基于FIR滤波器的数控系统倍率变化平滑控制方法及装置

摘要

本发明公开了一种基于FIR滤波器的数控系统倍率变化平滑控制方法及装置，该方法包括：获取数控机床参数和用户指令，根据参数和指令进行编译，编译完成后，根据设定的加减速类型做速度规划；接受用户的倍率输入指令以获取倍率值；通过FIR滤波器对倍率值进行平滑处理得到平滑后的倍率值；根据平滑处理后的倍率值计算插补时间增量，根据插补时间增量计算输出增量；根据输出增量，按比例对应到各个坐标轴得到各个坐标轴对应的增量，将各个坐标轴对应的增量输出到伺服驱动。该方法能够保证进给倍率发生变化时系统进给速度变化的平稳性和对倍率响应的快速性。

说明书

技术领域

本发明涉及数控系统技术领域，特别涉及一种基于FIR滤波器的数控系统倍率变化平滑控制方法及装置。

背景技术

数控系统(Computer Numerical Control System，简称CNC)是数控机床的核心控制装置，数控加工过程中的运动轨迹控制由数控系统完成。在数控机床的加工过程中，进给速度表示刀具与工件之间沿着切削进给方向的相对运动速度。进给速度不仅影响刀具的使用寿命，还会影响加工的表面质量、精度和效率。因此，数控机床需要提供较宽的进给速度调整范围，以便用户在实际加工过程中进行合理的选择。数控加工的实际进给速度值通常由NC程序中的F代码值和机床操作面板上的进给倍率开关共同确定。

数控机床在加工过程中，根据切削加工工艺过程以及加工质量反馈，实际进给速度通过机床操作面板的进给倍率开关进行调节，流程如下：

(1)倍率输入：在机床加工过程中，用户通过机床操作面板的进给倍率开关来调节倍率，通常可选的档位为0-200％；

(2)PLC程序获取倍率：机床的PLC程序通过扫描倍率转换开关的状态位置，并经过PLC程序编码指令运算得到倍率值，然后将此倍率值发送给数控系统。

(3)数控系统倍率控制实现：数控系统根据倍率值和进给速度F计算得到实际的进给速度，然后基于当前位置、当前速度、最大速度、最大加速度和终点位置，重新进行速度规划，然后将每一时刻的插补增量输出给伺服驱动器，如图1所示。

根据图中所示的数控机床加工过程中倍率控制实现的流程，一旦在加工过程中倍率发生改变，数控系统需要根据更改后的倍率重新计算得到新的进给速度，并依据当前位置、当前速度、最大速度、最大加速度和终点位置重新进行速度规划。

相关技术中，提出了一种在短时间内实现平滑的加减速和实现每次按微小的量使倍率变化的方法，能够实现对进给倍率的平滑，但是其依然需要在倍率改变时重新进行速度规划，并且需要对平滑后的进给倍率做阈值判断处理。综上，此类方法的缺点在于：

(1)在加工过程中，数控系统每改变一次倍率值，都需要重新获取当前位置等信息，然后根据新的进给速度重新进行速度规划，这种多次重复规划会导致数控系统计算负载的增大，影响运行和加工的效率。同时，复杂且重复的速度规划将影响倍率修改后系统响应的快速性，造成倍率的延迟响应。

(2)数控系统重新进行速度规划可能会导致进给速度不可达、运动学约束超限等问题。在速度规划阶段，数控系统根据指令速度F值及轮廓误差约束参数，已经预先对各段的加速、匀速和减速点位置进行规划，为满足速度连续性需求，前后段之间的转接速度需要保持相同。但是，如果在加工过程中倍率发生变化，数控系统将根据当前位置和速度等信息重新进行速度规划，可能会存在加速或减速距离不足的问题，导致无法在下一段起点处达到预先规划的速度，造成两段之间的速度突变，该速度突变会影响加工的表面质量。若要在加速或减速距离不足的情况下，使得下一段起点处速度仍可达，则数控系统需要在重新进行速度规划时采用更大的加速度，这可能会导致运动学约束超限。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种基于FIR滤波器的数控系统倍率变化平滑控制方法，该方法能够保证进给倍率发生变化时系统进给速度变化的平稳性和对倍率响应的快速性。

本发明的另一个目的在于提出一种基于FIR滤波器的数控系统倍率变化平滑控制装置。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于FIR滤波器的数控系统倍率变化平滑控制方法，包括：

