一种五轴RTCP速度加速度约束和规划的方法和系统

技术领域

本发明涉及的是数控加工领域，特别涉及一种五轴RTCP速度加速度约束和规划的方法和系统。

背景技术

传统五轴数控系统一般使用刀尖点进行速度规划，会以单个轨迹段(直线、圆弧等)作为规划单元，在各轴速度控制时，旋转轴会跟随直线轴插补，RTCP(刀具中心点控制)运动过程中，在直线轴运动很小旋转轴运动剧烈的位置很容易造成各轴速度和加速度剧烈变化，甚至失控；速度规划时，RTCP运动过程中速度加速度极值点的计算通常采用控制点差分近似计算，造成计算精度低，运算量大。传统方法一般只给出了RTCP过程刀尖点和控制点位置层面的正反解，在RTCP运动过程中各轴速度和加速度约束困难的问题，其中包括：

1.RTCP运动过程中，由于旋转轴会跟随直线轴插补，在直线轴运动很小旋转轴运动剧烈的位置很容易造成各轴速度和加速度剧烈变化，甚至失控。

2.以单个轨迹段(直线、圆弧等)作为规划单元，当速度、加速度极值点出现在轨迹段内部时，需要牺牲整体轨迹的速度，约束各轴，影响加工效率。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种五轴RTCP速度加速度约束和规划的方法。

为了解决上述技术问题，本申请实施例公开了如下技术方案：

一种五轴RTCP速度加速度约束和规划的方法，包括：

S100.获取刀尖点轨迹类型、定义域、期望速度基础信息，至少包括直线、圆弧、样条曲线；

S200.根据轨迹段的期望速度、插补周期和相邻轨迹片夹角动态调整，生成刀尖点轨迹的轨迹片信息；

S300.根据生成的刀尖点轨迹的轨迹片信息，按第一预设规则，对轨迹片插补长度进行计算；

S400.按第二预设规则，对轨迹片首末最大允许速度进行计算；

S500.按第三预设规则，对轨迹片首末点最大允许切向加速度进行计算；

S600.根据获取轨迹片的轨迹片插补长度、轨迹片首末最大允许速度进行计算和轨迹片首末点最大允许切向加速度，对所有轨迹片速度加速度进行约束和规划。

进一步地，S200中，生成刀尖点轨迹的轨迹片信息的具体方法包括：

S201.获取一段插补轨迹，期望插补速度为Ve，定义域为[a,b]；

S202.计算轨迹总插补长度S，每次轨迹片生成形参增量Ua＝(b-a)*T/S；其中，T为插补周期；

S203.获取当前轨迹片起始形参Us＝a，插补速度V0＝Ve；判断Us+2Ua*V0是否大于b；当Us+2Ua*V0大于b时，当前轨迹片终点形参Ue＝b；当Us+2Ua*V0不大于b时，当前轨迹片终点形参Ue＝Uc+Ua*V0；

S204.计算轨迹片终点形参Ue处刀具控制点坐标，计算前段轨迹片与当前轨迹片三点的形参夹角θ，并判断形参夹角θ是否大于预设阈值，当形参夹角θ大于预设阈值时，生成定义域为[Us，Ue]的轨迹片；当形参夹角θ不大于预设阈值时，对轨迹片终点形参进行更新Ue＝(Us+Ue)/2，重新执行S204；

S205.判断生成定义域为[Us，Ue]的轨迹片中的终点Ue是否等于b，若定义域为[Us，Ue]的轨迹片中的终点Ue等于b，则流程结束；若定义域为[Us，Ue]的轨迹片中的终点Ue不等于b，则对当前轨迹片起始形参Us进行更新Us＝Ue，重新执行S203。

进一步地，S200中，轨迹片生成过程中，会计算向心加速度约束下的最大允许进给速度，其中第i个轨迹点处的曲率由第i-1、i和i+1三个点组成的圆的曲率计算得到，第i点向心加速度由三点圆上的向心加速度求解；并且轨迹片生成时满足每个轨迹至少对应一个轨迹片段和单个轨迹片段是单个轨迹的一部分，不可同时位于两段轨迹上。

