一种基于分段滤波与限制加加速度的直线加减速控制方法与流程

1.本技术涉及数控技术领域，更具体的说，特别涉及一种基于分段滤波与限制加加速度的直线加减速控制方法。


背景技术：

2.数控机床在工作过程中需要按照预设的轨迹进行运动，为了减少在拐角或者启停位置处的冲击或震荡现象，必须对机床进行合理的加减速控制，以此提升机床的加工效率和使用寿命。
3.运用于数控系统中的加减速控制方法有很多，如常规的直线减速，七段s形加减速，三角函数加减速等控制方法。常规的直线减速模型计算量小，加速和减速效果明显，因而运动效率比较高，但是其产生的加速度有跳变现象，对机床的冲击力较大，因而只适用于低速运动控制过程。七段s形加减速控制模型构造相对较为复杂，该方法通过使加速度逐步上升或下降，从而实现加速度连续的效果，对降低运动过程中产生的冲击力有较好的效果，但计算得到的运动时间通常不是插补周期的整数倍，如果在最后一个周期插补积分时间不足一个周期的位移量，则运动会发生突变，如果忽略最后一个插补周期，则运动不够准确，由于模型在构造时有较多参数限制，难以消除该现象。三角函数加减速控制方法，其加速度和加加速度都是连续的，因而运动的平滑性较好，但需要通过查表的方式来实现计算，计算效率不够高，模型只在一个时间点达到最大加速度，运动响应不够迅速，因而加减速的效率相对较低。基于滤波技术的直线加减速模型具有较好的运动特性，但一般模型用一个滤波长度对加速和减速过程进行滤波平滑，当加速时间和减速时间相差加大时，滤波后的效果较差。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于分段滤波与限制加加速度的直线加减速控制方法，解决现有滤波技术滤波后的效果较差的技术问题。
5.为了解决以上提出的问题，本发明实施例提供了如下所述的技术方案：
6.一种基于分段滤波与限制加加速度的直线加减速控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
7.根据运动条件获取滤波补偿增量；
8.获取边界条件下的插补增量；
9.通过条件判断运动的时间状态，获取实际运动过程中能达到的最大速度、最大加速和最大减速度；
10.利用加加速度分段获取加减速过程中的滤波长度；
11.利用直线加减速的方法对连续的速度规划进行离散化处理，以提升运动的插补精度。
12.进一步地，所述根据运动条件获取滤波补偿增量步骤包括：
13.根据机床的运动路程、最大允许速度、起始速度和末尾速度的运动条件，获取直线加减速滤波时的数据参数，在单段运动过程中，单段运动包括加速或者减速时，其初始瞬时速度和末尾瞬时速度分别为v
s
与v
e
，最大加速度为a，目标位移量为s
target
，使用滑动均值滤波方法对直线加减速进行滤波处理，使加速度逐步上升或下降，消除加速度突变，则第i个插补周期滤波后的速度可以表示为：
[0014][0015]
式中，f
i
为离散后的插补速度
[0016][0017]
其中，l为滤波长度，t
s
为插补周期，以周期时间为单位量，则t
s
＝1，t为滤波前的插补周期数，滤波后的总插补周期数为t
l
＝t l-1，a为离散后的插补加速度，若为减速过程则令公式中的a＝-d，d为离散后的插补减速度；
[0018]
在初始与末尾分别插补与始末瞬时速度相同的增量，然后与直线滤波后所有的插补增量相加后得到总的位移量s
f
：
[0019][0020]
其中，令
[0021][0022]
则滤波后的总位移量s
f
＝s
target
s
p
，s
p
为滤波补偿增量；
[0023]
经过滤波后，插补规划得到的加速度是分段连续的，其加速度a和加加速度为jerk：
[0024][0025]
进一步地，所述获取边界条件下的插补增量步骤包括：
[0026]
根据最大加加速度值j计算不同阶段的滤波长度l1、l2，其中l1为加速阶段的滤波长度，l2为减速阶段的滤波长度，插补离散前，最大允许速度为v
m
，最大加速度和最大减速度为a
u
、a
d
，总的目标位移量为s，
[0027]
在上升阶段，其位移增量s
target1
为：
[0028][0029]
在下降阶段，其位移增量s
target2
为：
[0030][0031]
