高精度三维轮廓控制方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了高精度三维轮廓控制方法，包括以下步骤：在世界坐标系F

High precision 3D contour control method and device

The invention provides a high-precision three-dimensional contour control method, which comprises the following steps: F in the world coordinate system;

【技术实现步骤摘要】
高精度三维轮廓控制方法及装置
本专利技术涉及三维轮廓控制方法，尤其涉及高精度三维轮廓控制方法和装置。
技术介绍
高速高精度加工技术在现代制造业中起着关键的作用，例如数控机床CNC金属切割、激光加工等。随着三维加工需求的增加，越来越多的设备将用于三维加工，比如三轴数控机床的金属切割、串联机器人的三维焊接和激光切割等。轮廓误差指系统当前实际反馈位置与理想轮廓轨迹的最短距离，在三维轮廓控制中，轮廓误差控制的好坏是衡量产品加工质量的核心指标。现有的轮廓控制方法可以分为两大类：间接法和直接法。在间接法中没有一个直接和轮廓误差对应的控制量，往往是通过降低伺服系统每个单轴的跟踪误差或者提高多轴伺服系统的同步性来间接的减小轮廓误差。在直接法中，应用最多的是交叉耦合控制和基于坐标系变换的轮廓控制。交叉耦合控制在原有的多个单轴控制回路基础上增加了一个轮廓误差控制回路，通过对单轴跟踪误差进行交叉耦合计算得到估计的轮廓误差，然后设计轮廓误差控制器并将控制量通过交叉耦合增益分配给原有的单轴控制回路。中国专利技术专利《一种复杂轨迹的轮廓控制方法》(专利号：200710030228.5)和《基于预测控制和交叉耦合的直驱XY平台轮廓控制方法》(专利号：201210359218.7)针对两轴伺服系统，使用的是交叉耦合控制的方法，在单轴控制的基础上，直接补偿系统的轮廓误差，提高加工精度。基于坐标系变换的方法，通过将加工中的轨迹进给运动(沿着参考轮廓轨迹进行运动)和轮廓跟踪运动(与轨迹跟踪运动方向垂直的运动)进行解耦，当做两个独立的控制量来分别进行控制。中国专利技术专利《基于任务极坐标系的伺服系统轮廓控制方法》(申请号：201310749851.1)，对于二维轮廓加工，通过在期望轨迹处的密切圆建立一个任务极坐标系，通过密切圆估算出当前实际位置到密切圆的最短位置，将密切圆的径向作为轮廓性能指标，将密切圆的跟踪角度作为进给性能指标，从而将轮廓性能和进给性能进行解耦控制。以上专利中所用的方法都是针对XY两轴伺服系统进行二维轮廓控制。对于二维轮廓控制，由于轮廓误差和跟踪误差都在密切平面内，可以很方便的实现轮廓性能和进给性能的解耦。但是对于三维轮廓控制，轮廓误差往往不在密切平面内，所以对于三维轮廓控制，要实现轮廓性能和进给性能的解耦就需要在三维坐标系的每一个坐标方向进行控制，也就是需要对三组参数进行调节，参数调节繁琐，增加了三维轮廓控制方法的应用难度。
技术实现思路
为了解决现有三维在三维轮廓控制应用中参数调节繁琐的问题，本专利技术提出了一种新的基于任务坐标系的方法，在新的任务坐标系下，只需要调节两组控制参数即可实现三维加工的轮廓性能和进给性能的解耦控制。根据本专利技术的第一方面，提供了高精度三维轮廓控制方法，包括以下步骤：S1、在世界坐标系Fw下建立三轴运动平台的系统动力学方程，所述三轴运动平台的三个轴互为正交轴；S2、在期望三维轮廓wd的当前给定点建立任务坐标系Ff，并计算世界坐标系Fw到任务坐标系Ff的坐标变换关系；S3、通过刚体变换将任务坐标系Ff进行二次坐标变换，得到新的任务坐标系Fp，并计算任务坐标系Ff到新的任务坐标系Fp的坐标变换关系；S4、将世界坐标系Fw下的系统动力学方程转换为新的任务坐标系Fp下的系统动力学方程；S5、根据新的任务坐标系Fp下的系统动力学方程，设计基于反馈补偿的PD控制器，实现对误差动力学的解耦控制。作为本专利技术上述方法的进一步改进，步骤S1中的所述世界坐标系用笛卡尔坐标系表示。作为本专利技术上述方法的进一步改进，步骤S1中的所述系统动力学方程用惯量J、阻尼B、驱动器增益K、系统实际反馈位置w和系统的轮廓控制器输出电压u表示，为：其中，J，B，K∈R3×3，是常数对角矩阵，w和u是三维向量。作为本专利技术上述方法的进一步改进，可对上述系统动力学方程进行拉普拉斯变换，得到从系统的轮廓控制器输出电压u到系统各轴输出速度之间的传递函数，所述传递函数为一阶惯性模型，并对系统各轴进行单独辨识，从而得到所述一阶惯性模型的参数。作为本专利技术上述方法的进一步改进，在步骤S2中，根据所述期望三维轮廓wd的曲率、挠率信息来建立当前给定点的任务坐标系Ff，所述任务坐标系Ff的三个正交基表示如下：其中t，n和b分别代表任务坐标系Ff的单位切向量，单位法向量和单位副法向量，和分别代表世界坐标系下期望三维轮廓wd的一阶和二阶导数。作为本专利技术上述方法的进一步改进，在步骤S3中，所述新的任务坐标系Fp的法向量方向即为轮廓误差向量方向，并且所述新的任务坐标系Fp的密切平面经过轮廓误差向量和期望三维轮廓wd的当前给定点。作为本专利技术上述方法的进一步改进，所述步骤S4包括以下步骤：S41、将世界坐标系Fw下的系统动力学方程转换为任务坐标系Ff下的系统动力学方程；S42、将任务坐标系Ff下的系统动力学方程转换为新的任务坐标系Fp下的系统动力学方程。作为本专利技术上述方法的进一步改进，所述步骤S5包括以下步骤：S51、设计耦合非线性部分对所述系统进行补偿；S52、通过系统进给方向上的误差和轮廓方向上的误差，设计PD控制器来实现系统的渐进稳定；S53、得到新的任务坐标系Fp下系统的轮廓控制器输出电压up；S54、将新的任务坐标系Fp下系统的轮廓控制器输出电压up转换到世界坐标系Fw下，得到世界坐标系Fw下系统各轴所需的轮廓控制器输出电压u，从而实现基于反馈补偿的PD控制器来对误差动力学的解耦控制。根据本专利技术的第二方面，提供高精度三维轮廓控制装置，包括计算机、实时控制器、伺服驱动器和三轴运动平台，其中：所述三轴运动平台能沿三个正交轴方向进行运动；所述实时控制器配置为使用输出电压来实时控制三轴运动平台沿各个轴的运动；所述伺服驱动器配置为将三轴运动平台在进给方向上的误差和轮廓方向上的误差反馈给实时控制器，从而反馈调节三轴运动平台沿各个轴的运动；所述计算机配置为计算上述任一项权利要求中的计算式，以及发送和接收来自实时控制器的指令。本专利技术的有益效果是：在三维轮廓控制中，基于本专利技术提出的任务坐标系，能够实现三维轮廓的进给性能和轮廓性能的解耦控制；在本专利技术中，只需要调节两组参数就可以分别控制三维的轮廓性能和进给性能，能够大大简化三维轮廓控制器的设计难度和控制器参数调节的复杂度，并有效提高三维轮廓的控制精度。附图说明图1为根据本专利技术高精度三维轮廓控制方法的一个实施例的总体流程图；图2为根据本专利技术高精度三维轮廓控制方法的一个实施例的系统结构图；图3为本专利技术高精度三维轮廓控制方法中新的任务坐标系示意图；图4为根据本专利技术高精度三维轮廓控制方法的一个实施例中步骤S4的流程图；图5为根据本专利技术高精度三维轮廓控制方法的一个实施例中步骤S5的流程图；图6为根据本专利技术高精度三维轮廓控制方法的一个实施例中三维轮廓控制器的结构图；图7为本专利技术高精度三维轮廓控制装置的一个实施例中的结构组成示意图。具体实施方式以下结合附图说明及具体实施方式对本专利技术作进一步说明。根据本专利技术的一个实施例，提供了高精度三维轮廓控制方法，如图1所示所述方法包括以下步骤：S1、在世界坐标系Fw下建立三轴运动平台的系统动力学方程，所述三轴运动平台的三个轴互为正交轴；S2、在期望三维轮廓wd的当前给定点建立任务坐标系Ff，并计算世界坐标系Fw到任务坐本文档来自技高网...

