[發明專利]高精度三維輪廓控制方法及裝置

有效

• 申請號: 201611125850.X
• 申請日: 2016-12-08
• 公開（公告）號: CN106774163B
• 公開（公告）日: 2019-02-05
• 發明（設計）人: 樓云江;石然
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學深圳研究生院;樓云江
• 主分類號: G05B19/408
• 分類號: G05B19/408
• 代理公司: 廣州嘉權專利商標事務所有限公司 44205
• 代理人: 唐致明

本發明提供了高精度三維輪廓控制方法，包括以下步驟：在世界坐標系F_w下建立三軸運動平臺的系統動力學方程，所述三軸運動平臺的三個軸互為正交軸；在期望三維輪廓w_d的當前給定點建立任務坐標系，并計算世界坐標系F_w到任務坐標系F_f的坐標變換關系；通過剛體變換將任務坐標系F_f進行二次坐標變換，得到新的任務坐標系F_p，并計算任務坐標系F_f到新的任務坐標系F_p的坐標變換關系；將世界坐標系F_w下的系統動力學方程轉換為新的任務坐標系F_p下的系統動力學方程；設計基于反饋補償的PD控制器，實現對誤差動力學的解耦控制。本發明只需要調節兩組參數就可以分別控制三維的輪廓性能和進給性能。本發明還提供了對應的高精度三維輪廓控制裝置。

技術領域

本發明涉及三維輪廓控制方法，尤其涉及高精度三維輪廓控制方法和裝置。

背景技術

高速高精度加工技術在現代制造業中起著關鍵的作用，例如數控機床CNC金屬切割、激光加工等。隨著三維加工需求的增加，越來越多的設備將用于三維加工，比如三軸數控機床的金屬切割、串聯機器人的三維焊接和激光切割等。輪廓誤差指系統當前實際反饋位置與理想輪廓軌跡的最短距離，在三維輪廓控制中，輪廓誤差控制的好壞是衡量產品加工質量的核心指標。

現有的輪廓控制方法可以分為兩大類：間接法和直接法。

在間接法中沒有一個直接和輪廓誤差對應的控制量，往往是通過降低伺服系統每個單軸的跟蹤誤差或者提高多軸伺服系統的同步性來間接的減小輪廓誤差。

在直接法中，應用最多的是交叉耦合控制和基于坐標系變換的輪廓控制。

交叉耦合控制在原有的多個單軸控制回路基礎上增加了一個輪廓誤差控制回路，通過對單軸跟蹤誤差進行交叉耦合計算得到估計的輪廓誤差，然后設計輪廓誤差控制器并將控制量通過交叉耦合增益分配給原有的單軸控制回路。

中國發明專利《一種復雜軌跡的輪廓控制方法》(專利號：200710030228.5)和《基于預測控制和交叉耦合的直驅XY平臺輪廓控制方法》(專利號：201210359218.7)針對兩軸伺服系統，使用的是交叉耦合控制的方法，在單軸控制的基礎上，直接補償系統的輪廓誤差，提高加工精度。

基于坐標系變換的方法，通過將加工中的軌跡進給運動(沿著參考輪廓軌跡進行運動)和輪廓跟蹤運動(與軌跡跟蹤運動方向垂直的運動)進行解耦，當做兩個獨立的控制量來分別進行控制。

中國發明專利《基于任務極坐標系的伺服系統輪廓控制方法》(申請號：201310749851.1)，對于二維輪廓加工，通過在期望軌跡處的密切圓建立一個任務極坐標系，通過密切圓估算出當前實際位置到密切圓的最短位置，將密切圓的徑向作為輪廓性能指標，將密切圓的跟蹤角度作為進給性能指標，從而將輪廓性能和進給性能進行解耦控制。

以上專利中所用的方法都是針對XY兩軸伺服系統進行二維輪廓控制。對于二維輪廓控制，由于輪廓誤差和跟蹤誤差都在密切平面內，可以很方便的實現輪廓性能和進給性能的解耦。但是對于三維輪廓控制，輪廓誤差往往不在密切平面內，所以對于三維輪廓控制，要實現輪廓性能和進給性能的解耦就需要在三維坐標系的每一個坐標方向進行控制，也就是需要對三組參數進行調節，參數調節繁瑣，增加了三維輪廓控制方法的應用難度。

發明內容

為了解決現有三維在三維輪廓控制應用中參數調節繁瑣的問題，本發明提出了一種新的基于任務坐標系的方法，在新的任務坐標系下，只需要調節兩組控制參數即可實現三維加工的輪廓性能和進給性能的解耦控制。

根據本發明的第一方面，提供了高精度三維輪廓控制方法，包括以下步驟：