根据公式可以设置总共的位移量s为：
[0032][0033]
由于运动条件参数的限制，最大速度v
m
、最大加速度a
u
以及最大减速度a
d
在运动过程中并不是都可以到达，令滤波后实际能达到的最大速度为v
m
′
，实际能达到的最大加速度和减速度为a
u
′
与a
d
′
，可以分情况对公式进行求解，当末尾速度比初始速度大时，即v
s
≤v
e
的计算过程如下所述；当末速度比初始速度小，即v
s
>v
e
的计算过程，求解的方法一致，
[0034]
当v
s
≤v
e
时，
[0035]
最大减速度可达时的速度带入公式后得到：
[0036][0037]
最大加速度可达时的速度带入公式后得到：
[0038][0039]
在公式中，令v
m1
＝v
m
得到s
k1
；在公式中，令v
m2
＝v
m
得到s
k2
，当最大加速度不可达，最大减速度不可达时，实际的加速度为实际的减速度为令带入公式后得到s
k3
。
[0040]
进一步地，所述通过条件判断运动的时间状态，获取实际运动过程中能达到的最大速度、最大加速和最大减速度步骤包括：
[0041]
令加速、匀速和减速阶段的时间分别为t1、t2和t3，
[0042]
当v
m2
>v
e
时，
[0043]
情况1.1：v
m
≥v
m1
，
[0044]
若s≥s
k1
，得到结果1：能到达最大设定最大速度，最大加减速均能到达，s
k
＝s
k1
，
[0045]
若s
m1
≤s<s
k1
，得到结果2：不能达到设定最大速度，最大加减速均能达到，
[0046]
若s
m2
≤s<s
m1
，得到结果3：不能达到设定最大速度，不能达到最大减速度，能达到最大加速度，
[0047]
若s≤s
m2
，得到结果4：不能达到设定最大速度，不能达到最大减速度，不能达到最大加速度；
[0048]
情况1.2：v
m2
≤v
m
<v
m1
，
[0049]
若s≥s
k2
，得到结果5：达到设定最达速度，不能达到最大减速度，能达到最大加速度，s
k
＝s
k2
，
[0050]
若s
m2
≤s<s
k2
，得到结果6：不能达到设定最大速度，不能达到最大减速度，能达到最大加速度，
[0051]
若s<s
m2
，得到结果7：不能达到设定最大速度，不能达到最大减速度，不能达到最大加速度；
[0052]
情况1.3：v
m
<v
m2
，
[0053]
若s≥s
k3
，得到结果8：能达到设定最大速度，不能达到最大减速度，不能达到最大加速度，s
k
＝s
k3
，
[0054]
若s<s
k3
，得到结果9：不能达到设定最大速度，不能达到最大减速度，不能达到最大加速度，
[0055]
当v
m2
≤v
e
时，
[0056]
情况2.1：v
m
≥v
m1
，
[0057]
若s≥s
k1
，得到结果1，
[0058]
若s
m1
≤s<s
k1
，得到结果2，
[0059]
若s<s
m1
，得到结果3；
[0060]
情况2.2：v
m
<v
m1
，
[0061]
若s≥s
k2
，得到结果5，
[0062]
若s<s
k2
，得到结果6；
[0063]
对于以上结果，若达到最大设定速度，且最大加速度，最大减速度都能达到，则求
得实际能到达的参数及上升、匀速、下降的时间t1,t2,t3分别为：
[0064][0065]
对于达不到最大加速度的情况，令对于达不到最大减速度的情况，令然后将其带入公式过二分法求解v
m
′
，若达不到设定最大速度，令s
k
＝s，带入公式实际能到达的参数及上升、匀速、下降的时间。
[0066]
进一步地，所述利用加加速度分段获取加减速过程中的滤波长度的步骤包括：
[0067]
获取滤波长度为：
[0068][0069]
其中，[
·
]表示取整。
[0070]
进一步地，所述利用直线加减速的方法对连续的速度规划进行离散化处理，以提升运动的插补精度步骤包括：
[0071]
离散插补时间，微调最大速度；
[0072]
滑动滤波处理。
[0073]
进一步地，所述离散插补时间，微调最大速度步骤包括：
[0074]
离散后各个阶段的插补时间分别为t1、t2和t3其过程为：
[0075][0076]
重新计算微调后的实际能到达的最大速度：
[0077][0078]
微调后的加速度和减速度为：