进一步地，S300中，轨迹片插补长度用刀尖点轨迹计算，等于所有轴的平方和开方，当五轴设备为五轴CA结构双摆头机床时，第一预设规则包括：

定义任意轨迹片对应定义域为[a,b]，轨迹片上的数学表示为：

则插补长度：

其中，f'

三次样条插补长度使用数值方法求解：

定义

其中,

进一步地，S400中，RTCP运动过程中，刀具控制点各轴速度可以由其对应刀尖点的速度矢量表示，当五轴设备为五轴CA结构双摆头机床时，第二预设规则包括：

S401.定义刀尖点轨迹上任意一点M，使用轨迹信息求解刀尖点位置和一阶导数；

S402.根据刀尖点位置、一阶导数、RTCP参数求对应控制点的速度矢量；

S403.根据刀尖点轨迹上任意一点M处期望插补速度、刀尖点速度矢量、控制点速度矢量和各轴速度约束，求此处最大允许插补速度。

进一步地，S402中，根据刀尖点位置、一阶导数、RTCP参数求对应控制点的速度矢量的具体方法包括：

定义运算符Rot(V，Vc，θ)表示矢量V绕矢量Vc旋转θ角度后的矢量；运算符Cross(V，Vc)表示矢量V叉乘矢量Vc；运算符nomalize(V)表示矢量V的单位矢量；运算符Rad(θ)表示将θ角由角度转为弧度，运算符abs(x)表示求x的绝对值；运算符min(a，b，c，...)表示取序列a，b，c，...中的最小值；

定义刀尖点轨迹上任意一点M(X

第五轴(A轴)旋转引起的直线轴速度补偿矢量V

第五轴旋转中心到点M的矢量V

矢量V

第五轴速度补偿矢量方向:V

第五轴矢量补偿大小由角速度转化为线速度计算得到，表示为：

则速度补偿矢量大小F

第五轴旋转后的矢量V'

第四轴旋转影响第五轴速度矢量补偿方向，第五轴合成速度补偿矢量V

V

第四轴(C轴)旋转中心到点M的矢量V

矢量V

第四轴速度补偿矢量方向:

V

则速度补偿矢量大小F

第四轴合成速度补偿矢量V

点M处控制点的各轴速度矢量V

S403根据S402，计算单位插补速度矢量大小:

单位刀尖点速度矢量大小，由主动轴速度矢量平方和组成，通常XYZCA都为主动轴：

期望速度F

设各轴允许最大速度为V

上式中，分母为0时，分数结果为无穷大。

进一步地，S500中，第三预设规则包括：定义机床各轴最大允许加速度为A

上式中，分母为0时，分数结果为无穷大。

进一步地，S600中，对所有轨迹片进行合理柔性加减速规划，并生成各轴每个周期运动的速度数据；经过处理后的每个轨迹片包含了加减速规划的基本信息，包括：轨迹片长度、期望速度、首末最大允许速度、首末最大允许加速度、加减速参数。

本发明还公开了一种五轴RTCP速度加速度约束和规划的系统，包括：刀尖点轨迹获取单元、轨迹片生成单元、轨迹片长度计算单元、轨迹片速度计算单元、轨迹片加速度计算单元和轨迹片整体速度规划单元；其中：

刀尖点轨迹获取单元，用于获取刀尖点轨迹类型、定义域、期望速度基础信息，至少包括直线、圆弧、样条曲线；

轨迹片生成单元，用于根据轨迹段的期望速度、插补周期和相邻轨迹片夹角动态调整，生成刀尖点轨迹的轨迹片信息；

轨迹片长度计算单元，用于按第一预设规则，对轨迹片插补长度进行计算；

轨迹片速度计算单元，用于按第二预设规则，对轨迹片首末点最大允许切向加速度进行计算；

轨迹片加速度计算单元，用于按第三预设规则，对轨迹片首末点最大允许切向加速度进行计算；

轨迹片整体速度规划单元，用于根据获取轨迹片的轨迹片插补长度、轨迹片首末最大允许速度进行计算和轨迹片首末点最大允许切向加速度，对所有轨迹片速度加速度进行约束和规划。

