一种S形速度曲线快速插补计算的方法与流程

一种s形速度曲线快速插补计算的方法
技术领域
1.本发明涉及数控机床控制技术领域，具体涉及一种s形速度曲线快速插补计算的方法。


背景技术：

2.数控机床的进给速度与加工精度、生产率以及工件表面粗糙度有着密切关系。刀路中存在大量的微小线段或圆弧，在转角处需要适当减速。通过对刀路进行前瞻速度规划，以便提前获得加减速信息，提高加工效率。速度规划中，比较高级的算法是s形加减速控制，相比梯形加减速和指数型加减速控制，s形加减速控制有速度曲线光滑、均匀、运动平稳、无冲击且可以有效地抑制振动，并提高效率。
3.速度曲线规划好后，需要计算输出指定插补周期内各轴要移动的距离，此即“插补”，它能让机床按规划好的速度曲线，在指定的时刻抵达指定的位置。
4.一般为了计算当前周期的运动量，需要计算出该周期的终点位置，而后减去之前一周期存储的终点位置。而位置计算是一个高次多项式，需要多次乘加计算。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服上述技术问题，提供一种计算方法简单、高效，实时性高，指向性高的s形速度曲线快速插补计算的方法。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下。
7.第一方面，本发明提供一种s形速度曲线快速插补计算的方法。
8.一种s形速度曲线快速插补计算的方法，所述的方法包括以下步骤：
9.s101读取即时运动参数；
10.s102即时运动参数按顺序初始化修正；
11.s103输出当前的位置增量；
12.s104按顺序修正运动参数获取所需实际参数；
13.s105重复步骤s103，进入下一个循环。
14.进一步的，步骤s101所述的即时运动参数包括速度v、加速度a、加加速度j和加加加速度s；其中，规划好的s形速度曲线，某任意阶段的某个时刻，即时的运动状态为(v，a，j，s)，该阶段该时刻后还有n个完整的插补周期t。
15.进一步的，步骤s102所述的即时运动参数按顺序初始化修正公式为：
[0016][0017][0018][0019]
式中，左箭头符号
←
表示将右边的表达式计算结果赋给左边的变量，t为插补周
期。
[0020]
进一步的，步骤s103所述的输出当前的位置增量为v*t。
[0021]
进一步的，步骤s103所述的输出当前的位置增量后，令n
←
n-1，如果n＝0，表明输出已完成，退出；
[0022]
如果n≠0，则进行s104步骤。
[0023]
进一步的，步骤s104所述的按顺序修正运动参数获取所需实际参数公式为：
[0024]j←
j+s*t，
[0025]a←
a+j*t，
[0026]v←
v+a*t，
[0027]
式中，左箭头符号
←
表示将右边的表达式计算结果赋给左边的变量，t为插补周期。
[0028]
进一步的，所述的s形速度曲线为15段式s形速度曲线。
[0029]
进一步的，所述的s形速度曲线为7段式s形速度曲线。
[0030]
第二方面，本发明提供另一种s形速度曲线快速插补计算的方法。
[0031]
一种s形速度曲线快速插补计算的方法，所述的加加加速度s＝0时，所述的方法为：
[0032]
s201对即时运动参数初始化修正：
[0033]
s202输出当前的位置增量：v*t；
[0034]
s203令n
←
n-1，当n＝0，表明输出已完成，退出；当n≠0，则进行s204步骤；
[0035]
s204按下面顺序，修正运动参数：
[0036]a←
a+j*t；
[0037]v←
v+a*t；
[0038]
s205转到步骤s202，进入下一个循环。
[0039]
进一步的，所述的插补周期t为时间常量；
[0040]
将运动参数(v，a，j，s)的时间单位转化为以t为单位，则上述公式中的*t和/或*t2和/或*t3等同于“*1”，不用实际作乘法运算，省去上述公式中*t和/或*t2和/或*t3乘法运算；
[0041]
将运动参数中的长度单位，转换成设备的脉冲当量，插补所得的位置增量无需单位转换，即为所需的脉冲值。
[0042]