获取数控机床参数和用户指令，根据所述参数和所述指令进行编译，编译完成后，根据设定的加减速类型做速度规划；

接受用户的倍率输入指令以获取倍率值；

通过FIR滤波器对所述倍率值进行平滑处理得到平滑后的倍率值；

根据所述平滑处理后的倍率值计算插补时间增量，根据所述插补时间增量计算输出增量；

根据所述输出增量，按比例对应到各个坐标轴得到各个坐标轴对应的增量，将所述各个坐标轴对应的增量输出到伺服驱动。

本发明实施例的基于FIR滤波器的数控系统倍率变化平滑控制方法。在加工过程中，当进给倍率发生改变，数控系统不需要重新进行速度规划，减轻了数控系统的计算负载；通过FIR滤波器平滑倍率并根据平滑后的倍率值改变插补时间增量，从而实现对实际进给速度的改变，实现倍率响应。该方法能够保证进给倍率发生变化时系统进给速度变化的平稳性和对倍率响应的快速性。

另外，根据本发明上述实施例的基于FIR滤波器的数控系统倍率变化平滑控制方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述加减速类型包括梯形加减速和S型加减速。

进一步地，在本发明的一个实施例中，通过FIR滤波器对所述倍率值进行平滑处理得到平滑后的倍率值，包括：

设定所述FIR滤波器的时间常数为L，对任意时间t，经过所述FIR滤波器平滑之后的倍率值为：

其中，ΔT为插补周期。

进一步地，在本发明的一个实施例中，根据所述平滑处理后的倍率值计算插补时间增量，根据所述插补时间增量计算输出增量，包括：

每一插补周期经过所述FIR滤波器平滑后的倍率值为K

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种基于FIR滤波器的数控系统倍率变化平滑控制装置，包括：

初始化模块，用于获取数控机床参数和用户指令，根据所述参数和所述指令进行编译，编译完成后，根据设定的加减速类型做速度规划；

指令接受模块，用于接受用户的倍率输入指令以获取倍率值；

处理模块，用于通过FIR滤波器对所述倍率值进行平滑处理得到平滑后的倍率值；

计算模块，用于根据所述平滑处理后的倍率值计算插补时间增量，根据所述插补时间增量计算输出增量；

输出模块，用于根据所述输出增量，按比例对应到各个坐标轴得到各个坐标轴对应的增量，将所述各个坐标轴对应的增量输出到伺服驱动。

本发明实施例的基于FIR滤波器的数控系统倍率变化平滑控制装置，在加工过程中，当进给倍率发生改变，数控系统不需要重新进行速度规划，减轻了数控系统的计算负载；通过FIR滤波器平滑倍率并根据平滑后的倍率值改变插补时间增量，从而实现对实际进给速度的改变，实现倍率响应。该装置能够保证进给倍率发生变化时系统进给速度变化的平稳性和对倍率响应的快速性。

另外，根据本发明上述实施例的基于FIR滤波器的数控系统倍率变化平滑控制装置还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述加减速类型包括梯形加减速和S型加减速。

进一步地，在本发明的一个实施例中，通过FIR滤波器对所述倍率值进行平滑处理得到平滑后的倍率值，包括：

设定所述FIR滤波器的时间常数为L，对任意时间t，经过所述FIR滤波器平滑之后的倍率值为：

其中，ΔT为插补周期。

进一步地，在本发明的一个实施例中，根据所述平滑处理后的倍率值计算插补时间增量，根据所述插补时间增量计算输出增量，包括：

每一插补周期经过所述FIR滤波器平滑后的倍率值为K

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为现有技术中的数控机床加工过程中倍率控制实现的流程图；

图2为根据本发明一个实施例的基于FIR滤波器的数控系统倍率变化平滑控制方法流程图；

图3为根据本发明一个实施例基于FIR滤波器的数控系统倍率变化平滑控制方法流程框图；

图4为根据本发明一个实施例的数控机床运行的整体流程图；

图5为根据本发明一个实施例的数控系统工作的流程图；

图6为根据本发明一个实施例的倍率控制效果图；

图7为根据本发明一个实施例的基于FIR滤波器的数控系统倍率变化平滑控制装置结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于FIR滤波器的数控系统倍率变化平滑控制方法及装置。

首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的基于FIR滤波器的数控系统倍率变化平滑控制方法。

图2为根据本发明一个实施例的基于FIR滤波器的数控系统倍率变化平滑控制方法流程图。

图3为根据本发明一个实施例基于FIR滤波器的数控系统倍率变化平滑控制方法流程框图。

如图2和图3所示，该基于FIR滤波器的数控系统倍率变化平滑控制方法包括以下步骤：

步骤S1，获取数控机床参数和用户指令，根据参数和指令进行编译，编译完成后，根据设定的加减速类型做速度规划。

通过数控系统获取数控机床的全部参数，包括PLC参数等，然后根据用户所输入的NC程序，进行编译。编译完成之后，数控系统根据设定的加减速类型做速度规划。数控系统常用的加减速类型为梯形加减速或S型加减速，插补周期为ΔT，则在加工某一行G代码的过程中，位置S和时间T的关系如下：S＝f(T)。