本发明还公开了一种电子设备，包括：

存储器，用于存储可由处理器执行的指令；

处理器，用于执行指令以实现一种五轴RTCP速度加速度约束和规划的方法。

本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：

本发明公开了一种五轴RTCP速度加速度约束和规划的方法和系统，所述方法包括：获取刀尖点轨迹类型、定义域、期望速度基础信息，至少包括直线、圆弧、样条曲线；根据轨迹段的期望速度、插补周期和相邻轨迹片夹角动态调整，生成刀尖点轨迹的轨迹片信息；根据生成的刀尖点轨迹的轨迹片信息，按第一预设规则，对轨迹片插补长度进行计算；按第二预设规则，对轨迹片首末最大允许速度进行计算；按第三预设规则，对轨迹片首末点最大允许切向加速度进行计算；根据获取轨迹片的轨迹片插补长度、轨迹片首末最大允许速度进行计算和轨迹片首末点最大允许切向加速度，对所有轨迹片速度加速度进行约束和规划。本发明采用轨迹片的思想对RTCP整个过程进行速度规划，解决RTCP过程中速度极值点计算困难和轨迹段内速度极值点无法精确规划问题，提高计算精度，简化复杂度。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例1中，一种五轴RTCP速度加速度约束和规划的方法的流程图；

图2为本发明实施例1中，生成刀尖点轨迹的轨迹片信息的流程图；

图3为本发明实施例1中，对轨迹片插补长度进行计算的流程图；

图4为本发明实施例1中，对应控制点的速度矢量求解示意图；

图5为本发明实施例2中，一种五轴RTCP速度加速度约束和规划的系统的结构图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

为了解决现有技术中存在的问题，本发明实施例提供一种五轴RTCP速度加速度约束和规划的方法和系统。

实施例1

本实施例公开了一种五轴RTCP速度加速度约束和规划的方法，如图1，包括：

S100.获取刀尖点轨迹类型、定义域、期望速度基础信息，至少包括直线、圆弧、样条曲线；具体的，刀尖轨迹法，依靠刀尖的运动轨迹获得形状精度的方法称为轨迹法。即让刀具相对于工件作有规律的运动，以其刀尖轨迹获得所要求的表面几何形状。刀尖的运动轨迹取决于刀具和工件的相对成形运动，因而所获得的形状精度取决于成形运动的精度。数控车床、数控铣床，普通车削、铣削、刨削和磨削等均属轨迹法。

S200.根据轨迹段的期望速度、插补周期和相邻轨迹片夹角动态调整，生成刀尖点轨迹的轨迹片信息；

在本实施例S200中，如图2，生成刀尖点轨迹的轨迹片信息的具体方法包括：

S201.获取一段插补轨迹，期望插补速度为Ve，定义域为[a,b]；

S202.计算轨迹总插补长度S，每次轨迹片生成形参增量Ua＝(b-a)*T/S；其中，T为插补周期；

S203.获取当前轨迹片起始形参Us＝a，插补速度V0＝Ve；判断Us+2Ua*V0是否大于b；当Us+2Ua*V0大于b时，当前轨迹片终点形参Ue＝b；当Us+2Ua*V0不大于b时，当前轨迹片终点形参Ue＝Uc+Ua*V0；

S204.计算轨迹片终点形参Ue处刀具控制点坐标，计算前段轨迹片与当前轨迹片三点的形参夹角θ，并判断形参夹角θ是否大于预设阈值，当形参夹角θ大于预设阈值时，生成定义域为[Us，Ue]的轨迹片；当形参夹角θ不大于预设阈值时，对轨迹片终点形参进行更新Ue＝(Us+Ue)/2，重新执行S204，本实施例中优选阈值为170°；

S205.判断生成定义域为[Us，Ue]的轨迹片中的终点Ue是否等于b，若定义域为[Us，Ue]的轨迹片中的终点Ue等于b，则流程结束；若定义域为[Us，Ue]的轨迹片中的终点Ue不等于b，则对当前轨迹片起始形参Us进行更新Us＝Ue，重新执行S203。

