高速高精度数控加工的小线段实时平滑过渡插补方法

1.一种高速高精度数控加工的小线段实时平滑过渡插补方法，其特征在于，包括：人机界面模块、程序解释模块、刀具补偿模块、粗插补模块、精插补模块，其中：人机界面模块将待加工零件的数控加工程序传递给程序解释模块，由程序解释模块对数控加工程序进行解释，提取加工路径信息，通过刀具补偿模块对加工路径进行刀具补偿处理，得到刀具路径信息，将该刀具路径信息传输到粗插补模块，在插补运算前，将相邻线段的转接线段采用过控制顶点三次B样条曲线进行曲线平滑过渡连接，生成曲率连续的平滑刀具路径，该刀具路径与原始路径的最大偏差值小于或等于系统设定的最大误差值，再对该刀具路径进行速度规划和插补运算，最后将得到的插补数据输送到精插补模块，精插补模块经过数字积分插补运算，将处理后的数据输送到驱动器驱动数控机床的运动；
所述的粗插补模块包括：生成过渡曲线单元、速度规划单元和插补运算单元，生成过渡曲线单元根据刀具补偿模块传来的刀具路径信息，将相邻线段的转接线段采用过控制顶点三次B样条曲线进行曲线平滑过渡连接，生成曲率连续的平滑刀具路径，速度规划单元采用S形加减速模型对该刀具路径进行速度规划，计算每个插补周期的进给速度，插补运算单元根据速度规划得到的进给速度计算每个插补周期的插补长度，并向参与运动的坐标轴进行分解，伺服轴得到每个插补周期的运动长度；
所述的生成过渡曲线单元包括：计算刀具路径中每相邻线段的长度和夹角、根据数控系统允许误差确定线段的转接长度、相邻线段转接线段采用过控制顶点三次B样条曲线进行曲线过渡，过控制顶点三次B样条曲线与线段连接点处的切线与线段方向一致，生成曲率连续的过渡曲线的平滑刀具路径与原始路径的最大偏差值小于或等于数控系统的允许误差值，所述过控制顶点三次B样条曲线为过五个控制顶点的三次B样条曲线，根据数控系统设定的最大允许误差确定第一个控制顶点(P3)，采用近似圆弧处理的方法得到第二个控制顶点(P1)和第三个控制顶点(P5)，采用近似圆弧六等分法确定第四个控制顶点(P2)和第五个控制顶点(P4)，得到过渡曲线的五个控制顶点，根据五个控制顶点，采用过控制顶点三次B样条曲线拟合方法得到过控制顶点三次B样条曲线。
2.根据权利要求1所述的高速高精度数控加工的小线段实时平滑过渡插补方法，其特征是，所述的人机界面模块包括：程序加工单元、轨迹仿真单元、实时监控单元、参数管理单元，其中：程序加工单元将选择的待加工零件的数控加工程序传送到程序解释模块中进行程序检查和程序翻译。
3.根据权利要求1所述的高速高精度数控加工的小线段实时平滑过渡插补方法，其特征是，所述的程序解释模块包括：程序检查单元和程序翻译单元，其中：程序检查单元对数控加工程序进行词法分析、语法分析和语义分析，检查数控加工程序是否存在错误，如果数控加工代码有误，则进行出错处理，否则，将数据输送到程序翻译单元；程序翻译单元从数控加工程序中提取运动轴的位置坐标信息和加工工艺参数信息。
4.根据权利要求1所述的高速高精度数控加工的小线段实时平滑过渡插补方法，其特征是，所述的刀具补偿模块包括：刀补路径计算单元和刀具路径转接单元，其中：刀补路径计算单元采用矢量方法计算刀补路径，根据刀补路径方向矢量与半径矢量定义，分析并计算出两者之间的关系，确定刀具中心路径；刀具路径转接单元根据转接角的大小确定采用缩短型、伸长型或插入型进行刀具路径转接；刀具补偿模块采用C刀具功能刀具补偿方式进行刀具补偿，将数控程序所描述的加工轮廓信息转换为刀具路径信息。
5.根据权利要求1所述的高速高精度数控加工的小线段实时平滑过渡插补方法，其特征是，所述的精插补模块根据粗插补模块的插补运算单元得到的参与运动轴的每个插补周期的运动长度，采用数字积分法插补方法进行数据处理，将每个插补周期处理后的数据输送到参与运动轴的驱动器驱动数控机床的运动，从而完成数控加工任务。
6.根据权利要求1所述的高速高精度数控加工的小线段实时平滑过渡插补方法，其特征是，所述的速度规划单元是指生成曲率连续的过渡曲线的平滑刀具路径在转接约束速度条件下按照S形加减速模型规划每个插补周期刀具沿着平滑曲线运动的速度，转接约束条件包括过控制顶点三次B样条过渡曲线在插补时所允许的约束速度和机床动力学特性的最大进给约束速度。
7.根据权利要求1所述的高速高精度数控加工的小线段实时平滑过渡插补方法，其特征是，所述的插补运算单元是指根据速度规划单元得到各个插补周期的进给速度，并计算出每个插补周期运动的弧长，由过控制顶点三次B样条曲线求出每个插补周期的参数样条的坐标值，得到参与运动轴在每个插补周期的运动长度。

