一种用于多轴轮廓应用场合中的多轴轮廓控制方法技术

本发明专利技术公开了一种用于多轴轮廓应用场合中的多轴轮廓控制方法，利用高次样条的方式描述轮廓形状，用于保证几何二阶连续性c2，通过节点重构算法实现几何形状可控；基于所规划几何路径，于时间域内进行速度规划以满足路径运动学约束；对所规划几何域与时间域数据进行重新拟合以实现几何域与时间域的结合，获取各轴满足整体轮廓几何约束的时间域内的插补数据；最后，通过对各轴所规划的时间域插补数据进行整形，改善拐角特别是高曲率处的轮廓外凸现象，并对各轴加速度进行优化，以实现主动振动抑制功能。抑制功能。抑制功能。

【技术实现步骤摘要】
一种用于多轴轮廓应用场合中的多轴轮廓控制方法


[0001]本专利技术涉及一种工业机器人、CNC加工中心等多轴电子制造装备的多轴轮廓控制方法。

技术介绍

[0002]轮廓控制能力一直是衡量诸如工业机器人，CNC加工中心等多轴电子制造装备性能的关 键性指标。因此，追求高柔性高阶连续性的几何描述形式，设计满足各种运动学约束的速度 规划算法也一直是轮廓控制领域的研究重点，并已取得丰硕成果。其中文献1.发表在 《International Journal of Machine Tools&Manufacture》的Huan Zhao,LiMin Zhu,HanDing.A real
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time look
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ahead interpolation methodology with curvature
‑
continuousB
‑
spline transition scheme for CNC machining of short line segments.该文章公开了 通过小线段前瞻，且相邻线段以B样条平滑过渡的实时轮廓控制的方法，但该方法整体几何 描述能力有限，仅能进行轮廓的线性描述。文献2.发表在《Computer
‑
Aided Degsin》的WangF
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C,Yang DCH.Nearly arc
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length parameterized quantic
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spline interpolation forprecision machining.Comput Aided Desgin 1993；25(5):281
‑
8.该文章公开了一种近似弧 长参数化的五次样条插补的方法，通过五次样条的形式描述轮廓，提高了几何描述能力，但 缺少一定柔性，无法实现进一步轮廓调整，该文献通过归一化方式，令每段五次样条中心处 导数值为1的形式，重新调整各段弦长值以补偿因弦长与弧长间的差异所导致的速度波动， 但该方法仅实现了恒速控制，并无法满足其他运动学约束；文献3.发表在《InternationalJournal of Machine Tools&Macnufacture》的Kaan Erkorkmaz,Yusuf Altintas.High speedCNC system design.Part I:Jerk limited trajectory generation and quantic splineinterpolation，该文章公开了用于CNC机床的加加速约束的轨迹生成与五次样条插补方法， 该方法延续文献2的方式，采用5次样条描述轮廓，并未改善轮廓调整柔性差的缺点，也无 法避免特别是在高曲率处的轮廓外凸现象，且在首尾节点处仅保证0阶连续性(c0)，但其 通过几何域与时间域的结合不仅可以满足恒速约束，同时也可满足了其他多项运动学约束， 如加速度，加加速等，然而这些参数一旦固定，就无法特别是在已规划的几何约束下对各轴 (关节端)的运动学进行再优化了。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于，克服现有技术存在的缺陷，提出了一种用于多轴轮廓应用场合中的 多轴轮廓控制方法，可实现轮廓形状可控的几何域规划，同时支持时间域上的多项运动学约 束。