在一些优选实施例的S200中，轨迹片生成过程中，会计算向心加速度约束下的最大允许进给速度，其中第i个轨迹点处的曲率由第i-1、i和i+1三个点组成的圆的曲率计算得到，第i点向心加速度由三点圆上的向心加速度求解；并且轨迹片生成时满足每个轨迹至少对应一个轨迹片段和单个轨迹片段是单个轨迹的一部分，不可同时位于两段轨迹上。

在本实施例中，负责生成刀尖点轨迹的轨迹片信息，一个轨迹片包含刀尖点插补轨迹上的速度规划信息描述，每个轨迹片生成时会根据轨迹段的期望速度、插补周期和相邻轨迹片夹角动态调整生成轨迹片长度，以此方式生成的轨迹片的优点有：

1.轨迹片长度与插补周期和插补速度挂钩，可保证速度规划运算的计算负载。

2.在曲率小的位置，会均匀的生成轨迹片；在曲率大的位置生成的轨迹片会变密，从而提高速度极值点计算精度。

3.使用处理后的每个轨迹片数据能提升三次样条二分插补算法的收敛速度。

S300.根据生成的刀尖点轨迹的轨迹片信息，按第一预设规则，对轨迹片插补长度进行计算；

在本实施例的S300中，轨迹片插补长度用刀尖点轨迹计算，等于所有轴的平方和开方，当五轴设备为五轴CA结构双摆头机床时，第一预设规则包括：

定义任意轨迹片对应定义域为[a,b]，轨迹片上的数学表示为：

则插补长度：

其中，f'

三次样条插补长度使用数值方法求解：

定义

其中,

S400.按第二预设规则，对轨迹片首末最大允许速度进行计算；在本实施例的S400中，RTCP运动过程中，刀具控制点各轴速度可以由其对应刀尖点的速度矢量表示，当五轴设备为五轴CA结构双摆头机床时，如图3，第二预设规则包括：

S401.定义刀尖点轨迹上任意一点M，使用轨迹信息求解刀尖点位置和一阶导数；

S402.根据刀尖点位置、一阶导数、RTCP参数求对应控制点的速度矢量；在本实施例的S402中，如图4，根据刀尖点位置、一阶导数、RTCP参数求对应控制点的速度矢量的具体方法包括：

定义运算符Rot(V，Vc，θ)表示矢量V绕矢量Vc旋转θ角度后的矢量；运算符Cross(V，Vc)表示矢量V叉乘矢量Vc；运算符nomalize(V)表示矢量V的单位矢量；运算符Rad(θ)表示将θ角由角度转为弧度，运算符abs(x)表示求x的绝对值；运算符min(a，b，c，...)表示取序列a，b，c，...中的最小值；

定义刀尖点轨迹上任意一点M(X

第五轴(A轴)旋转引起的直线轴速度补偿矢量V

第五轴旋转中心到点M的矢量V

矢量V

第五轴速度补偿矢量方向:V

第五轴矢量补偿大小由角速度转化为线速度计算得到，表示为：

则速度补偿矢量大小F

第五轴旋转后的矢量V'

第四轴旋转影响第五轴速度矢量补偿方向，第五轴合成速度补偿矢量V

V

第四轴(C轴)旋转中心到点M的矢量V

矢量V

第四轴速度补偿矢量方向:

V

则速度补偿矢量大小F

第四轴合成速度补偿矢量V

点M处控制点的各轴速度矢量V

S403.根据刀尖点轨迹上任意一点M处期望插补速度、刀尖点速度矢量、控制点速度矢量和各轴速度约束，求此处最大允许插补速度。

S500.按第三预设规则，对轨迹片首末点最大允许切向加速度进行计算；在本实施例的S500中，第三预设规则包括：定义机床各轴最大允许加速度为A

上式中，分母为0时，分数结果为无穷大。

S600.根据获取轨迹片的轨迹片插补长度、轨迹片首末最大允许速度进行计算和轨迹片首末点最大允许切向加速度，对所有轨迹片速度加速度进行约束和规划。具体的，整体速度规划是对所有轨迹片进行合理柔性(S型或SS型)加减速规划，并生成各轴每个周期运动的速度数据。经过处理后的每个轨迹片包含了加减速规划的基本信息，包括：轨迹片长度、期望速度、首末最大允许速度、首末最大允许加速度、加减速参数。使用轨迹片进行速度规划与传统三轴加减速类似，本实施例再此不在进行介绍。