业界通常所说的s形速度曲线，是指速度(velocity)、加速度(acceleration)可连续，加加速度(jerk)阶跃非连续，最多可分7个阶段。如果让加加速度(jerk)也连续，加加加速度(snap)阶跃非连续，则最多可分15个阶段。前者的7个阶段完全包含于后者的15个阶段中，故本发明直接针对更高阶的后者来叙述。
[0043]
已知：规划好的15段s形速度曲线，对于某任意某阶段的某个时刻，即时的运动状态为(v，a，j，s)，该阶段此时刻后还有n个完整的插补周期t。则在此时刻后，连续的n周期，各个周期结束时，位置的顺序增量计算方法为：
[0044]
(1)读取即时运动参数；
[0045]
(2)即时运动参数按顺序初始化修正：
[0046][0047][0048][0049]
式中，左箭头符号
←
表示将右边的表达式计算结果赋给左边的变量。
[0050]
(3)输出当前的位置增量v*t；
[0051]
令n
←
n-1，当n＝0，表明输出已完成，退出；当n≠0，则按顺序修正运动参数获取所需实际参数：
[0052]j←
j+s*t，
[0053]a←
a+j*t，
[0054]v←
v+a*t。
[0055]
(4)输出当前的位置增量v*t，进入下一个循环。
[0056]
以上给出的是一般情形，也适用于其它特殊情形。比如：对于7段式的s形速度曲线，可看作15段s形速度曲线中的加加加速度s＝0的情形，计算还可进一步简化：
[0057]
(1)对运动参数，初始化修正：
[0058][0059]
(2)输出当前的位置增量：v*t；
[0060]
(3)令n
←
n-1,如果n等于0，表明输出已完成，退出；
[0061]
(4)按下面顺序，修正运动参数：
[0062]a←
a+j*t，
[0063]v←
v+a*t；
[0064]
(5)输出当前的位置增量v*t，进入下一个循环。
[0065]
插补周期t对于数控系统来说是一个事先设定的固定的时间常量，比如t＝0.5ms，将运动参数(v，a，j，s)的时间单位转化为以t为单位，则上述流程中的“*t”、“*t
2”等实际上等同于“*1”，不用实际作乘法运算。
[0066]
如下当v＝12000mm/min＝200mm/s时，则v*t＝200mm/s*0.5ms＝0.1mm，也可以先进行时间单位转换：v＝200mm/s＝200mm/(2000*t)＝0.1mm/t，则v*t＝0.1mm/t*1t＝0.1mm，相乘仅导致量纲发生变化，而数值可保持不变，即可省去“*t”、“*t
2”等乘法运算。
[0067]
相应地，将运动参数中的长度单位，事先转换成设备的脉冲当量，插补所得的位置增量，无需单位转换，即为所需的脉冲值。
[0068]
经上述原理转换后，15段高阶s形速度曲线，对于任意某阶段，在每个周期，最多仅需三次加法运算，即可得到该周期内的位置增量。如果采用传统计算方法，先计算该周期结束时的位置，就需大量的乘法及加法运算，而且还需缓存该位置，以便下周期进行相减才能得到输出值。
[0069]
以上是一维情形的插补，如果是空间三维的插补，只需作简单的映射变换即可，此处不再赘述。对于空间线段，可事先初始化一些投影矢量，在每个插补周期里，对矢量仅进行类似的自增运算，亦可避免乘法运算。
[0070]
公式推导：在任意某个阶段，其内部t时刻对应的运动状态是：(v
t
，a
t
，j
t
，s
t
)，其中
t＝0时刻对应的即时状态(v0，a0，j0，s0)为已知。全程s
t
＝s0保持不变，其它运动参数需按如下积分进行：
[0071][0072][0073][0074][0075]
其中s[t]为t时刻的位置，如果需要计算当前插补周期运动的路程，需要计算s[t]-s[t-t]，其中t为插补周期。
[0076]
如果该阶段t＝0时刻后还有n个完整的插补周期t，则需要计算这连续的n个周期的位置增量：s[t]-s[0]，s[2t]-s[t]，
…
，s[nt]-s[(n-1)t]。
[0077]
用上述过程得到的某个周期的位置增量，公式中势必需用固定的(v0，a0，j0，s0)进行表达，会比较复杂。而本发明，则采用了迭代修正运动参数的方法，可以证明两者是等效的，但因简化了公式，大幅减少了插补所需的计算量。
