度值,、为减速开始时间，&为加速度达到最大值的时间， t2为加速度最大值持续的结束时间，t3为减速结束时间。
4. 根据权利要求1所述的一种NURBS曲线高速前瞻插补方法，其特征在于，所述插补过 程中自适应减速区域的速度的运动学公式为： /〇-孑人《*(卜'0)_，'0 feedrate=< /j - Aims ^ ( / - /0), /, < t <t: /2_4nax *('_'0)+^^腿*('_/0)2, '2 St<t；3 当 1^=1：2 时， /〇-孓乂腿 *('-'〇)、'〇 S t <tl feedrate= < fl~A^ *(f-f〇) + -Jnmx *(/_/〇)2> h ^ t <12 其中，J_为机床允许的最大加加速度的最大值，Amax为机床允许的最大加速度的最大 值，A'_为加速阶段达到的最大加速度值，f〇、fi、f2分别为t2点的速度，h为减速开 始时间，ti为加速度达到最大值的时间，t 2为加速度最大值持续的结束时间，t3为减速结束 时间。
5. 根据权利要求1所述的一种NURBS曲线高速前瞻插补方法，其特征在于，所述插补过 程中自适应减速区域的插补距离的运动学公式为： S0+f〇*({~ Q ~ - * (^ _?〇)3? 4 - t <1：ι distance=十./; *(卜g- j4!!aw一 t <t2 52 +/2 *(?_i〇)_~4nax *((~{〇)2 ~(〇? f t2~t<i3 2 6 当时， distance^ *^2 +Λ +7^max *(/_^〇)3 ? A ^ t <t, 12 6 其中，J_为机床允许的最大加加速度的最大值，Amax为机床允许的最大加速度的最大 值，A' _为加速阶段达到的最大加速度值，f〇、fi、f2分别为t2点的速度，S(l、 Sl、s2为 tp t2点对应的插补距离，h为减速开始时间，ti为加速度达到最大值的时间，t2为加速 度最大值持续的结束时间，t 3为减速结束时间。
6. 根据权利要求1所述的一种NURBS曲线高速前瞻插补方法，其特征在于，所述前瞻窗 口中存储的数据点的总距离值满足公式 2 v / j } ' c / max ^Tmx iims 5n*=j ry- Fc -- , otherwise V *^niax 的要求，并且最小； 其中，J_为机床允许的最大加加速度的最大值，Amax为机床允许的最大加速度的最大 值，F。为指令速度，Snin为回溯距离的最小值。
7. 根据权利要求1所述的一种NURBS曲线高速前瞻插补方法，其特征在于，所述回溯过 程中加速度的表达式为： t〇 <t<t, acceleration= -X,,.,x> /, < t <t2 4mX + J腿 *('-'0)，G 乞 t〈h F2 -V 2 当以时，?=c f ; 其中，J_为机床允许的最大加加速度的最大值，Amax为机床允许的最大加速度的最大 值，、为减速开始时间，&为加速度达到最大值的时间，&为加速度最大值持续的结束时 间，t3为减速结束时间，F。为指令速度，V min为插补过程中的最小速度，S为回溯距离。
8. 根据权利要求1所述的一种NURBS曲线高速前瞻插补方法，其特征在于，所述回溯过 程中加加速度的表达式为： - UK+D VL+^*S-F：- 当 1^=1:2 时，九=(6 -)*(―?--Jas-)-; 其中，为机床允许的最大加速度的最大值，&为加速度达到最大值的时间，t2为加 速度最大值持续的结束时间，F。为指令速度，Vmin为插补过程中的最小速度，S为回溯距离。
9. 根据权利要求1所述的一种NURBS曲线高速前瞻插补方法，其特征在于，每完成一次 插补，按照格式{u，V，a, J，Sstep，Swh()1J将插补点的数据存储到前瞻窗口中，在每次插补结束 后调整前瞻窗口的大小，使前瞻窗口中存储的数据点的总距离值满足公式 f>' Δ 厂 A ((祖 I__￡_\ J7 max ^ Q 2 vj A } ^ c J _ max '^inax msx Λ . = < >_ inm τ~, t F -- , otherwise [ 的要求，并且最小，然后继续进行前瞻，直到到达结束点； 其中，其中U表示当前插补点的参数值，V表示插补速读，a表示加速度，J表示加加速 度，Sstep存储当前插补周期内通过的小直线段的长度，S_=V*T，Swh&表示从第一个插补点 开始到当前点所经过的所有插补周期内小直线段长度之和，J max为机床允许的最大加加速 度的最大值，Amax为机床允许的最大加速度的最大值，F。为指令速度，S min为回溯距离的最小 值。
【文档编号】G05B19/41GK104238458SQ201310233967
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年6月8日 优先权日:2013年6月8日
【发明者】林浒, 孙树杰, 郑飂默, 王品, 杜少华, 陈智殷 申请人:沈阳高精数控技术有限公司
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