[0004]本专利技术方法，利用高次样条的方式描述轮廓形状，用于保证几何二阶连续性(c2)，通 过节点重构算法实现几何形状可控；基于所规划几何路径，于时间域内进行速度规划以满足 路径运动学约束；对所规划几何域与时间域数据进行重新拟合以实现几何域与时间
域的结合， 获取各轴满足整体轮廓几何约束的时间域内的插补数据；最后，通过对各轴所规划的时间域 插补数据进行整形，改善拐角特别是高曲率处的轮廓外凸现象，并对各轴加速度进行优化， 以实现主动振动抑制功能。
[0005]本专利技术的基本思路是：针对用户所提供的描述轮廓的节点信息，首先进行节点重构预处 理，以满足多样的轮廓需求，考虑计算负载，常采用相邻节点线性方向上的指数级密化，密 化后节点数越多，成形越愈接近以直线描述所成的几何形状，反之，轮廓越光滑。基于预处 理后所得重构后的轮廓节点，节点间各段以高次多项式样条形式描述：
[0006]P
i
(u)＝K
1i
+K
2i
u+K
3i
u2+...+K
(j+1)i
u
j
,i＝1,....,m
[0007]其中，P为所规划的各轴位置，i为轴号(关节端)，u为几何路径参数(几何域)，K为多项 式样条系数，m为总轴数，j为多项式阶数，为满足c2，j不应低于3，随着阶数的提升，可 获得更高阶数的连续性，亦可满足更多的约束，但也必须提供足量的合理约束值，这些约束 项常由低次或同次样条提供，更高的阶数可由低阶逐层求解的形式获得。权衡阶数与计算负 载间矛盾，常采用五次多项式样条以描述轮廓几何形状，系数求解所需的节点处二阶DD
n
导 信息由三次插值样条提供：
[0008][0009]其中，L
n
为相邻节点P
n
与P
n
‑1段 弦长，利用边界约束条件有：
[0010]α0＝1，
[0011]γ0＝1，
[0012]其中，D0，D
n
分别为首尾节点导数值，当曲线为闭曲线时，首节点缺少信息由尾节点处信息 提供，反之亦然；当曲线为开曲线时，可通过点密化的方式进行预估；其他节点处信息当DD 求出后易得。进而可再结合每段始末节点处位置边界调节，易获得各段的样条表达式。
[0013]因直接以弦长替代弧长易导致较大偏差，对于已获得各段五次样条曲线，以插补速度F为 步长对各段曲线进行细分，再以细分后的弦长积分形式获得进一步准确的总弧长TotL，结合 速度，加速度，加加速等运动学约束在时间域对其进行速度规划，常以S曲线或多项式的形 式实现。
[0014]令路径上的插补步长Step＝F*Ts，分别在几何域与时间域同时进行规划，即几何域内获 取路径上以Step为步长的各插补点位置信息，同时在时间域内计算运行Step步长所需的时间 间隔T，利用上述所求信息，进行5次样条再拟合，同样，计算5次样条系数所需
各节点处 的一阶二阶导由低次样条提供。因量化误差等原因，实际可达得运动学参数可能存有轻微调 整。
[0015]最后对各轴通过下述方式进行整形，以避免拐角特别高曲率处的轮廓外凸现象，同时可 根据各轴共振频率及轮廓精度允许范围调整参数τ，即：
[0016][0017]其中，N
i
＝fs*τ，fs为插补采样频率，p(k)为整形后数据，P(k)为各轴整形前的实时插补数 据，P(k
‑
1)为前次插补数据，依次类推。τ的物理意义明显，其值越大，拐角处越平滑，同 本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于多轴轮廓应用场合中的多轴轮廓控制方法，其步骤如下：步骤1.对用户所提供的原始轮廓节点按要求进行重构，沿各相邻节点直线方向呈正态分布状进行密化；步骤2.基于重构后的节点，针对两相邻节点，根据自然边界条件，以及各节点上的连续性约束，保证c2的连续性，在各节点前后段中的前段终止处一阶导与二阶导等于后段的初始处的一阶导与二阶导，通过递推求解的方式即可获得每段初始与终止处的位置P
i0
，P
i1
以及一阶导与二阶导数值若轮廓最终拟合的样条次数>5,则还应逐次提高阶数并重复步骤2的过程获得拟合更高阶数样条所需的节点导数信息；步骤3.利用步骤2中所获各段初始与终止处位置以及对应导数信息，建立以轮廓拟合样条系数的方程组：P
i
(0)＝K
1i
＝P
i0 P
i
(L
...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨晓文，王继虎，钱巍，
申请(专利权)人：南京埃斯顿自动化股份有限公司，
类型：发明
国别省市：