本發(fā)明屬于機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種直線運(yùn)動(dòng)模組精確控制方法。

背景技術(shù)：

在自動(dòng)化制造系統(tǒng)中，自動(dòng)化執(zhí)行單元主要用于搬運(yùn)物料、工件和工具，可以通過(guò)不同的編程以完成各種任務(wù)。目前，常用的自動(dòng)化執(zhí)行單元主要包括兩種，即工業(yè)機(jī)器人和桁架機(jī)械手。相比工業(yè)機(jī)器人，桁架機(jī)械手輸送快捷、精準(zhǔn)、柔性，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，便于組合和擴(kuò)展，制造和維護(hù)成本較低，在機(jī)床加工行業(yè)中擁有巨大的市場(chǎng)前景。桁架機(jī)械手通過(guò)調(diào)整工件位姿或控制工件運(yùn)動(dòng)軌跡等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)化上下料工作。因此，為了保證加工件的高質(zhì)量，需要確保桁架機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性與精確性。

目前，桁架機(jī)械手采用的控制方法是各軸分別基于梯形函數(shù)速度曲線規(guī)劃(如圖1所示)，即分為恒加速階段、勻速階段、恒減速階段。由于梯形函數(shù)速度曲線采用恒加速度，其加速度在起點(diǎn)或終點(diǎn)處有突變，這會(huì)導(dǎo)致采用這種控制方法的桁架機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)振動(dòng)和噪聲。而且這種控制方法的速度與加速度過(guò)渡不平滑，這也會(huì)降低桁架機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)精度，另外，由于這種控制方法是單獨(dú)規(guī)劃桁架機(jī)械手的各運(yùn)動(dòng)軸軌跡，所以機(jī)械手無(wú)法實(shí)現(xiàn)“同啟同?！惫δ?，也不能按照預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種直線運(yùn)動(dòng)模組精確控制方法，能夠保證桁架機(jī)械手按照預(yù)定軌跡精確運(yùn)動(dòng)。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種直線運(yùn)動(dòng)模組精確控制方法，采用基于拋物線函數(shù)的s型速度曲線規(guī)劃和同步規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)控制方法對(duì)直線運(yùn)動(dòng)模組進(jìn)行精確控制，具體包括以下步驟：

s1、輸入桁架機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)軸的加速度最大值和速度最大值i代表機(jī)械手的第i個(gè)運(yùn)動(dòng)軸；

s2、給定桁架機(jī)械手初始位姿與目標(biāo)位姿，得到機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)軸的位移變化量pⁱ；

s3、計(jì)算各運(yùn)動(dòng)軸的時(shí)間函數(shù)節(jié)點(diǎn)ta、tb、tf；

s4、選取最長(zhǎng)時(shí)間節(jié)點(diǎn)作為統(tǒng)一的規(guī)劃節(jié)點(diǎn)，計(jì)算各運(yùn)動(dòng)軸實(shí)際最大速度、最大加速度；

s5、根據(jù)步驟s4各運(yùn)動(dòng)軸實(shí)際最大速度、最大加速度分別計(jì)算加速階段、減速階段和勻速階段的位移、速度與加速度函數(shù)；

s6、根據(jù)步驟s5輸出各運(yùn)動(dòng)軸的位移或速度曲線上的離散點(diǎn)。

優(yōu)選的，步驟s3中，所述時(shí)間函數(shù)節(jié)點(diǎn)表示如下：

其中，ta、tb、tf為時(shí)間函數(shù)節(jié)點(diǎn)。

優(yōu)選的，步驟s4中，所述各運(yùn)動(dòng)軸實(shí)際最大速度、最大加速度具體計(jì)算如下：

其中，pⁱ表示第i個(gè)自由度方向上的運(yùn)動(dòng)位移，表示其速度實(shí)際最大值，表示其加速度實(shí)際最大值。

優(yōu)選的，步驟s5中，所述加速區(qū)間段的加速度速度以及位移方程p(t)具體如下：

其中，t表示時(shí)間。

優(yōu)選的，步驟s5中，所述減速區(qū)間段的加速度速度以及位移方程p(t)如下：

其中，p0b表示t0～tb時(shí)刻的總運(yùn)動(dòng)位移，且

優(yōu)選的，步驟s5中，所述勻速區(qū)間段的加速度速度以及位移方程p(t)如下：

其中，p0a表示t0～ta時(shí)刻的總運(yùn)動(dòng)位移。

優(yōu)選的，步驟s6中，利用步驟s5得到的位移、速度曲線方程，輸出時(shí)間點(diǎn)t的各軸位置與速度如下：

(p(t),v(t),t)0≤t≤tf

其中，t＝δt×n，δt表示固定的時(shí)間間隔，n表示第n個(gè)離散點(diǎn)，n＝0,1,2,3…。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果：

本發(fā)明提供了一種直線運(yùn)動(dòng)模組精確控制方法，結(jié)合s型速度曲線規(guī)劃與同步規(guī)劃的多軸精確運(yùn)動(dòng)控制方法實(shí)現(xiàn)桁架機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，減小運(yùn)動(dòng)沖擊、振動(dòng)和噪聲，以及實(shí)現(xiàn)桁架機(jī)械手沿預(yù)定軌跡精確運(yùn)動(dòng)，首先，桁架機(jī)械手的各軸運(yùn)動(dòng)軌跡采用基于拋物線函數(shù)的s型速度曲線規(guī)劃，即分為拋物線式加速階段、勻速階段、拋物線式減速階段。在保證速度按照要求增大或減小的基礎(chǔ)上，基于拋物線函數(shù)的控制方法也能保證加速度平滑增大或減小。

