速度滤波产生的轨迹误差的控制方法、设备和存储介质与流程

1.本技术属于程序控制技术领域，具体涉及一种速度滤波产生的轨迹误差的控制方法。


背景技术：

2.随着造型复杂度的增加，很多产品设计采用曲线曲面造型，数控系统在进行加工过程中在运动段衔接处存在加速度突变，导致加工时机床产生振动，因此需要对速度进行平滑处理：一种处理方式是在运动段衔接处进行贝塞尔曲线拟合，此算法较为复杂，运算过程繁琐，并且在运动段与过渡段衔接处存在速度波动；另一种处理方式是将数控系统速度量低通滤波，消除其高频成分，使得速度变得平滑，加速度变得连续，从而抑制机床震动。其中，将数控系统速度量进行低通滤波时，通常是对单轴分别进行滤波，从而使得运动段在拐角处以及圆弧段上产生一定轨迹偏差，降低了加工精度。
3.综上所述，现有数控系统进行速度规划和插补处理后，存在由滤波导致轨迹偏差、以致于降低了现有数控系统加工精度的问题。


技术实现要素：

4.（一）要解决的技术问题鉴于现有技术的上述缺点、不足，本技术提供一种速度滤波产生的轨迹误差的控制方法、设备和可读存储介质。
5.（二）技术方案为达到上述目的，本技术采用如下技术方案：第一方面，本技术实施例提供一种速度滤波产生的轨迹误差的控制方法，用于待加工路径包括圆弧加工段和拐角加工段的数控系统中，该方法包括：s10、获取系统预设参数和待加工路径信息，所述系统预设参数包括滤波器参数、曲线误差、拐角误差，所述待加工路径信息包括圆弧曲率半径和运动衔接段夹角；s20、根据所述滤波器参数确定速度滤波器的滤波系数；s30、根据所述圆弧曲率半径、所述滤波系数和所述曲线误差确定圆弧最大规划速度，对加工刀具在所述圆弧加工段上的最大进给速度进行限制；s40、根据所述运动衔接段夹角、所述滤波系数和所述拐角误差确定拐角最大衔接规划速度，对所述加工刀具在所述拐角加工段的最大进给速度进行限制。
6.可选地，s40之后还包括：s50、以所述圆弧最大规划速度和所述拐角最大衔接规划速度作为速度规划的限制条件，对所述待加工路径进行速度规划以及插补；s60、通过所述速度滤波器对插补结果进行滤波，以控制伺服系统和执行机构进行加工。
7.可选地，s50中，使用s型加减速算法对所述待加工路径进行速度规划以及插补。
8.可选地，所述滤波器参数包括滤波器类型、滤波器阶数以及滤波器截止频率；s20包括：判断所述滤波器阶数是否满足预设的阶数限制关系；若是，所述滤波器参数生效，根据所述滤波器参数计算并更新所述滤波系数；若否，所述滤波器参数无效，所述速度滤波器维持原来状态不变。
9.可选地，所述阶数限制关系表示为：其中，ta为最大加减速时间，ts为插补周期，n为滤波器阶数的一半。
10.可选地，根据所述圆弧曲率半径、所述滤波系数和所述曲线误差确定圆弧最大规划速度的计算公式为：其中，δs为曲线误差，vs为圆弧最大规划速度，ts为插补周期，r为圆弧曲率半径，为滤波器系数，i=0,1,
…
, 2n，2n为滤波器阶数。
11.可选地，s40包括：s41、通过以下公式计算滤波时在拐角处的拐角最小误差：其中，δ
min
为拐角最小误差，a
max
为最大加速度，ts为采样周期，ta为最大加减速时间,θ为所述运动衔接段夹角；s42、判定预设的拐角误差是否大于所述拐角最小误差；s43、若是，通过以下公式计算拐角最大衔接规划速度vc：其中，δ
min
为拐角最小误差，δc为所述拐角误差，ts为插补周期，θ为所述运动衔接段夹角；若否，将拐角最大衔接规划速度置为零。
12.第二方面，本技术实施例提供一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上第一方面任一项所述的速度滤波产生的轨迹误差的控制方法的步骤。
13.第三方面，本技术实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上第一方面任一项所述的速度滤波产生的轨迹误差的控制方法的步骤。
14.（三）有益效果本技术的有益效果是：本技术提出了一种速度滤波产生的轨迹误差的控制方法、设备和可读存储介质，其中的方法用于待加工路径包括圆弧加工段和拐角加工段的数控系统中，具体包括：s10、获取系统预设参数和待加工路径信息，系统预设参数包括滤波器参数、曲线误差、拐角误差，待加工路径信息包括圆弧曲率半径和运动衔接段夹角；s20、根据滤波器参数确定速度滤波器的滤波系数；s30、根据圆弧曲率半径、滤波系数和曲线误差确定圆弧最大规划速度，对加工刀具在圆弧加工段上的最大进给速度进行限制；s40、根据运动衔接段夹角、滤波系数和拐角误差确定拐角最大衔接规划速度，对加工刀具在拐角加工段的最大进给速度进行限制。
15.本技术提出的控制方法有效减少滤波引起的误差，从而将滤波引起的误差控制在给定范围内，确保了滤波后的拐角误差以及曲线误差满足加工要求，提高了加工精度，并且加工时间较短。
附图说明
16.本技术借助于以下附图进行描述：图1为本技术一个实施例中的速度滤波产生的轨迹误差的控制方法流程示意图；图2为本技术一个实施例中的运动衔接段夹角示意图；图3为本技术另一个实施例中的速度滤波产生的轨迹误差的控制方法流程示意图；图4为本技术另一个实施例中的未滤波轨迹、滤波未采用本发明轨迹以及滤波采用本发明轨迹拐角误差对比示例图；图5为本技术另一个实施例中的未滤波轨迹、滤波未采用本发明轨迹以及滤波采用本发明轨迹圆弧误差对比示例图；图6为本技术再一实施例中的电子设备的架构示意图。