[0079][0080]
进一步地，所述滑动滤波处理步骤包括：
[0081]
将离散后的参数带入公式1≤i≤t l-1,1≤l和进行插补计算。
[0082]
进一步地，在所述滑动滤波处理步骤之后，还包括：
[0083]
输出每个插补周期的进给量。
[0084]
与现有技术相比，本发明实施例主要有以下有益效果：
[0085]
一种基于分段滤波与限制加加速度的直线加减速控制方法，通过直线加减速的计算规划，容易对运动过程进行离散化；通过分段滤波，实现加速度的平滑过渡，防止运动过渡时出现冲击振动，而且可以根据具体的运动条件分别计算出加速和减速时的滤波长度，使运动更加合理，即使加速时间与减速时间相差较大，也不会出现过渡滤波的现象；对运动过程中出现的加加速度进行限制，通过极大化加加速度使机床在运动过程中能最大限度发挥其机械特性。
附图说明
[0086]
为了更清楚地说明本发明的方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0087]
图1为本发明实施例中基于分段滤波与限制加加速度的直线加减速控制方法的流程框图；
[0088]
图2为本发明实施例中5段连续运动的插补速度和加速度的规划效果示意图；
[0089]
图3为本发明实施例中5段连续运动的加加速度的规划效果示意图。
具体实施方式
[0090]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本发明的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排它的包含。本发明的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。
[0091]
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包
含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
[0092]
为了使本领域技术人员更好地理解本发明方案，下面将参照相关附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0093]
实施例
[0094]
一种基于分段滤波与限制加加速度的直线加减速控制方法，包括如下步骤：
[0095]
根据运动条件获取滤波补偿增量；
[0096]
获取边界条件下的插补增量；
[0097]
通过条件判断运动的时间状态，获取实际运动过程中能达到的最大速度、最大加速和最大减速度；
[0098]
利用加加速度分段获取加减速过程中的滤波长度；
[0099]
利用直线加减速的方法对连续的速度规划进行离散化处理，以提升运动的插补精度。
[0100]
本发明利用直线加减速方便计算的特点，用插补周期时间反推加速度，使运动过程离散化；首尾插补速度可以不为零，方便多段轨迹的连续加工运行；用分段滤波的方法使加速和减速过程的加速度平滑过渡，分段滤波根据运动时的具体参数计算加速和减速过程中的滤波长度，即使加速时间和减速时间相差较大，滤波后也能达到较好的运动效果；通过对滤波后运动的最大加加速度进行限制，使机床在允许的范围内最大程度的发挥其机械性能。
[0101]
所述根据运动条件获取滤波补偿增量步骤包括：
[0102]
根据机床的运动路程、最大允许速度、起始速度和末尾速度的运动条件，获取直线加减速滤波时的数据参数，在单段运动过程中，单段运动包括加速或者减速时，其初始瞬时速度和末尾瞬时速度分别为v
s
与v
e
，最大加速度为a，目标位移量为s
target
，使用滑动均值滤波方法对直线加减速进行滤波处理，使加速度逐步上升或下降，消除加速度突变，则第i个插补周期滤波后的速度可以表示为：
[0103]
1≤i≤t l-1,1≤l
[0104]
式中，f
i
为离散后的插补速度
[0105][0106]
其中，l为滤波长度，t
s
为插补周期，以周期时间为单位量，则t
s
＝1，t为滤波前的插补周期数，滤波后的总插补周期数为t
l
＝t l-1，a为离散后的插补加速度，若为减速过程则
令公式中的a＝-d，d为离散后的插补减速度；
[0107]
