一种基于FIR滤波的锚定点速度规划方法及设备

本发明属于数控加工相关，更具体地，涉及一种基于fir滤波的锚定点速度规划方法及设备。

背景技术：

1、在机床的高速高精加工过程中，由于设定的进给速度较快，为了避免冲击和振动，确保工件的精度和表面质量，必须进行速度规划。

2、常见的速度规划方法有：梯形速度规划、正弦型速度规划、s型速度规划等。其中梯型速度规划虽然简单，但是其只能保证速度连续，加速度有突变，在加工过程中会造成较大冲击；正弦型速度曲线的加速度为正弦曲线形式，虽然在运行过程中其加速度是连续的，但难以计算精确解；s型速度规划型的加速度曲线是连续的，并且能够在速度交接处光滑过渡，但是s型速度规划存在计算复杂、不易求解的问题。而使用滤波的方法进行速度规划，能够平滑速度的同时，其计算比较简单，fir滤波速度规划方法就是滤波速度规划里的一种典型方法。

3、fir滤波速度规划：fir(finite impulse response)滤波即有限脉冲响应滤波。它的优点是方法简单，时间效率高，能够根据输入速度与滤波窗口，保证控制加速度、捷度在限制值之下(如图1所示)。如输入一个矩形的速度脉冲，经过2次fir滤波，就可以得到速度平滑、加速度连续、捷度不超限的速度；并且由a＝v/tfir1，j＝a/tfir2直接可知加速度与捷度，其中tfir1为第一次滤波的时长，tfir2为第二次滤波的时长。

4、但滤波速度规划存在着其特有的问题：在同一位置速度滤波后与速度滤波前(原始速度)相比，速度的最大值下降，速度的最小值上升，可以把这种现象称为削峰填谷(如图2及图3所示，图3中标红即是填谷处)。为了平滑超出限制值的加速度或者捷度，导致速度最大值下降，虽然加工时间变长，但是机床运行更加平稳，加工质量变高，尚可以接受；而速度最小值上升可能会造成机床运行时超过自身物理极限，或者影响加工质量，这是必须避免的，所以在使用滤波速度规划时，要求只削峰不填谷，保证速度低点。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于fir滤波的锚定点速度规划方法及设备，其解决了fir滤波速度规划后速度削峰填谷的问题，保证了速度低点，做到了只削峰不填谷。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于fir滤波的锚定点速度规划方法，该方法包括以下步骤：

3、(1)基于待规划速度计算滤波窗口tfir，并对待规划速度进行窗口为tfir的fir滤波；其中待规划速度为一系列离散速度点；

4、(2)将fir滤波后的速度和原始速度转换到行程域，并进行对比大小；其中，行程域为横轴为行程，纵轴为速度所形成的区域；

5、(3)当同一位置滤波后的速度大于原始速度时，调整滤波后速度曲线得到锚定速度曲线，同时分别记录滤波速度曲线的行程和锚定速度曲线的行程，进而计算两者的行程差值；

6、(4)根据行程差值和锚定速度曲线中的最小速度计算插入周期数n，在锚定速度曲线中插入n个锚定速度曲线中的最小速度，以保证锚定速度曲线与滤波速度曲线的行程一致，进而完成速度规划。

7、进一步地，分别将滤波速度曲线的行程和锚定速度曲线的行程记为sfir与sbef，计算两行程之差sdif＝sfir-sbef，找出锚定速度小于滤波后速度的区间内的速度最小值vmin，将行程之差除以速度最小值与数控系统插补周期之积，且向上取整得到插入周期数n，并在vmin位置处添加n个vmin，并依据微调系数对添加速度后的速度段进行调整，进而进行下一个速度点的对比直至速度点对比完，并对调整后的整体速度进行多次、小窗口fir滤波，继而完成速度规划。

8、进一步地，若需要限制加速度，则根据公式a＝v/tfir，计算滤波窗口大小tfir＝vmax/alimit，其中vmax为输入速度的最大值，alimit为加速度限制值；若需要限制捷度，则根据公式j＝a/tfir，计算滤波窗口大小tfir＝amax/jlimit，其中amax为输入速度的加速度最大绝对值，jlimit为捷度限制值。

9、进一步地，调整原始速度得到锚定速度时所用的调整系数为k，其中tf为使用fir联级滤波器对速度交界处进行平滑的总窗口时长；tc为添加n个速度最小值后的调整速度中小于速度最小值vmin的时长。

10、进一步地，插入周期数n的计算公式为：

11、其中t为数控系统插补周期。

12、进一步地，微调系数k的计算公式为：设滤波前序列为[v1v2…vn]，锚定后速度序列为k·[v1 v2…vmin…vn]，添加n个锚定速度序列的速度最小值后的速度序列为微调后的序列为

13、

14、进一步地，小窗口fir滤波的窗口为20*t、10*t、5*t的fir联级滤波器，其中t为数控系统插补周期。

15、本发明还提供了一种基于fir滤波的锚定点速度规划系统，所述系统包括存储器及处理器，所述存储器储存有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时执行如上所述的基于fir滤波的锚定点速度规划方法。

16、本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有机器可执行指令，所述机器可执行指令在被处理器调用和执行时，所述机器可执行指令促使所述处理器实现如上所述的基于fir滤波的锚定点速度规划方法。

17、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的基于fir滤波的锚定点速度规划方法及设备主要具有以下有益效果：

18、1.该方法将滤波后的速度与原始速度进行对比，对同一位置处滤波后速度比原始速度大的，重新进行速度规划，得到锚定速度曲线，从而解决了fir滤波速度规划后速度削峰填谷的问题，保证了速度低点，且做到了只削峰不填谷，并且保留了fir滤波速度规划计算简单的优点。

19、2.由于fir滤波速度规划后可以保证行程不变，但滤波后的速度与原始速度相比，时间会延长，如果在时域上同一时刻直接进行对比速度大小，此时滤波前后速度不在同一位置，加工时需要在特定的位置降速而不是在同一时刻，若不能保证降速，可能会造成机床运行时超过自身物理极限，或者影响加工质量，因此本发明在相同位置处对比速度大小，引入行程域的概念以进行速度的对比。

20、3.在对滤波后速度超过原始速度的部分重新进行速度规划时，必须保证速度重新规划后的行程，与此部分滤波后速度走过的行程相同，若不同，会导致在后续加工中某些部分的速度超过原始速度，为此本发明用于锚定速度低点后，计算滤波后速度曲线与锚定速度曲线的行程差值，添加速度并微调此部分速度，保证行程一致。

21、4.在对滤波后速度超过原始速度的部分重新进行速度规划时，必须保证锚定速度与滤波后速度的边界处是连续的，若不连续，会导致加工中存在冲击，缩短机床寿命，降低加工质量。为此本发明利用fir滤波速度规划不改变行程的特性，对行程保证后的整体速度进行多次、小窗口的普通fir滤波，解决新的速度规划与滤波后速度规划在边界处速度不连续的问题。