本实施例公开了一种五轴RTCP速度加速度约束和规划的方法和系统，包括：获取刀尖点轨迹类型、定义域、期望速度基础信息，至少包括直线、圆弧、样条曲线；根据轨迹段的期望速度、插补周期和相邻轨迹片夹角动态调整，生成刀尖点轨迹的轨迹片信息；根据生成的刀尖点轨迹的轨迹片信息，按第一预设规则，对轨迹片插补长度进行计算；按第二预设规则，对轨迹片首末最大允许速度进行计算；按第三预设规则，对轨迹片首末点最大允许切向加速度进行计算；根据获取轨迹片的轨迹片插补长度、轨迹片首末最大允许速度进行计算和轨迹片首末点最大允许切向加速度，对所有轨迹片速度加速度进行约束和规划。本发明采用轨迹片的思想对RTCP整个过程进行速度规划，解决RTCP过程中速度极值点计算困难和轨迹段内速度极值点无法精确规划问题，提高计算精度，简化复杂度。

实施例2

基于实施例1中的一种五轴RTCP速度加速度约束和规划的方法，本实施例公开了一种五轴RTCP速度加速度约束和规划的系统，如图5，包括：刀尖点轨迹获取单元、轨迹片生成单元、轨迹片长度计算单元、轨迹片速度计算单元、轨迹片加速度计算单元和轨迹片整体速度规划单元；其中：

刀尖点轨迹获取单元，用于获取刀尖点轨迹类型、定义域、期望速度基础信息，至少包括直线、圆弧、样条曲线；

轨迹片生成单元，用于根据轨迹段的期望速度、插补周期和相邻轨迹片夹角动态调整，生成刀尖点轨迹的轨迹片信息；

轨迹片长度计算单元，用于按第一预设规则，对轨迹片插补长度进行计算；

轨迹片速度计算单元，用于按第二预设规则，对轨迹片首末点最大允许切向加速度进行计算；

轨迹片加速度计算单元，用于按第三预设规则，对轨迹片首末点最大允许切向加速度进行计算；

轨迹片整体速度规划单元，用于根据获取轨迹片的轨迹片插补长度、轨迹片首末最大允许速度进行计算和轨迹片首末点最大允许切向加速度，对所有轨迹片速度加速度进行约束和规划。

其中，本实施公开的对轨迹片插补长度进行计的第一预设规则、对轨迹片首末点最大允许切向加速度进行计算的第二预设规则和对轨迹片首末点最大允许切向加速度进行计算的第三预设规则已在实施例1中进行了详细记载，本实施例再此不在进行赘述。

本实施例还公开了一种电子设备，包括：

存储器，用于存储可由处理器执行的指令；

处理器，用于执行指令以实现实施例1中的一种五轴RTCP速度加速度约束和规划的方法。

应该明白，公开的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本公开的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于所述的特定顺序或层次。

在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本发明处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本发明单独的优选实施方案。

本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。

结合本文的实施例所描述的方法或者算法的步骤可直接体现为硬件、由处理器执行的软件模块或其组合。软件模块可以位于RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、移动磁盘、CD-ROM或者本领域熟知的任何其它形式的存储介质中。一种示例性的存储介质连接至处理器，从而使处理器能够从该存储介质读取信息，且可向该存储介质写入信息。当然，存储介质也可以是处理器的组成部分。处理器和存储介质可以位于ASIC中。该ASIC可以位于用户终端中。当然，处理器和存储介质也可以作为分立组件存在于用户终端中。

对于软件实现，本申请中描述的技术可用执行本申请所述功能的模块(例如，过程、函数等)来实现。这些软件代码可以存储在存储器单元并由处理器执行。存储器单元可以实现在处理器内，也可以实现在处理器外，在后一种情况下，它经由各种手段以通信方式耦合到处理器，这些都是本领域中所公知的。

上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。