在初始与末尾分别插补与始末瞬时速度相同的增量，然后与直线滤波后所有的插补增量相加后得到总的位移量s
f
：
[0108][0109]
其中，令
[0110][0111]
则滤波后的总位移量s
f
＝s
target
s
p
，s
p
为滤波补偿增量；
[0112]
经过滤波后，插补规划得到的加速度是分段连续的，其加速度a和加加速度为jerk：
[0113][0114]
所述获取边界条件下的插补增量步骤包括：
[0115]
根据最大加加速度值j计算不同阶段的滤波长度l1、l2，其中l1为加速阶段的滤波长度，l2为减速阶段的滤波长度，插补离散前，最大允许速度为v
m
，最大加速度和最大减速度为a
u
、a
d
，总的目标位移量为s，
[0116]
在上升阶段，其位移增量s
target1
为：
[0117][0118]
在下降阶段，其位移增量s
target2
为：
[0119][0120]
根据公式可以设置总共的位移量s为：
[0121]
[0122]
需要说明的是，由于运动条件参数的限制，最大速度v
m
、最大加速度a
u
以及最大减速度a
d
在运动过程中并不是都可以到达。令滤波后实际能达到的最大速度为v
m
′
，实际能达到的最大加速度和减速度为a
u
′
与a
d
′
。可以分情况对公式进行求解，现只讨论末尾速度比初始速度大时，即v
s
≤v
e
的计算过程；如果末速度比初始速度小，求解的方法一致。
[0123]
由于运动条件参数的限制，最大速度v
m
、最大加速度a
u
以及最大减速度a
d
在运动过程中并不是都可以到达，令滤波后实际能达到的最大速度为v
m
′
，实际能达到的最大加速度和减速度为a
u
′
与a
d
′
，可以分情况对公式进行求解，当末尾速度比初始速度大时，即v
s
≤v
e
的计算过程如下所述；当末速度比初始速度小，即v
s
>v
e
的计算过程，求解的方法一致，
[0124]
当v
s
≤v
e
时，
[0125]
最大减速度可达时的速度带入公式后得到：
[0126][0127]
最大加速度可达时的速度带入公式后得到：
[0128][0129]
在公式中，令v
m1
＝v
m
得到s
k1
；在公式中，令v
m2
＝v
m
得到s
k2
，当最大加速度不可达，最大减速度不可达时，实际的加速度为实际的减速度为令带入公式后得到s
k3
。
[0130]
所述通过条件判断运动的时间状态，获取实际运动过程中能达到的最大速度、最
大加速和最大减速度步骤包括：
[0131]
令加速、匀速和减速阶段的时间分别为t1、t2和t3，
[0132]
当v
m2
>v
e
时，
[0133]
情况1.1：v
m
≥v
m1
，
[0134]
若s≥s
k1
，得到结果1：能到达最大设定最大速度，最大加减速均能到达，s
k
＝s
k1
，
[0135]
若s
m1
≤s<s
k1
，得到结果2：不能达到设定最大速度，最大加减速均能达到，
[0136]
若s
m2
≤s<s
m1
，得到结果3：不能达到设定最大速度，不能达到最大减速度，能达到最大加速度，
[0137]
若s≤s
m2
，得到结果4：不能达到设定最大速度，不能达到最大减速度，不能达到最大加速度；
[0138]
情况1.2：v
m2
≤v
m
<v
m1
，
[0139]
若s≥s
k2
，得到结果5：达到设定最达速度，不能达到最大减速度，能达到最大加速度，s
k
＝s
k2
，
[0140]
若s
m2
≤s<s
k2
，得到结果6：不能达到设定最大速度，不能达到最大减速度，能达到最大加速度，
[0141]
若s<s
m2
，得到结果7：不能达到设定最大速度，不能达到最大减速度，不能达到最大加速度；
[0142]
情况1.3：v
m
<v
m2
，
[0143]
若s≥s
k3
，得到结果8：能达到设定最大速度，不能达到最大减速度，不能达到最大加速度，s
k
＝s
k3
，
[0144]
若s<s
k3
，得到结果9：不能达到设定最大速度，不能达到最大减速度，不能达到最大加速度，
[0145]
当v
m2
≤v
e
时，
[0146]
情况2.1：v
m
≥v
m1
，
[0147]
若s≥s
k1
，得到结果1，
[0148]
若s
m1
≤s<s
k1
，得到结果2，
[0149]
