基于動力學的自適應多段回溯前推實時速度規劃算法開發
電子技術應用
謝翰君1，王林2，王欽若1
1.廣東工業大學 自動化學院，廣東 廣州 510000；2.國工信（滄州）機器人有限公司，河北 滄州 061000
摘要： 為了提高微小線段的加工精度和效率，提出一種實時速度規劃算法。該算法由兩部分組成：針對剛柔耦合、重負載平臺在數控運動中的抖動問題，提出基于動力學的初步規劃算法，以優化短線段的實際加速度，提高運動的平穩性；針對單段回溯前推算法對于微小直線/圓弧加工效率不高的問題，提出基于動力學的自適應多段回溯前推速度規劃算法，以提升加工效率。在基于PC的實時控制器和龍門雙驅XY激光切割平臺上進行了測試，并將該算法與自適應速率算法和單段回溯前推算法進行了比較。結果表明，所提算法在加工質量和加工效率方面均有所提高。此外，該算法簡單有效，適用于高實時性的應用環境。
關鍵詞：數控系統；速度規劃；動力學；回溯前推算法；龍門雙驅
中圖分類號：TP13 文獻標志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.234117
中文引用格式： 謝翰君，王林，王欽若. 基于動力學的自適應多段回溯前推實時速度規劃算法開發[J]. 電子技術應用，2023，49(12)：120-126.
英文引用格式： Xie Hanjun，Wang Lin，Wang Qinruo. Development of a dynamics-based adaptive multi-segment look-ahead real-time velocity planning algorithm[J]. Application of Electronic Technique，2023，49(12)：120-126.
中文引用格式： 謝翰君，王林，王欽若. 基于動力學的自適應多段回溯前推實時速度規劃算法開發[J]. 電子技術應用，2023，49(12)：120-126.
英文引用格式： Xie Hanjun，Wang Lin，Wang Qinruo. Development of a dynamics-based adaptive multi-segment look-ahead real-time velocity planning algorithm[J]. Application of Electronic Technique，2023，49(12)：120-126.
Development of a dynamics-based adaptive multi-segment look-ahead real-time velocity planning algorithm
Xie Hanjun1，Wang Lin2，Wang Qinruo1
1.School of Automation， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510000， China； 2.Guogongxin （Cangzhou） Robot Co.， Ltd.， Cangzhou 061000， China
Abstract： A real-time velocity planning algorithm is proposed to improve the processing accuracy and efficiency of small line segments. The algorithm consists of two parts: a dynamics-based preliminary planning algorithm is proposed to optimize the actual acceleration of short line segments and improve the smoothness of motion, addressing the jitter problem of rigid-flexible coupling and heavy-load platforms in numerical control (NC) motion; a dynamics-based adaptive multi-segment look-ahead velocity planning algorithm is proposed to enhance processing efficiency for small straight lines/arcs, addressing the inefficiency issue of the single-segment look-ahead algorithm. The algorithm was tested on a PC-based real-time controller and a gantry dual-drive XY laser cutting platform and was compared with the adaptive feed-rate algorithm and single-segment look-ahead algorithm. The results show that the proposed algorithm improves both processing quality and efficiency. Additionally, the algorithm is simple and effective, and thus suitable for high real-time application environments.
Key words : CNC system；velocity planning；dynamics；look-ahead algorithm；gantry dual-drive
0 引言
在數控系統中，速度規劃算法是研究的熱點之一，因為它對數控系統的速度、精度和運動平穩性具有重要的影響[1-2]。在加工復雜曲線時，為了實現高效加工，通常希望電機按照最大加速度盡可能加速，以達到理想的最大速度。但是，這樣的加減速過程可能會引起剛柔耦合、重負載平臺的殘余振動[3-4]，從而影響零件的加工精度和表面質量。因此，如何平衡加工平穩性和高效性是一個具有挑戰性的問題，也是眾多學者長期以來關注和研究的熱點問題。
文獻[5]充分論述了單段（線段）回溯前推算法，避免了由于速度突變所引起的沖擊，并在嵌入式平臺仿真測試了該算法。文獻[6]給出了直線間構造圓弧平滑過渡的軌跡規劃算法，為解決因加工路徑方向改變而引起沖擊的問題提供了較好的解決思路。文獻[7]給出了雙向掃描速度規劃算法，實現連續小線段的速度銜接，但該算法本質上屬于離線規劃，不太適合實時高速的應用。文獻[8]-[10]通過計算相鄰小線段拐角處所允許的最大速度，給出微小線段連續前瞻算法。文獻[11]給出了考慮弓高誤差和向心加速度的自適應速率規劃算法。但上述算法都沒有考慮實際平臺動力學的影響，可能會激起剛柔耦合、重負載平臺的殘余振動，影響零件的加工精度。文獻[12]提出的實時速度前瞻算法基于系統模型動力學，但該模型僅為一階模型，因此對于難以建立精確模型的剛柔耦合、重負載龍門雙驅平臺系統，該算法可能不太適用。
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作者信息：
謝翰君1，王林2，王欽若1
（1.廣東工業大學 自動化學院，廣東 廣州 510000；2.國工信（滄州）機器人有限公司，河北 滄州 061000）
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