高速高精度数控加工的小线段实时平滑过渡插补方法
技术领域
[0001] 本发明涉及数控加工技术领域的数控系统，尤其涉及一种高速高精度数控加工的小线段实时平滑过渡插补方法。
背景技术
[0002] 数控机床加工复杂的零件时，数控加工程序一般由自动编程方法生成，自动编程由CAM(Computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造)软件完成，通常数控程序代码中包含大量的连续短线段，线段的长度一般都很短，有的线段长度甚至为毫米级或亚毫米级，数控系统的插补器对这些短线段进行插补运算得到刀具运动轨迹。传统的数控系统在插补过程中直接以短线段为单位进行速度规划，这种插补方式不仅造成启停次数多，速度和加速度波动较大，运动不平稳，而且波动比较频繁，严重时甚至引起机床的振动，从而影响加工效率和零件表面加工质量。
[0003] 对现有技术的文献检索发现，采用曲线拟合法将连续微小路径段进行曲线拟合，然后再进行曲线插补运算，很多方法采用五次样条曲线(Erkorlmaz K.High speed CNC system design.Part 1：Jerk limited trajectory generation and quintic spline interpolation.International Journal of Machine Tools&Manufacture.(2001)41：
1323-1345)、NURBS(Junbin Wang.Real-time NURBS interpolator：application to short linear segments.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology.(2009)41：1169-1185)等参数曲线对线性路径段进行拟合。曲线拟合法是将加工零件的所有短线段采用曲线进行拟合替代的方法。通常CAM与CNC是相互独立的两个系统，CNC系统丢失了CAM系统原有的模型数据，因此，这种曲线拟合方法并不能够真正地还原原始的轮廓模型，与原始轮廓模型仍然存在一定的误差，有时可能产生较大的误差，并且这种全曲线拟合的方法计算量非常大，难以满足数控系统的实时性要求。因此，这种方法难以应用于高速数控加工场合。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于针对高速高精度数控加工的小线段插补过程中存在的问题，提供一种高速高精度数控加工的小线段实时平滑过渡插补方法，该方法计算效率高、算法实现简单，能够有效地提高数控加工的运动平稳性和加工效率，可应用于高速高精度的数控加工场合。
[0005] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0006] 本发明包括：人机界面模块、程序解释模块、刀具补偿模块、粗插补模块、精插补模块，其中：人机界面模块将待加工零件的数控加工程序传递给程序解释模块，由程序解释模块对数控加工程序进行程序检查和程序解释，并提取加工路径和加工工艺参数有关的信息，通过刀具补偿模块对加工路径信息进行刀具补偿处理，得到刀具路径信息，将该刀具路径信息传输到粗插补模块，在插补运算前将每相邻线段的转接线段采用过控制顶点三次B样条曲线进行曲线过渡连接，生成曲率连续的平滑刀具路径，该平滑刀具路径与原路径的最大偏差值小于或等于系统设定的最大误差值，对该刀具路径进行速度规划和插补计算，得到插补数据，最后将生成的插补数据传输到精插补模块，精插补模块经过数字积分精插补运算，将处理后的数据输送到驱动器驱动数控机床的运动。
[0007] 所述的人机界面模块包括：程序加工单元、轨迹仿真单元、实时监控单元、参数管理单元组成，其中程序加工单元将选择的待加工零件的数控加工程序传送到程序解释模块中的程序检查单元；轨迹仿真单元对待加工零件的刀具运动轨迹进行离线仿真，验证在实际加工过程中是否发生过切或少切、走刀路线和进退刀方式是否合理；实时监控单元从运动控制器中获取运动轴和输入/输出状态信息，对运动轴进行实时轨迹显示和动态坐标显示，对系统的输入/输出状态进行实时监控；参数管理单元对刀具信息和运动参数进行管理。
