一种缩短空行程定位时间的振镜电机运动规划方法技术

本发明专利技术公开了一种缩短空行程定位时间的振镜电机运动规划方法，包括步骤建立包含运动学自由度的装配体有限元模型和非线性动态响应有限元模型；设定参数化运动函数，并将其作为边界条件施加到所述包含运动学自由度的非线性装配体有限元模型中；进行振镜机构非线性有限元模型的解算，获得振镜机构运动响应曲线，实时计算相对于定位终止位置的位移、速度信息；判断振镜机构是否满足定位精度要求并获取该终所用残余振动衰减时间长度；得到整体运动定位时间，并将最小化整体运动时间作为优化目标；获得运动规划参数的最优参数。与现有技术相比，本发明专利技术所得的到优化结果兼顾了最终定位精度和最小化定位时间的双方面要求。

Motion planning method of vibration mirror motor for shortening idle stroke positioning time

The invention discloses a method for shortening stroke positioning time of vibration mirror motor motion planning method, including the steps of assembly includes the establishment of finite element model and nonlinear dynamic response of kinematic degrees of freedom finite element model; parameter setting function, and the boundary condition is applied to the inclusion of nonlinear finite element method of assembly kinematics degree of freedom; finite element model of vibrating mirror mechanism nonlinear solution, obtain the motion mechanism of galvanometer response curve, real-time calculation of displacement and speed information relative to the positioning end position; judgment mirror mechanism meets the accuracy requirements and obtain the final residual vibration attenuation by the length of time; overall positioning time, and will minimize the overall movement time as the optimization target; optimal parameters of motion planning parameters. Compared with the prior art, the optimization result obtained by the invention takes into account the dual requirements of the final positioning accuracy and the minimum positioning time.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及振镜机构运动规划领域，尤其涉及一种缩短空行程定位时间的振镜电机运动规划方法。
技术介绍
在激光打标等激光加工领域，振镜电机是一种常见驱动部件。振镜电机是一种特殊的摆动电机，只能执行偏转动作。在激光加工领域，振镜片固定在振镜电机的轴上，通过振镜电机的摆动来实现光路方向的调整，并实现激光加工。由于在激光加工过程中，激光加工光斑路径并不一定是全局连续路径，往往存在一些不需要激光加工的间断部分。上述不需要激光加工的间断部分属于激光加工设备的空行程。减少上述空行程运动所耗用的时间对于提高激光加工设备的工作效率有重要作用。由于在激光加工空行程段中，中间运动段的运动情况对激光加工精度等没有影响，仅有空行程的末端的运动定位精度才对后续的激光加工过程存在影响。因此，在上述空行程段应采用以满足末端定位精度要求的最小化总体定位时间的运动规划模型。