具体实施方式
17.为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。可以理解的是，以下所描述的具体的实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合；为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
18.本方法应用于计算机数控（computerized numerical control ，cnc）系统中，可在cnc系统的主控设备中执行。具体地，cnc系统可以是数控机床，待加工路径包括圆弧加工段和拐角加工段。
19.实施例一图1为本技术一个实施例中的速度滤波产生的轨迹误差的控制方法流程示意图，如图1所示，本实施例的速度滤波产生的轨迹误差的控制方法包括：s10、获取系统预设参数和待加工路径信息，所述系统预设参数包括滤波器参数、曲线误差、拐角误差，所述待加工路径信息包括圆弧曲率半径和运动衔接段夹角；s20、根据所述滤波器参数确定速度滤波器的滤波系数；
s30、根据所述圆弧曲率半径、所述滤波系数和所述曲线误差确定圆弧最大规划速度，对加工刀具在所述圆弧加工段上的最大进给速度进行限制；s40、根据所述运动衔接段夹角、所述滤波系数和所述拐角误差确定拐角最大衔接规划速度，对所述加工刀具在所述拐角加工段的最大进给速度进行限制。
20.本实施例的速度滤波产生的轨迹误差的控制方法，通过对数控加工过程中的进给速度约束值进行计算，从而限制圆弧和拐角的进给速度，有效减少了滤波引起的误差，将滤波引起的误差控制在给定范围内，确保了滤波后的拐角误差以及曲线误差满足加工要求，提高了加工精度，并且加工时间较短。
21.为了更好地理解本发明，以下对本实施例中的各步骤进行展开说明。
22.本实施例中，速度滤波器为低通滤波器，用于对速度进行滤波，以消除其中的高频加速度信号，减小差分计算引入的误差对输出结果的影响，具体地，可采用fir数字低通滤波器对加速度进行滤波处理。
23.本实施例s10中，滤波器参数包括滤波器类型、滤波器阶数以及滤波器截止频率。
24.拐角是加工路径中不在同一直线上的两个相邻小直线段的连接点。插补是机床数控系统依照设定方法确定刀具运动轨迹的过程，即按照某种算法计算已知点之间的中间点的方法，也被称为“数据点的密化”。曲线误差是在加工圆弧过程中实际的加工轨迹与圆弧的最大距离偏差，拐角误差是指在加工拐角过程中实际加工轨迹与拐角顶点的最小距离。
25.圆弧曲率半径和运动衔接段夹角是数控系统根据待加工工件的几何信息确定。
26.运动衔接段夹角是前运动段终点切向量与下一运动段起点切向量构成的夹角的补角，图2为本技术一个实施例中的运动衔接段夹角示意图，如图2所示，箭头方向为运动方向，为前运动段终点切向量，为下运动段起始点切向量，所示夹角即为运动衔接段夹角。
27.本实施例中，s20包括：判断所述滤波器阶数是否满足预设的阶数限制关系；若是，所述滤波器参数生效，根据所述滤波器参数计算并更新所述滤波系数；若否，所述滤波器参数无效，所述速度滤波器维持原来状态不变。
28.具体地，阶数限制关系表示为如下公式（1）：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）其中，ta为最大加减速时间，ts为插补周期，n为滤波器阶数的一半。
29.需要说明的是，最大加减速时间以及插补周期均为数控系统初始化时给定参数。
30.本实施例s30中，根据所述圆弧曲率半径、所述滤波系数和所述曲线误差确定圆弧最大规划速度，计算公式如公式（2）所示：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2）其中，δs为曲线误差，vs为圆弧最大规划速度，ts为插补周期，r为圆弧曲率半径，为滤波器系数，i=0,1,
…
, 2n，2n为滤波器阶数。
31.本实施例中，s40包括：s41、通过公式（3）计算滤波时在拐角处的拐角最小误差为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（3）其中，δ
min
为拐角最小误差，a
max
为最大加速度，ts为采样周期，ta为最大加减速时间,θ为所述运动衔接段夹角；s42、判定预设的拐角误差是否大于所述拐角最小误差；s43、若是，通过公式（4）计算拐角最大衔接规划速度vc：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（4）其中，δ
min
为拐角最小误差，δc为所述拐角误差，ts为插补周期，θ为所述运动衔接段夹角；若否，将拐角最大衔接规划速度置为零。
32.本实施例中，圆弧最大规划速度和拐角最大衔接规划速度均通过滤波参数进行限定，降低了相应的规划速度，从而提高加工精度。
33.本实施例中，s40之后还包括：s50、以所述圆弧最大规划速度和所述拐角最大衔接规划速度作为速度规划的限制条件，对所述待加工路径进行速度规划以及插补；s60、通过所述速度滤波器对插补结果进行滤波，以控制伺服系统和执行机构进行加工。