【技术保护点】
高精度三维轮廓控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、在世界坐标系F

【技术特征摘要】
1.高精度三维轮廓控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、在世界坐标系Fw下建立三轴运动平台的系统动力学方程，所述三轴运动平台的三个轴互为正交轴；S2、在期望三维轮廓wd的当前给定点建立任务坐标系Ff，并计算世界坐标系Fw到任务坐标系Ff的坐标变换关系；S3、通过刚体变换将任务坐标系Ff进行二次坐标变换，得到新的任务坐标系Fp，并计算任务坐标系Ff到新的任务坐标系Fp的坐标变换关系；S4、将世界坐标系Fw下的系统动力学方程转换为新的任务坐标系Fp下的系统动力学方程；S5、根据新的任务坐标系Fp下的系统动力学方程，设计基于反馈补偿的PD控制器，实现对误差动力学的解耦控制。2.根据权利要求1所述的高精度三维轮廓控制方法，其特征在于，步骤S1中的所述世界坐标系用笛卡尔坐标系表示。3.根据权利要求1或2所述的高精度三维轮廓控制方法，其特征在于，步骤S1中的所述系统动力学方程用惯量J、阻尼B、驱动器增益K、系统实际反馈位置w和系统的轮廓控制器输出电压u表示，为：其中，J，B，K∈R3×3，是常数对角矩阵，w和u是三维向量。4.根据权利要求3所述的高精度三维轮廓控制方法，其特征在于，对所述系统动力学方程进行拉普拉斯变换，得到从系统的轮廓控制器输出电压u到系统各轴输出速度之间的传递函数，所述传递函数为一阶惯性模型，并对系统各轴进行单独辨识，从而得到所述一阶惯性模型的参数。5.根据权利要求1或2所述的高精度三维轮廓控制方法，其特征在于，在步骤S2中，根据所述期望三维轮廓wd的曲率、挠率信息来建立当前给定点的任务坐标系Ff，所述任务坐标系Ff的三个正交基表示如下：

【专利技术属性】
技术研发人员：楼云江，石然，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳研究生院，楼云江，
类型：发明
国别省市：广东,44