[0078]
本发明提供的s形速度曲线快速插补计算的方法，用插补周期作为运动参数的时间单位；用脉冲当量作为运动参数的长度单位。可避免后续的单位转换需要的乘除法运算。对于采用非s形速度曲线的数控系统，此条亦适用，且是优化途径之一。
[0079]
本发明提供的s形速度曲线快速插补计算的方法，利用迭代修正运动参数的方法，简化了计算公式。
[0080]
通过本发明提供的s形速度曲线快速插补计算的方法，可快速计算各周期的位置增量：对于含有加加加速度(snap)且不变的阶段，仅用三次加法运算；对于含有加加速度(jerk)且不变的阶段，仅用两次加法运算；对于含有加速度(acceleration)且不变的阶段，仅用一次加法运算即可；对于匀速段，直接即可输出该值。
[0081]
在数控系统中，设备在每个插补周期里，必须得到对应的脉冲增量，才能让机床按预先规划好的速度曲线进行运动。而cpu不仅需要进行插补运算，还需及时处理各种i/o请求等，如果在某个周期里来不及计算，就破环了实时性，将导致严重后果。
[0082]
因每个插补周期都需要进行一次插补运算，计算频次非常高，且是个必经过程。通过本发明所述方法，避免了大量乘法加法运算，仅通过少量的加法运算即可，节省并出让了大量宝贵的cpu资源，为数控系统的实时性提供了保障；或者说，通过应用本发明，在相同的硬件下，可以尝试采用更短插补周期，从而可获得更佳的加工效果。
[0083]
采用本发明提供的s形速度曲线快速插补计算的方法，在实际加工过程中，可以极大的减轻插补负荷，即使在低配置的硬件上运行，也能确保实时性。另一方面，可极大缩短仿真时间。比如同样的刀路，实际加工需60h左右，在同样的硬件设备上仿真，某知名数控系统提供商，需要1h2m33s，而本发明的的方法仅需1m41s，效率是对方的37.16倍。
[0084]
与现有技术相比，本发明提供的一种s形速度曲线快速插补计算的方法的优点在于：
[0085]
(1)方法简单、高效。
[0086]
(2)插补负荷低，硬件配置要求低。
[0087]
(3)仿真时间短，效率高。
具体实施方式
[0088]
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，以下实施例对本发明的作进一步详细描述，以下实施例仅用于说明发明，但不用来限制本发明的范围。
[0089]
第一方面，本发明提供一种s形速度曲线快速插补计算的方法。
[0090]
一种s形速度曲线快速插补计算的方法，所述的方法包括以下步骤：
[0091]
s101读取即时运动参数；
[0092]
s102即时运动参数按顺序初始化修正；
[0093]
s103输出当前的位置增量；
[0094]
s104按顺序修正运动参数获取所需实际参数；
[0095]
s105重复步骤s103，进入下一个循环。
[0096]
进一步的，步骤s101所述的即时运动参数包括速度v、加速度a、加加速度j和加加加速度s；其中，规划好的s形速度曲线，某任意阶段的某个时刻，即时的运动状态为(v，a，j，s)，该阶段该时刻后还有n个完整的插补周期t。
[0097]
进一步的，步骤s102所述的即时运动参数按顺序初始化修正公式为：
[0098][0099][0100][0101]
式中，左箭头符号
←
表示将右边的表达式计算结果赋给左边的变量，t为插补周期。
[0102]
进一步的，步骤s103所述的输出当前的位置增量为v*t。
[0103]
进一步的，步骤s103所述的输出当前的位置增量后，令n
←
n-1，如果n＝0，表明输出已完成，退出；
[0104]
如果n≠0，则进行s104步骤。
[0105]
进一步的，步骤s104所述的按顺序修正运动参数获取所需实际参数公式为：
[0106]j←
j+s*t，
[0107]a←
a+j*t，
[0108]v←
v+a*t，
[0109]
式中，左箭头符号
←
表示将右边的表达式计算结果赋给左边的变量，t为插补周期。
[0110]
进一步的，所述的s形速度曲线为15段式s形速度曲线。
[0111]
进一步的，所述的s形速度曲线为7段式s形速度曲线。
[0112]