34.本实施例s50中，可以使用s型加减速算法对所述待加工路径进行速度规划以及插补。
35.需要说明的是，上述的s型加减速算法仅仅是示例性的说明，在其他一些实施例中也可以采用其他算法，例如直线加减速算法、指数加减速算法，本实施例并不构成对加减速算法的具体限定。
36.实施例二本实施例的执行主体可以是数控系统的控制模块，控制模块可以包括存储器和处理器，在其他一些实施例中执行主体还可以是其他可实现相同或相似功能的电子设备，本实施例对此不加以限制。
37.图3为本技术另一个实施例中的速度滤波产生的轨迹误差的控制方法流程示，本实施例在实施例一的基础上，对本实施例的具体实现过程进行了详细说明。以下结合图3对本实施例方法的步骤进行具体说明。
38.步骤s1、初始化参数。
39.初始化参数包括以下几个内容：初始化系统的插补周期、最大加速度、最大速度、最大加减速时间、曲线误差以及拐角误差等参数；通过系统接口输入滤波器参数，包括滤波器类型、滤波器阶数以及滤波器截止频率。在接收到滤波器参数后，需要首先根据公式（1）判定滤波器阶数是否满足以下条件。
40.若滤波阶数满足条件，输入滤波参数生效，根据输入滤波参数计算并更新滤波器系数。若不满足条件，输入滤波参数无效，滤波器维持原来状态不变。
41.步骤s2、通过给定误差限制圆弧最大规划速度，拐角衔接规划速度。
42.系统对加工图形进行处理时，将加工图形分为多段运动段，运动段由直线进给以及圆弧进给构成。而滤波引起的轨迹误差只在加工段的两个部分产生，一部分是圆弧进给，在对圆弧进给进行滤波时，圆弧轨迹会产生内缩现象。另外一部分是在拐角处，滤波会使得拐角处尖角变得平滑。此时只需要在规划插补前通过误差限制圆弧最大规划速度以及拐角的衔接规划速度，插补后的位置点即能约束在给定误差范围内。其具体步骤如下：步骤b1、对圆弧的最大规划速度进行限制，即运动段为圆弧进给时，包括：计算圆弧曲率半径等几何特征；根据圆弧曲率半径、滤波器系数以及系统输入曲线误差计算圆弧最大规划速度。计算公式如实施例一中的公式（2）所示，此处不再展开描述。
43.步骤b2，对拐角处的最大衔接速度进行限制，具体为：步骤b2-1, 通过公式（3）先计算滤波时在拐角处的拐角最小误差；步骤b2-2，判定系统输入拐角误差是否大于步骤b2-1中计算得到的拐角最小误差，若是，通过公式（4）计算拐角最大衔接规划速度；若否，将拐角衔接规划速度置为零。
44.步骤s3、以圆弧最大规划速度以及拐角最大衔接规划速度作为速度规划的限制条件，对整个加工段进行速度规划以及插补。
45.步骤s4、对插补点进行速度滤波并输出滤波后的点。
46.本发明的以计算机辅助制造(computer aided manufacturing，cam)处理实施方式为实施例，有如下g代码（g-code，数控编程语言）：g00 x0 y0，g01 x5 y10，g01 x10 y0，其他部分参数设置如下：插补周期：0.001s，最大加速度：1000mm/s^2，最大速度：500mm/s，拐角精度：0.01mm，图4为本技术另一个实施例中的未滤波轨迹、滤波未采用本发明轨迹以及滤波采用本发明轨迹拐角误差对比示例图其中，横轴为加工平面x轴，纵轴为加工平面y轴。如图4所示，在误差限制条件为0.01mm时，在未使用本发明时，实际加工轨迹与未加滤波时的轨迹拐角处误差约为0.02mm，超过了给定的误差限制，使用本发明方法后，最终插补滤波后得到拐角的限制精度为0.01mm,达到给定拐角精度要求。
47.给出另一组g代码，如下：g00 x0 y0，g02 x20 y0 i10 j0，g02 x0 y0 i-10 j0，其他部分参数设置如下：
插补周期：0.001s，最大加速度：1000mm/s^2，最大速度：500mm/s，曲线精度：0.05mm，图5为本技术另一个实施例中的未滤波轨迹、滤波未采用本发明轨迹以及滤波采用本发明轨迹圆弧误差对比示例图，其中，横轴为加工平面x轴，纵轴为加工平面y轴。如图5所示，在误差限制条件为0.05mm时，在未使用本发明时，实际加工轨迹与未加滤波时的轨迹拐角处误差约为0.25mm，超过了给定的误差限制，使用本发明方法后，最终插补滤波后得到拐角的限制精度为0.05mm,达到给定拐角精度要求。
48.本实施例通过系统接口输入滤波参数，根据滤波参数计算滤波系数，根据滤波系数以及系统接口输入的曲线精度对圆弧进给的最大规划速度进行限制，根据滤波系数以及系统接口输入的拐角精度对拐角的衔接规划速度进行限制。然后对运动段进行规划插补，通过滤波输出位置点。采用该数控系统中通过限制规划速度控制滤波误差的方法，有效控制滤波引起的轨迹误差，解决了滤波后产生的误差精度不可控的问题。
49.实施例三本技术第三方面通过实施例三提供了一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上实施例中任意一项所述的速度滤波产生的轨迹误差的控制方法的步骤。
50.图6为本技术再一实施例中的电子设备的架构示意图。