[0008] 所述的程序解释模块包括：程序检查单元和程序翻译单元，其中程序检查单元对数控加工程序进行词法分析、语法分析和语义分析，检查数控加工程序是否存在错误，如果数控加工代码有误，则进行出错处理，否则，将数据输送到程序翻译单元；程序翻译单元从数控加工程序中提取运动轴的位置坐标信息和加工工艺参数信息；程序解释模块以多线程编程方式进行实时解释，提前解释5000个程序段，以满足后续模块前瞻处理所需要的数据信息。
[0009] 所述的刀具补偿模块包括刀补路径计算单元和刀具路径转接单元，其中刀补路径计算单元采用矢量方法计算刀补路径，根据刀补路径方向矢量与半径矢量定义，分析并计算两者之间的关系，确定刀具中心路径；刀具路径转接单元根据转接角的大小确定采用缩短型、伸长型或插入型进行刀具路径转接；刀具补偿模块采用C刀具功能刀具补偿方式进行刀具补偿，将数控加工程序所描述的加工轮廓信息转换为刀具路径信息，采用多线程编程方式进行实时运行，能够提前处理5000个程序段的刀具补偿，为后续模块前瞻处理提供所需要的数据信息。
[0010] 所述的粗插补模块包括：生成过渡曲线单元、速度规划单元和插补运算单元，生成过渡曲线单元根据刀具补偿模块传来的刀具路径信息，将相邻线段的转接线段采用过控制顶点三次B样条曲线进行曲线平滑过渡连接，生成曲率连续的平滑刀具路径，速度规划单元采用S形加减速模型对该刀具路径进行速度规划，计算每个插补周期的进给速度，插补运算单元根据速度规划得到的进给速度计算每个插补周期的插补长度，并向参与运动的坐标轴进行分解，伺服轴得到每个插补周期的运动长度。粗插补模块采用多线程编程和前瞻处理方式进行实时运行，能够提前处理5000个程序段，避免在数控加工过程中出现数据饥渴现象。
[0011] 所述的生成过渡曲线单元包括：计算刀具路径中每相邻线段的长度和夹角、根据数控系统允许误差确定线段的转接长度、相邻线段的转接线段采用过控制顶点三次B样条曲线进行曲线过渡，过控制顶点三次B样条曲线与线段连接点处的切线与线段方向一致，生成曲率连续的过渡曲线的平滑刀具路径与原始路径的最大偏差值小于或等于数控系统的允许误差值。
[0012] 所述的速度规划单元是指生成曲率连续的过渡曲线的平滑刀具路径在转接约束速度条件下按照S形加减速模型规划每个插补周期刀具沿着平滑曲线运动的进给速度，转接约束条件包括过控制顶点三次B样条过渡曲线在插补过程中所允许的约束速度和机床动力学特性的最大进给约束速度。
[0013] 所述的插补运算单元是指根据速度规划单元得到每个插补周期的进给速度，并计算出每个插补周期运动的弧长，由过控制顶点三次B样条曲线求出每个插补周期的参数样条的坐标值，得到参与运动轴在每个插补周期的运动长度。
[0014] 所述的精插补模块根据粗插补模块的插补运算单元得到的参与运动轴的每个插补周期的运动长度，采用数字积分法插补方法进行数据处理，并把每个插补周期处理后的数据输送到参与运动轴的驱动器驱动数控机床的运动，从而完成数控加工任务。
[0015] 本发明是从数控加工程序中提取运动轴的位置坐标信息和加工工艺参数信息，根据系统允许误差确定相邻线段之间的转接长度和转接线段采用过控制顶点三次B样条曲线进行曲线过渡，在系统误差允许的条件下采用过控制顶点三次B样条曲线进行曲线过渡代替转接线段，生成曲率连续的平滑刀具路径，并采用S形加减速模型对生成曲率连续的平滑刀具路径进行速度规划和插补运算来实现本发明的任务。
[0016] 与现有的小线段插补技术相比，本发明在数控加工过程中，先将相邻线段的转接部分采用过控制顶点三次B样条曲线进行曲线过渡，生成刀具路径能够实现平滑连续过渡，在充分考虑系统速度约束和误差约束的前提下，进行速度规划和插补运算，得到的运动更加平稳，速度更加平滑，同时满足系统加工精度要求，计算效率高，算法简单容易实现，适用于高速高精度加工数控机床。
附图说明
[0017] 图1本发明硬件结构原理图。
[0018] 图2本发明结构示意图。
[0019] 图3过控制顶点三次B样条曲线示意图。
[0020] 图4过控制顶点三次B样条曲线误差模型示意图。
[0021] 图5 S形加减速控制示意图。
[0022] 图6小线段加工路径示意图。
[0023] 图7采用本发明方法进给速度示意图。
具体实施方式
[0024] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0025] 如图1所示，本实施例的硬件结构原理图。该结构由PC机和DSP运动控制器构成上下位机开放式体系结构，硬件系统主要由上位机、PCI驱动、运动控制器、驱动器和伺服交流电机四个部分组成，通过PCI驱动实现上位机与下位机之间的数据通信，PC机作为上位机实现人机交互、程序解释、刀具补偿、过控制顶点三次B样条曲线过渡功能，人机交互界面1实现程序加工、轨迹仿真、实时监控、参数管理功能，运动控制器2的核心DSP处理芯片为TMS320F28335，主频为150MHz，采用哈佛结构，实现对生成的曲率连续平滑刀具路径速度规划、插补运算和精插补功能，精插补得到的结果通过硬件电路传送到驱动器3，驱动交流伺服电机4转动，从而带动数控机床运动，实现待加工零件的数控加工。