由于在高速急停摆动时小质量的振镜片容易发生抖动，上述振镜片的抖动会在光路放大效应作用下导致工作面上激光束更大的抖动，而减少上述定位过程中的残余抖动需要耗费一定的振镜片残余振动衰减时间。因此，如何在防止高速空行程点位运动过程中振镜片产生过大残余振动的同时减少振镜片的总体定位时间成为提高激光加工效率的一个关键问题。由于振镜片的空行程运动属于典型的点位运动，通常都会采用S型运动规划曲线作为振镜电机的运动规划算法。但是由于经典的S型运动规划曲线仅仅是通过考虑运动曲线的几何光顺性来进行机构运动规划设计，没有充分考虑在 机构运动过程中的执行部件存在弹性振动问题，将导致运动机构需要一定残余振动衰减时间才能满足精度要求，并不能兼顾运动的平稳性和总体定位时间的最小化。专利201310460878.9提出了一种高速机构减小残余振动的S型运动曲线规划方法，通过在常规的S型运动曲线规划方法中增加一段考虑残余振动影响的衰减时间段，并建立相应的以运动规划时间+所述衰减时间段最小为目标的优化模型。专利中所述的衰减时间段为高速运动机构在运动规划终止时刻之后为保证残余振动振幅小于许用定位误差所需的时间量。上述衰减时间段通过abs(s-s*)+abs(v)<ε(其中s、s*、v、ε分别为运动位移、期望位移、运动速度、许用定位误差)来获得。专利201310460878.9在基于传统的S型运动曲线规划的优化模型中包含了上述获取的残余振动衰减时间，得到修正后的综合运动规划优化模型。专利201410255068.4提出一种基于主频能量时域最优分布的非对称变加速度规划方法，利用非线性有限元仿真分析获得参数化非对称运动函数驱动下的运动机构的定位残余振动响应历程，并利用abs(s-s*)+abs(v)<ε(其中s、s*、v、ε分别为运动位移、期望位移、运动速度、许用定位误差)判断准则来运动执行机构残余振动满足精度要求所需的残余振动衰减时间。专利201410255068.4通过在优化分析模型中引入对残余振动振幅必须小于许用定位误差的分析约束来获得综合最优运动规划函数参数。专利201310460878.9和专利201410255068.4所提供的综合运动规划优化算法均可用于获得振镜机构所需的满足定位精度和最小化总体定位时间等要求的最优运动规划参数。上述专利的核心点均在于对满足定位精度要求的残余振动衰减时间量的判断。在上述专利中，所采用的获取满足运动机构定位精度要求所用的判断准则中所采用的许用定位精度ε均未有直接的物理意义，都属于与真实许用定位位移误差相关的一种近似相对指标。由于上述专利中的许用定位精度ε仅是一种相对指标，而在实际复杂工况中相同定位精度要求的运动机构 所用的ε未必相同，即上述专利所用判断准则中的ε与真实许用定位误差并不存在一个明确的函数关系，这将导致上述专利最终的运动规划优化结果并不一定是匹配真实定位精度要求的最优运动规划。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，本专利技术提出一种缩短空行程定位时间的振镜机构运动规划方法，用于获得总体定位时间最短的所用运动规划函数的最优参数。本专利技术的技术方案是这样的：一种缩短空行程定位时间的振镜电机运动规划方法，包括步骤S1：根据振镜机构的几何模型，建立包含运动学自由度的装配体有限元模型，并创建含运动学自由度的非线性动态响应有限元模型；S2：设定参数化运动函数，并将其作为边界条件施加到所述包含运动学自由度的非线性装配体有限元模型中；S3：利用所述振镜机构含运动学自由度的非线性动态响应有限元模型和所述的参数化运动函数边界条件，并进行振镜机构非线性有限元模型的解算，获得所述振镜机构在所述参数化运动函数边界条件作用下的运动响应曲线，实时计算相对于定位终止位置的位移、速度信息；S4：利用所述运动定位残余振动位移和速度响应来实时判断振镜机构是否满足定位精度要求，重复执行步骤S3中的振镜机构非线性有限元模型解算，直到满足定位精度要求，并获取该终止时刻与运动规划终止时刻Tplan之差为所用残余振动衰减时间长度Tres；S5：将所述残余振动衰减时间Tres以及运动驱动时间Tplan求和得到整体运动定位时间Ttotal(＝Tres+Tplan)，并将最小化Ttotal作为优化目标；S6：通过迭代收敛判定Ttotal是否为最小值，若Ttotal为最小值，则对应迭代过程中的运动规划参数为最优参数，若Ttotal不是最小值，则基于梯度优化算法计算运动参数的优化搜索方向与搜索步长，并更新S3步骤中的参数化运动函数，返 回S3步骤进行迭代计算。进一步地，步骤S1中创建含运动学自由度的非线性动态响应有限元模型的方法包括步骤S11：根据振镜机构的三维几何模型进行有限元网格划分及材料属性定义操作，建立振镜机构的有限元模型；S12：在机构部件的运动关节处创建运动副约束，从而在有限元分析环境中建立振镜机构包含运动学自由度的装配体有限元模型；S13：在驱动关节施加参数化运动函数边界条件；S14：创建完整的非线性有限元分析解算模型。