[發明專利]一種三階輪廓誤差實時估計方法

有效

• 申請號: 201911327101.9
• 申請日: 2019-12-20
• 公開（公告）號: CN111045387B
• 公開（公告）日: 2020-12-22
• 發明（設計）人: 宋得寧;鐘宇光
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G05B19/404
• 分類號: G05B19/404
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供一種三階輪廓誤差實時估計方法，屬于機器人與高檔數控機床技術領域，涉及一種用于任意曲線路徑多軸聯動輪廓跟蹤控制任務中的空間輪廓誤差實時估計方法。該方法利用三階泰勒展開法對理想運動位置鄰域內的理想曲線輪廓進行近似表示，依據各進給軸以及運動軌跡的速度、加速度、加加速度參數建立實際運動位置到三階近似輪廓距離的計算模型，通過盛金公式求解該模型的解析解，獲得具有三階精度的輪廓誤差估計值。該方法可實現無需利用理想輪廓幾何模型的輪廓誤差高精度實時計算，對保障多軸聯動輪廓跟蹤精度具有重要意義。

技術領域

本發明涉及一種用于多軸聯動輪廓跟蹤控制任務中的空間輪廓誤差實時估計方法，尤其涉及一種三階輪廓誤差實時估計方法，屬于機器人與高檔數控機床技術領域。

背景技術

在多自由度機器人以及多軸數控機床中，自由曲線路徑的輪廓跟蹤是一項重要的任務。提高輪廓跟蹤精度，是提高多自由度機器人的末端運動精度以及多軸聯動數控機床的加工精度的前提。然而，由于單軸伺服滯后、多軸動態失匹、外部擾動等因素的存在，在輪廓跟蹤任務中，往往會產生輪廓誤差。輪廓誤差的定義為實際運動位置到理想輪廓的最短距離，因此，若理想輪廓為自由曲線，輪廓誤差難以實現在線實時精確計算，而輪廓誤差的計算精度，直接影響其控制效果。因此，研究自由曲線路徑輪廓跟蹤任務中輪廓誤差的實時高精度估計方法，對于機器人與數控機床等多軸運動控制系統運動精度的提高具有重要意義。

現有技術文獻1“Estimation of the contouring error vector for thecross-coupled control design”，Yeh等，IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2002，7(1)：45-51，該文獻給出一種基于實際運動位置到理想曲線輪廓切線距離計算的輪廓誤差估計方法，該方法僅具有一階精度。文獻2“Real-time contouring errorestimation for multi-axis motion systems using the second-orderapproximation”，Zhu等，International Journal of Machine Tools and Manufacture，2013，68：75-80，該文獻通過定義一個點到曲線距離公式，并對其進行二階泰勒展開，給出一種三維輪廓誤差實時估計方法，該方法具有二階精度。然而，對于曲線輪廓上曲率較大的尖角位置，一階/二階輪廓誤差估計方法往往難以得出高精度的估計結果，因此，需要進一步研究具有更高精度且能夠滿足實時性要求的輪廓誤差估計策略。

發明內容

本發明的目的是為了克服現有技術缺陷而提供一種三階輪廓誤差實時估計方法，該方法基于弧長參數對理想路徑曲線進行三階泰勒展開，以實現對理想輪廓的三階近似，并依據各進給軸的運動學參數構建實際運動位置到近似輪廓的距離模型，利用盛金公式完成具有三階精度的輪廓誤差估計值求解。本發明可在不利用理想輪廓幾何模型的前提下，實現對輪廓誤差的高效高精度計算。

本發明的目的是這樣實現的：步驟如下：

第一步：建立基于三階近似的輪廓誤差模型

將理想輪廓記為r(s),其中s為弧長參數，記理想運動位置處的弧長參數為s₀，則距離理想運動位置弧長增量δ_s的理想輪廓可以由三階泰勒展開表示為三階近似輪廓r_ap(s₀，δ_s)：

其中，r(s₀)表示理想運動位置，r′(s₀)、r″(s₀)、r″′(s₀)分別為r(s)在s₀處的一階、二階、三階導數；

定義代價函數f_c(s₀，δ_s，p)為：