[0026] 如图2所示，本实施例包括：人机界面模块、程序解释模块、刀具补偿模块、粗插补模块、精插补模块，其中：人机界面模块与程序解释模块之间相互通信，人机界面模块把数控加工程序传输给程序解释模块，程序解释模块发生异常情况实时传给人机界面模块，人机界面模块与粗插补模块之间相互通信，人机界面模块把运动参数传给粗插补模块，粗插补模块发生异常情况实时传给人机界面模块，刀具补偿模块和精插补模块与人机界面模块实现单向通信，刀具补偿模块和精插补模块发生异常情况实时传给人机界面模块，程序解释模块与刀具补偿模块相连接并传输加工路径信息及加工工艺参数信息，刀具补偿模块与粗插补模块相连接并传输刀具路径信息，粗插补模块与精插补模块相连接并传输插补数据，粗插补模块由生成过控制顶点三次B样条曲线过渡曲线、速度规划和插补运算单元构成。
[0027] 本实施例实施过程如下：
[0028] 1、从数控加工程序文件中提取加工路径信息和加工工艺参数信息
[0029] 所述加工路径信息是指每条加工路径的起点和终点坐标值。
[0030] 所述加工工艺参数信息是指数控加工程序文件中的M、F、S、T、D等相关指令。
[0031] 2、加工路径信息生成刀具路径信息
[0032] 所述的刀具路径信息是指刀具中心在数控加工过程中的起点和终点坐标值，通过刀补路径计算和刀具路径转接单元，采用C刀具功能补偿方式进行刀具补偿，将数控加工程序所描述的加工路径信息转换为刀具路径信息。
[0033] 3、由相邻转接部分的线性刀具路径生成平滑过渡的曲线刀具路径
[0034] 如图3所示，计算刀具路径中相邻两线段 和 的长度、夹角和转接线段长度，将转接线段采用过控制顶点三次B样条曲线进行曲线过渡，过控制顶点三次B样条曲线在与线段连接点处的切线方向与转接线段方向一致，曲率为零，过渡曲线越靠近P3点位置曲线的曲率越大，根据数控系统设定的最大允许误差δ0确定控制顶点P3，采用近似圆弧处理的方法得到控制顶点P1和P5，采用近似圆弧六等分法确定控制顶点P2和P4，得到过渡曲线的五个控制顶点，根据五个控制顶点，采用过控制顶点三次B样条曲线拟合方法得到过渡曲线，该过渡曲线的刀具路径与原始刀具路径的最大偏差值小于或等于数控系统设定的最大允许误差值δ0，如图4所示，
[0035] 4、根据刀具路径几何特性和机床动力学特性建立进给速度约束条件[0036] 根据所述的过控制顶点三次B样条曲线的刀具路径几何特性，在满足加工精度的前提下，进给速度与过渡曲线曲率半径之间的关系为：
[0037]
[0038] 其中，vi为进给速度，T为插补周期，ρ1为过控制顶点三次B样条曲线的曲率半径，δ1为系统允许的最大弓高误差。
[0039] 根据所述的机床动力学特性，过渡曲线采用圆弧近似处理的方法，可得到进给速度与加速度之间的关系为：
[0040]
[0041] 其中，Amax为系统的最大加速度。
[0042] 由式(1)和(2)可得，所述的过控制顶点三次B样条曲线的过渡曲线的进给速度约束条件为：
[0043]
[0044] 5、速度规划
[0045] 所述的所述速度规划是在进给速度约束条件下规划每个插补周期刀具沿刀具路径运动的进给速度。
[0046] 本实施例以S形加减速控制方法为例介绍速度规划过程，其不构成对本发明的限定。
[0047] 如图5所示，所述S形加减速控制方法由七段组成：加加速段、匀加速段、减加速段、匀速段、加减速段、匀减速段、减减速段。
[0048] 6、插补运算
[0049] 所述插补运算是指接照生成的速度轮廓线得到当前周期的进给速度，并计算出弧长，从而求出曲线参数，由曲线参数求出曲线上的点坐标，从而得到各轴的位置坐标。
[0050] 以图6中20条小线段为例，以所述S形加减速控制方法进行速度规划，得到每个插补周期刀具沿加工路径运动的进给速度曲线如图7所示。
[0051] 本实施例以二维小线段加工路径为例，说明了实时生成曲率连续路径的方法，以及在精度和机床伺服能力综合约束条件下采用S形加减速控制方法对新生成平滑刀具路径进行插补的方法，可以缩短加工时间、提高零件表面加工质量，适应于高速高精度的数控机床。