進(jìn)一步的，基于拋物線函數(shù)的運(yùn)動(dòng)控制方法是以目標(biāo)位置的坐標(biāo)為基準(zhǔn)，結(jié)合速度與加速度的要求規(guī)劃運(yùn)動(dòng)軌跡，所以機(jī)械手理論上能準(zhǔn)確地運(yùn)動(dòng)到指定位置。與此同時(shí)，由于啟動(dòng)或停止階段的沖擊比較小，電機(jī)實(shí)際運(yùn)動(dòng)精度也能夠保證。在此基礎(chǔ)上，多軸同步規(guī)劃的控制方法能夠確保機(jī)械手按照預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)。

綜上所述，本方法能夠避免因速度或加速度突變產(chǎn)生的機(jī)械手振動(dòng)或噪聲問(wèn)題，既保證電機(jī)運(yùn)動(dòng)精度，又能控制運(yùn)動(dòng)軌跡。

下面通過(guò)附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

附圖說(shuō)明

圖1為現(xiàn)有梯形函數(shù)曲線圖；

圖2為本發(fā)明控制方法流程圖；

圖3為本發(fā)明多軸同步運(yùn)動(dòng)控制曲線圖；

圖4為本發(fā)明s型曲線控制示意圖，其中，(a)是速度曲線，(b)是加速度曲線。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供了一種直線運(yùn)動(dòng)模組精確控制方法，桁架機(jī)械手的控制系統(tǒng)結(jié)合基于拋物線函數(shù)的s型速度曲線規(guī)劃與多軸同步規(guī)劃兩種方法。其中，基于拋物線函數(shù)的運(yùn)動(dòng)控制方法是以目標(biāo)位置的坐標(biāo)為基準(zhǔn)，結(jié)合速度與加速度的要求規(guī)劃運(yùn)動(dòng)軌跡，包括拋物線式加速階段、勻速階段、拋物線式減速階段。而多軸同步規(guī)劃是在s型速度曲線規(guī)劃的基礎(chǔ)上，統(tǒng)一各運(yùn)動(dòng)軸的加速、勻速與減速階段的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)“同啟同停”。

請(qǐng)參閱圖2，本發(fā)明直線運(yùn)動(dòng)模組精確控制方法的具體步驟如下：

s1、輸入各軸的加速度、速度最大值

給定桁架機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)軸的速度、加速度最大值，這里假設(shè)分別為

其中，i代表機(jī)械手的第i個(gè)運(yùn)動(dòng)軸。

s2、給定機(jī)械手各軸的位移變化量

給定桁架機(jī)械手初始位姿與目標(biāo)位姿，計(jì)算得到各運(yùn)動(dòng)軸的位移變化量pⁱ。

s3、計(jì)算各軸的時(shí)間函數(shù)節(jié)點(diǎn)

基于拋物線函數(shù)的s型速度曲線公式，計(jì)算各運(yùn)動(dòng)軸的時(shí)間節(jié)點(diǎn)ta、tb、tf如圖4所示，

時(shí)間節(jié)點(diǎn)ta、tb、tf的計(jì)算公式如下所示：

s4、計(jì)算各軸實(shí)際最大速度、最大加速度

在步驟s3的基礎(chǔ)上結(jié)合多軸同步規(guī)劃方法，為了保證各自由度的時(shí)間分段一致，選取步驟s3計(jì)算出的最長(zhǎng)時(shí)間節(jié)點(diǎn)作為統(tǒng)一的規(guī)劃節(jié)點(diǎn)ta、tb、tf，然后修正其余各軸的實(shí)際速度最大值和加速度最大值，具體計(jì)算公式如下所示：

式中，pⁱ表示第i個(gè)自由度方向上的運(yùn)動(dòng)位移，表示其速度實(shí)際最大值，表示其加速度實(shí)際最大值。

如圖3所示，每個(gè)子圖表示一個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的速度曲線，圖中的虛線曲線表示同步規(guī)劃前各自由度的速度曲線，實(shí)線表示同步后的曲線。其中，圖3中第四幅圖只有實(shí)線，這是由于其余各軸都是根據(jù)該軸的運(yùn)動(dòng)時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃。所以，同步后其余自由度的速度最大值均降低，只有該自由度的速度曲線未發(fā)生變化。

s5、統(tǒng)一規(guī)劃各軸的運(yùn)動(dòng)軌跡函數(shù)

根據(jù)各自由度的實(shí)際最大加速度和速度值，分別計(jì)算各運(yùn)動(dòng)軸加速階段、減速階段和勻速階段的位移、速度與加速度函數(shù)，具體計(jì)算過(guò)程如下：

s51、計(jì)算得到加速區(qū)間段的加速度、速度、以及位移方程，即，

式中，

s52、計(jì)算減速區(qū)間段的加速度、速度、以及位移方程如下：

式中，p0b代表t0～tb時(shí)刻的總運(yùn)動(dòng)位移，且

s53、計(jì)算勻速區(qū)間段的加速度、速度、以及位移方程如下：

式中，p0a代表t0～ta時(shí)刻的總運(yùn)動(dòng)位移。

s6、輸出各運(yùn)動(dòng)軸的位移或速度曲線上的離散點(diǎn)

利用上述位移、速度曲線方程，輸出時(shí)間點(diǎn)t的各軸位置與速度，記為(p(t),v(t),t)，t滿足0≤t≤tf。其中，t＝δt×n，δt代表固定的時(shí)間間隔，n代表第n個(gè)離散點(diǎn)，n＝0,1,2,3…。

以上內(nèi)容僅為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明權(quán)利要求書(shū)的保護(hù)范圍之內(nèi)。