51.图6所示的电子设备可包括：至少一个处理器101、至少一个存储器102、至少一个网络接口104和其他的用户接口103。电子设备中的各个组件通过总线系统105耦合在一起。可理解，总线系统105用于实现这些组件之间的连接通信。总线系统105除包括数据总线之外，还包括电源总线、控制总线和状态信号总线。但是为了清楚说明起见，在图6中将各种总线都标为总线系统105。
52.其中，用户接口103可以包括显示器、键盘或者点击设备(例如，鼠标，轨迹球(trackball) 或者触感板等。
53.可以理解，本实施例中的存储器102可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(read-only memory，rom)、可编程只读存储器 (programmable rom，prom)、可擦除可编程只读存储器(erasable prom，eprom)、电可擦除可编程只读存储器(electrically eprom，eeprom)或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器(random access memory，ram)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的ram可用，例如静态随机存取存储器(static ram，sram)、动态随机存取存储器 (dynamic ram，dram)、同步动态随机存取存储器(synchronous dram，sdram)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(double data rate sdram，ddrsdram)、增强型同步动态随机存取存储器(enhanced sdram，esdram)、同步连接动态随机存取存储器(sync link dram，sldram)和直接内存总线随机存取存储器(direct rambus ram，drram)。本文描述的存储器102旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
54.在一些实施方式中，存储器102存储了如下的元素，可执行单元或者数据结构，或
者他们的子集，或者他们的扩展集：操作系统1021和应用程序1022。
55.其中，操作系统1021，包含各种系统程序，例如框架层、核心库层、驱动层等，用于实现各种基础业务以及处理基于硬件的任务。应用程序1022，包含各种应用程序，用于实现各种应用业务。实现本发明实施例方法的程序可以包含在应用程序1022中。
56.在本发明实施例中，处理器101通过调用存储器102存储的程序或指令，具体的，可以是应用程序1022中存储的程序或指令，处理器101用于执行第一方面所提供的方法步骤。
57.上述本发明实施例揭示的方法可以应用于处理器101中，或者由处理器101实现。处理器101可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器101中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器101可以是通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路、现成可编程门阵列或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件单元组合执行完成。软件单元可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器102，处理器101读取存储器102中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
58.另外，结合上述实施例中的速度滤波产生的轨迹误差的控制方法，本发明实施例可提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上方法实施例中的任意一种速度滤波产生的轨迹误差的控制方法。
59.应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何附图标记理解成对权利要求的限制。词语“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。词语第一、第二、第三等的使用，仅是为了表述方便，而不表示任何顺序。可将这些词语理解为部件名称的一部分。
60.此外，需要说明的是，在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
61.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域的技术人员在得知了基本创造性概念后，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，权利要求应该解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
62.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也应该包含这些修改和变型在内。