步骤S2，接受用户的倍率输入指令以获取倍率值。

在完成速度规划后，数控系统会在每个插补周期内按照各轴的增量进行输出。若用户在某一时刻通过操作面板改变了进给倍率，则PLC会通过扫描倍率转换开关的状态位置获取倍率值然后传输给数控系统。假设改变前的倍率值为K

步骤S3，通过FIR滤波器对倍率值进行平滑处理得到平滑后的倍率值。

在现有技术的方案中，倍率值会直接从K

由上式分析可知，(1)当倍率值K

步骤S4，根据平滑处理后的倍率值计算插补时间增量，根据插补时间增量计算输出增量。

根据步骤S1，如果采用原有的技术方案，则每一插补周期的插补时间增量为插补周期ΔT，在T+ΔT时刻系统的输出增量应该为f(T+ΔT)-f(T)。

采用本发明的方案，根据步骤S3可以获取到每一插补周期经过FIR滤波器平滑后的倍率值K

步骤S5，根据输出增量，按比例对应到各个坐标轴得到各个坐标轴对应的增量，将各个坐标轴对应的增量输出到伺服驱动。

根据步骤S4计算得到的系统输出增量，按照比例对应到各坐标轴，然后输出增量到伺服驱动。

结合图4和图5所示，通过一个具体实施例对基于FIR滤波器的数控系统倍率变化平滑控制方法进行详细描述。

加工段长为250mm，进给速度F＝1000mm/min＝16.67mm/s。在图6(a)为不改变倍率的速度曲线图，倍率为100％，其匀速段速度一直保持在16.67mm/s。图6(b)中起始运行时倍率为100％，随后倍率的变化为100％→150％→0→100％，每次的倍率改变量为10％。从图中可以得出，本方案能够实现当倍率发生改变时，进给速度均匀变化到目标速度的效果。

根据本发明实施例提出的基于FIR滤波器的数控系统倍率变化平滑控制方法，在加工过程中，当进给倍率发生改变，数控系统不需要重新进行速度规划，减轻了数控系统的计算负载；通过FIR滤波器平滑倍率并根据平滑后的倍率值改变插补时间增量，从而实现对实际进给速度的改变，实现倍率响应。该方法能够保证进给倍率发生变化时系统进给速度变化的平稳性和对倍率响应的快速性。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的基于FIR滤波器的数控系统倍率变化平滑控制装置。

图7为根据本发明一个实施例的基于FIR滤波器的数控系统倍率变化平滑控制装置结构示意图。

如图7所示，该基于FIR滤波器的数控系统倍率变化平滑控制装置包括：初始化模块701、指令接受模块702、处理模块703、计算模块704和输出模块705。

初始化模块701，用于获取数控机床参数和用户指令，根据参数和指令进行编译，编译完成后，根据设定的加减速类型做速度规划。

指令接受模块702，用于接受用户的倍率输入指令以获取倍率值。

处理模块703，用于通过FIR滤波器对倍率值进行平滑处理得到平滑后的倍率值。

计算模块704，用于根据平滑处理后的倍率值计算插补时间增量，根据插补时间增量计算输出增量。

输出模块705，用于根据输出增量，按比例对应到各个坐标轴得到各个坐标轴对应的增量，将各个坐标轴对应的增量输出到伺服驱动。

进一步地，在本发明的一个实施例中，加减速类型包括梯形加减速和S型加减速。

进一步地，在本发明的一个实施例中，通过FIR滤波器对倍率值进行平滑处理得到平滑后的倍率值，包括：

设定FIR滤波器的时间常数为L，对任意时间t，经过FIR滤波器平滑之后的倍率值为：

其中，ΔT为插补周期。

进一步地，在本发明的一个实施例中，根据平滑处理后的倍率值计算插补时间增量，根据插补时间增量计算输出增量，包括：

每一插补周期经过FIR滤波器平滑后的倍率值为K

需要说明的是，前述对方法实施例的解释说明也适用于该实施例的装置，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的基于FIR滤波器的数控系统倍率变化平滑控制装置，在加工过程中，当进给倍率发生改变，数控系统不需要重新进行速度规划，减轻了数控系统的计算负载；通过FIR滤波器平滑倍率并根据平滑后的倍率值改变插补时间增量，从而实现对实际进给速度的改变，实现倍率响应。该装置能够保证进给倍率发生变化时系统进给速度变化的平稳性和对倍率响应的快速性。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意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。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。