第二方面，本发明提供另一种s形速度曲线快速插补计算的方法。
[0113]
一种s形速度曲线快速插补计算的方法，所述的加加加速度s＝0时，所述的方法
为：
[0114]
s201对即时运动参数初始化修正：
[0115]
s202输出当前的位置增量：v*t；
[0116]
s203令n
←
n-1，当n＝0，表明输出已完成，退出；当n≠0，则进行s204步骤；
[0117]
s204按下面顺序，修正运动参数：
[0118]a←
a+j*t；
[0119]v←
v+a*t；
[0120]
s205转到步骤s202，进入下一个循环。
[0121]
进一步的，所述的插补周期t为时间常量；
[0122]
将运动参数(v，a，j，s)的时间单位转化为以t为单位，则上述公式中的*t和/或*t2和/或*t3等同于“*1”，不用实际作乘法运算，省去上述公式中*t和/或*t2和/或*t3乘法运算；
[0123]
将运动参数中的长度单位，转换成设备的脉冲当量，插补所得的位置增量无需单位转换，即为所需的脉冲值。
[0124]
实施例1
[0125]
一种s形速度曲线快速插补计算的方法，所述的方法包括以下步骤：
[0126]
s101读取即时运动参数；
[0127]
s102即时运动参数按顺序初始化修正；
[0128]
s103输出当前的位置增量；
[0129]
s104按顺序修正运动参数获取所需实际参数；
[0130]
s105重复步骤s103，进入下一个循环。
[0131]
进一步的，步骤s101所述的即时运动参数包括速度v、加速度a、加加速度j和加加加速度s；其中，规划好的s形速度曲线，某任意阶段的某个时刻，即时的运动状态为(v，a，j，s)，该阶段该时刻后还有n个完整的插补周期t。
[0132]
进一步的，步骤s102所述的即时运动参数按顺序初始化修正公式为：
[0133][0134][0135][0136]
式中，左箭头符号
←
表示将右边的表达式计算结果赋给左边的变量，t为插补周期。
[0137]
进一步的，步骤s103所述的输出当前的位置增量为v*t。
[0138]
进一步的，步骤s103所述的输出当前的位置增量后，令n
←
n-1，如果n＝0，表明输出已完成，退出；如果n≠0，则进行s104步骤。
[0139]
进一步的，步骤s104所述的按顺序修正运动参数获取所需实际参数公式为：
[0140]j←
j+s*t，
[0141]a←
a+j*t，
[0142]v←
v+a*t，
[0143]
式中，左箭头符号
←
表示将右边的表达式计算结果赋给左边的变量，t为插补周期。
[0144]
进一步的，所述的s形速度曲线为15段式s形速度曲线。
[0145]
所述的插补周期t为时间常量；将运动参数(v，a，j，s)的时间单位转化为以t为单位，则上述公式中的*t和/或*t2和/或*t3等同于“*1”，不用实际作乘法运算，省去上述公式中*t和/或*t2和/或*t3乘法运算；将运动参数中的长度单位，转换成设备的脉冲当量，插补所得的位置增量无需单位转换，即为所需的脉冲值。
[0146]
实施例2
[0147]
一种s形速度曲线快速插补计算的方法，所述的加加加速度s＝0时，所述的方法为：
[0148]
s201对即时运动参数初始化修正：
[0149]
s202输出当前的位置增量：v*t；
[0150]
s203令n
←
n-1，当n＝0，表明输出已完成，退出；当n≠0，则进行s204步骤；
[0151]
s204按下面顺序，修正运动参数：
[0152]a←
a+j*t；
[0153]v←
v+a*t；
[0154]
s205转到步骤s202，进入下一个循环。
[0155]
进一步的，所述的插补周期t为时间常量；
[0156]
将运动参数(v，a，j，s)的时间单位转化为以t为单位，则上述公式中的*t和/或*t2和/或*t3等同于“*1”，不用实际作乘法运算，省去上述公式中*t和/或*t2和/或*t3乘法运算；将运动参数中的长度单位，转换成设备的脉冲当量，插补所得的位置增量无需单位转换，即为所需的脉冲值。
[0157]