若s<s
m1
，得到结果3；
[0150]
情况2.2：v
m
<v
m1
，
[0151]
若s≥s
k2
，得到结果5，
[0152]
若s<s
k2
，得到结果6；
[0153]
对于以上结果，若达到最大设定速度，且最大加速度，最大减速度都能达到，则求得实际能到达的参数及上升、匀速、下降的时间t1,t2,t3分别为：
[0154][0155]
对于达不到最大加速度的情况，令对于达不到最大减速度的情况，令然后将其带入公式
过二分法求解v
m
′
，若达不到设定最大速度，令s
k
＝s，带入公式实际能到达的参数及上升、匀速、下降的时间。
[0156]
进一步地，所述利用加加速度分段获取加减速过程中的滤波长度的步骤包括：
[0157]
获取滤波长度为：
[0158][0159]
其中，[
·
]表示取整。
[0160]
所述利用直线加减速的方法对连续的速度规划进行离散化处理，以提升运动的插补精度步骤包括：
[0161]
离散插补时间，微调最大速度；
[0162]
滑动滤波处理。
[0163]
所述离散插补时间，微调最大速度步骤包括：
[0164]
离散后各个阶段的插补时间分别为t1、t2和t3其过程为：
[0165][0166]
重新计算微调后的实际能到达的最大速度：
[0167][0168]
微调后的加速度和减速度为：
[0169][0170]
所述滑动滤波处理步骤包括：
[0171]
将离散后的参数带入公式1≤i≤t l-1,1≤l和进行插补计算。在所述滑动滤波处理步骤之后，还包括：
[0172]
输出每个插补周期的进给量。
[0173]
仿真验证：数控系统中的机床参数设为：插补周期t
s
＝1ms，最大加速度和最大减速度为a
u
＝2000mm/s2,a
d
＝2000mm/s2，换算成周期单位后a
u
＝2μm/ms2,a
d
＝2μm/ms2，最大加加速度jerk的值为j＝0.2μm/ms3。
[0174]
运动过程分为5段进行，每段的目标距离s、初始瞬时速度v
s
、末尾瞬时速度v
e
以及参考最大速度v
m
如表格1上部分所示，每段的末尾瞬时速度与下一段的初始瞬时速度相同，以保证运动的连续性。经过计算后，得到的真实到达的最大速度v
m
′
、上升阶段滤波长度l1、下降阶段滤波长度l2，离散后的加速匀速与减速时间t1、t2、t3如表格1下部分所示。数据显示，其实际的能达到的最大速度在允许的最大值范围之内，离散微调后实际最大速度偶尔会比允许值大一点，但不影响其运动效果。经过分段计算滤波长度后，加速和减速过程的滤波长度不一定相等，避免了因整体加减速运动过程使用同一滤波长度而产生的过渡滤波的现象。离散后的加减速时间是插补周期的整数倍，可以进行精确插补。
[0175]
表1每段运动过程的初始化条件以及计算结果
[0176][0177]
运行过程中5段的速度变化和加速度变化如图2所示，其速度曲线平滑可导；其加速度在允许的范围内进行连续变化，不存在跳跃现象，减少对机床的冲击。运动过程中的加加速度变化如图3所示，在非匀加速或非匀减速阶段，其加加速度均保持在最大值，不存在过分超过最大值的情况，在条件允许范围内最大限度的发挥了机床的机械性能。
[0178]
本发明实施例提供的基于分段滤波与限制加加速度的直线加减速控制方法，通过直线加减速的计算规划，容易对运动过程进行离散化；通过分段滤波，实现加速度的平滑过渡，防止运动过渡时出现冲击振动，而且可以根据具体的运动条件分别计算出加速和减速时的滤波长度，使运动更加合理，即使加速时间与减速时间相差较大，也不会出现过渡滤波的现象；对运动过程中出现的加加速度进行限制，通过极大化加加速度使机床在运动过程中能最大限度发挥其机械特性。
[0179]
显然，以上所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给了本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围。本发明可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关
的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。