进一步地，步骤S4中判断振镜机构是否满足定位精度要求的方法包括步骤S41：对步骤S3中获得的振镜机构定位末端的残余振动历程的位移、速度信息进行快速傅里叶变换和带通滤波信号处理(或者仿真模型中分别测量各模态信息)，获得振镜机构的各阶固有频率ωi(i＝1..n)及其对应的振镜机构残余振动历程中的位移si(t)、速度vi(t)信号；S42：利用所述固有频率ωi与位移si(t)、速度vi(t)信号获得各阶固有频率ωi所对应的位移si(t)及速度vi(t)时域历程曲线，并利用公式获得各阶固有频率ωi所对应的能量包络线Ei(t)，所述能量包络线Ei(t)的幅值为振镜机构在t时刻固有频率ωi所对应时域运动历程能量的等效弹性势能最大位移；S43：对所述各阶固有频率ωi所对应能量包络线Ei(t)进行叠加，获得总能量包络线ESum(t)；S44：将所述总能量包络线ESum(t)的幅值与运动机构许用位移误差值比较，当总能量包络线ESum(t)的幅值小于运动机构许用位移误差时，则在该时刻振镜机构满足定位精度要求。本专利技术的有益效果在于，与现有技术相比，本专利技术充分考虑了振镜机构中的空行程点位运动工况的设计约束，所得的到优化结果兼顾了最终定位精度和 最小化定位时间的双方面要求，所述的优化过程可以被进一步本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种缩短空行程定位时间的振镜电机运动规划方法，其特征在于，包括步骤S1：根据振镜机构的几何模型，建立包含运动学自由度的装配体有限元模型，并创建含运动学自由度的非线性动态响应有限元模型；S2：设定参数化运动函数，并将其作为边界条件施加到所述包含运动学自由度的非线性装配体有限元模型中；S3：利用所述振镜机构含运动学自由度的非线性动态响应有限元模型和所述的参数化运动函数边界条件，并进行振镜机构非线性有限元模型的解算，获得所述振镜机构在所述参数化运动函数边界条件作用下的运动响应曲线，实时计算相对于定位终止位置的位移、速度信息；S4：利用所述运动定位残余振动位移和速度响应来实时判断振镜机构是否满足定位精度要求，重复执行步骤S3中的振镜机构非线性有限元模型解算，直到满足定位精度要求，并获取该终止时刻与运动规划终止时刻Tplan之差为所用残余振动衰减时间长度Tres；S5：将所述残余振动衰减时间Tres以及运动驱动时间Tplan求和得到整体运动定位时间Ttotal(＝Tres+Tplan)，并将最小化Ttotal作为优化目标；S6：通过迭代收敛判定Ttotal是否为最小值，若Ttotal为最小值，则对应迭代过程中的运动规划参数为最优参数，若Ttotal不是最小值，则基于梯度优化算法计算运动参数的优化搜索方向与搜索步长，并更新S3步骤中的参数化运动函数，返回S3步骤进行迭代计算。...

【技术特征摘要】
1.一种缩短空行程定位时间的振镜电机运动规划方法，其特征在于，包括步骤S1：根据振镜机构的几何模型，建立包含运动学自由度的装配体有限元模型，并创建含运动学自由度的非线性动态响应有限元模型；S2：设定参数化运动函数，并将其作为边界条件施加到所述包含运动学自由度的非线性装配体有限元模型中；S3：利用所述振镜机构含运动学自由度的非线性动态响应有限元模型和所述的参数化运动函数边界条件，并进行振镜机构非线性有限元模型的解算，获得所述振镜机构在所述参数化运动函数边界条件作用下的运动响应曲线，实时计算相对于定位终止位置的位移、速度信息；S4：利用所述运动定位残余振动位移和速度响应来实时判断振镜机构是否满足定位精度要求，重复执行步骤S3中的振镜机构非线性有限元模型解算，直到满足定位精度要求，并获取该终止时刻与运动规划终止时刻Tplan之差为所用残余振动衰减时间长度Tres；S5：将所述残余振动衰减时间Tres以及运动驱动时间Tplan求和得到整体运动定位时间Ttotal(＝Tres+Tplan)，并将最小化Ttotal作为优化目标；S6：通过迭代收敛判定Ttotal是否为最小值，若Ttotal为最小值，则对应迭代过程中的运动规划参数为最优参数，若Ttotal不是最小值，则基于梯度优化算法计算运动参数的优化搜索方向与搜索步长，并更新S3步骤中的参数化运动函数，返回S3步骤进行迭代计算。2.如权利要求1所述的缩短空行程定位时间的振镜电机运动规划方法，其特征在于，步骤S1中创建含运动学自由度的非线性动...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈新，杨志军，白有盾，吴柏生，高健，贺云波，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44