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种变换，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
[0158]
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征和步骤，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0159]
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

技术特征：
1.一种s形速度曲线快速插补计算的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：s101读取即时运动参数；s102即时运动参数按顺序初始化修正；s103输出当前的位置增量；s104按顺序修正运动参数获取所需实际参数；s105重复步骤s103，进入下一个循环。2.根据权利要求1所述的一种s形速度曲线快速插补计算的方法，其特征在于：步骤s101所述的即时运动参数包括速度v、加速度a、加加速度j和加加加速度s；其中，规划好的s形速度曲线，某任意阶段的某个时刻，即时的运动状态为(v，a，j，s)，该阶段该时刻后还有n个完整的插补周期t。3.根据权利要求1所述的一种s形速度曲线快速插补计算的方法，其特征在于，步骤s102所述的即时运动参数按顺序初始化修正公式为：s102所述的即时运动参数按顺序初始化修正公式为：s102所述的即时运动参数按顺序初始化修正公式为：式中，左箭头符号
←
表示将右边的表达式计算结果赋给左边的变量，t为插补周期。4.根据权利要求1所述的一种s形速度曲线快速插补计算的方法，其特征在于，步骤s103所述的输出当前的位置增量为v*t。5.根据权利要求1所述的一种s形速度曲线快速插补计算的方法，其特征在于，步骤s103所述的输出当前的位置增量后，令n
←
n-1，如果n＝0，表明输出已完成，退出；如果n≠0，则进行s104步骤。6.根据权利要求1所述的一种s形速度曲线快速插补计算的方法，其特征在于，步骤s104所述的按顺序修正运动参数获取所需实际参数公式为：j
←
j+s*t，a
←
a+j*t，v
←
v+a*t，式中，左箭头符号
←
表示将右边的表达式计算结果赋给左边的变量，t为插补周期。7.根据权利要求1所述的一种s形速度曲线快速插补计算的方法，其特征在于，所述的s形速度曲线为15段式s形速度曲线。8.根据权利要求1所述的一种s形速度曲线快速插补计算的方法，其特征在于，所述的s形速度曲线为7段式s形速度曲线。9.根据权利要求1或8所述的一种s形速度曲线快速插补计算的方法，其特征在于，所述的加加加速度s＝0时，所述的方法为：s201对即时运动参数初始化修正：s202输出当前的位置增量：v*t；s203令n
←
n-1，当n＝0，表明输出已完成，退出；当n≠0，则进行s204步骤；
s204按下面顺序，修正运动参数：a
←
a+j*t；v
←
v+a*t；s205转到步骤s202，进入下一个循环。10.根据权利要求3或4或6或8所述的一种s形速度曲线快速插补计算的方法，其特征在于，所述的插补周期t为时间常量；将运动参数(v，a，j，s)的时间单位转化为以t为单位，则上述公式中的*t和/或*t2和/或*t3等同于“*1”，不用实际作乘法运算，省去上述公式中*t和/或*t2和/或*t3乘法运算；将运动参数中的长度单位，转换成设备的脉冲当量，插补所得的位置增量无需单位转换，即为所需的脉冲值。

技术总结
本发明涉及数控机床控制技术领域，具体涉及一种S形速度曲线快速插补计算的方法。所述的方法包括以下步骤：S101读取即时运动参数；S102即时运动参数按顺序初始化修正；S103输出当前的位置增量；S104按顺序修正运动参数获取所需实际参数；S105重复步骤S103，进入下一个循环。本发明的优点在于：方法简单、高效。优化效果好。实时性高，指向性高。指向性高。


技术研发人员：郭先强 何长安 彭伟
受保护的技术使用者：苏州谋迅智能科技有限公司
技术研发日：2022.11.14
技术公布日：2023/9/22