基于數(shù)字信號處理的宏微復(fù)合運動控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于數(shù)字信號處理的宏微復(fù)合運動控制方法，通過分析宏平臺微平臺各自頻響特性，對宏微平臺末端執(zhí)行器進(jìn)行運動曲線規(guī)劃。對規(guī)劃曲線進(jìn)行低通濾波處理，產(chǎn)生低頻段曲線，對規(guī)劃曲線進(jìn)行高通濾波處理，產(chǎn)生高頻段曲線。低頻段曲線和高頻段曲線分別作為宏、微平臺控制系統(tǒng)指令信號。本發(fā)明對宏微平臺整體進(jìn)行曲線規(guī)劃，利用數(shù)字信號處理技術(shù)，分別產(chǎn)生高、低頻段曲線，作為宏微平臺的運動曲線，使宏微機構(gòu)在滿足特定工藝要求的同時，提高運行效率。本發(fā)明方法，不僅能夠在不影響系統(tǒng)定位精度的情況下，避免了宏機構(gòu)因頻繁加減速及其定位調(diào)整時間導(dǎo)致的效率低下問題，同時允許使用者直接對宏微復(fù)合機構(gòu)末端執(zhí)行器進(jìn)行曲線規(guī)劃。
【專利說明】
基于數(shù)字信號處理的宏微復(fù)合運動控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種工業(yè)機器人機械傳動機構(gòu)宏微復(fù)合運動的控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在工業(yè)機器人領(lǐng)域，傳統(tǒng)的機械傳動機構(gòu)多采用旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動，減速器、絲杠做傳 動環(huán)節(jié)，其極限加速度約IG，隨著自動化技術(shù)的快速發(fā)展及工業(yè)應(yīng)用要求不斷提升，傳統(tǒng)的 傳動機構(gòu)已無法滿足要求。采用直線電機的驅(qū)動方式，如音圈電機，壓電陶瓷電機等，避免 了絲杠傳動過程中反向間隙、慣性、摩擦力和剛度不足等問題，在保證良好穩(wěn)定性下，可實 現(xiàn)高加速高精度定位，帶寬達(dá)300Hz~400Hz，最大加速度達(dá)IOG以上。然而直線電機運行距離 有限，現(xiàn)有工業(yè)應(yīng)用中多結(jié)合傳統(tǒng)機構(gòu)組成宏微復(fù)合機構(gòu)以實現(xiàn)大行程高頻響快速定位。 上述的宏微復(fù)合平臺在機構(gòu)上已取得很大發(fā)展，如在微小型設(shè)備上，采用以音圈電機 做宏平臺，壓電陶瓷電機做微平臺以實現(xiàn)極大加速度情況下的精密運動控制。在宏微復(fù)合 運動控制方法研究上，現(xiàn)有工業(yè)應(yīng)用中通常是針對宏微平臺分別設(shè)計指令曲線，首先宏平 臺按照規(guī)劃曲線進(jìn)行運動，待其進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后再啟動微平臺，以完成最終定位。然而該方法無 法滿足系統(tǒng)頻繁啟停的工況，限制了加工效率。目前針對提升宏微復(fù)合機構(gòu)加工效率的改 進(jìn)，多集中在研究一種宏微平臺運動過程動態(tài)切換的方法，即宏平臺在運動過程中達(dá)到某 種狀態(tài)，且未完全進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時，微平臺即開始啟動，此時宏微平臺相互耦合，以實現(xiàn)最大效 率的完成快速定位功能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的主要目的在于提出一種基于數(shù)字信號處理的宏微復(fù)合運動控制方法，以 解決傳統(tǒng)控制方法在宏微復(fù)合機構(gòu)頻繁啟停工況下，因主要由宏平臺加減速時間及其調(diào)整 時間導(dǎo)致的效率低下問題。
[0004] 本發(fā)明對宏微平臺整體進(jìn)行曲線規(guī)劃，利用數(shù)字信號處理技術(shù)，針對宏平臺大行 程，低頻響，微平臺小行程，高頻響特點，分別產(chǎn)生適合宏微平臺的運動曲線，使宏微機構(gòu)在 滿足特定工藝要求的同時，提高運行效率，本發(fā)明在提高傳統(tǒng)宏微復(fù)合機構(gòu)加工效率上有 一定指導(dǎo)意義及實現(xiàn)價值。
[0005] 本發(fā)明基于數(shù)字信號處理的宏微復(fù)合運動控制方法，其基本思路是:對宏微平臺 進(jìn)行頻響特分析，通過系統(tǒng)建模、掃頻等方法確定宏微平臺各自帶寬，并作為數(shù)字信號處理 的依據(jù)，按照具體設(shè)備工藝要求直接對宏微復(fù)合機構(gòu)末端執(zhí)行器進(jìn)行曲線規(guī)劃，所規(guī)劃曲 線不僅可包括常規(guī)S曲線及其他高階曲線，也包括由多個控制點確定的樣條曲線等，設(shè)計低 通濾波器LQ，根據(jù)頻響分析結(jié)果確定低通濾波器截至頻率f η，對規(guī)劃曲線進(jìn)行低通濾波處 理，產(chǎn)生滿足宏平臺帶寬的低頻段運動曲線，并作為宏平臺的指令信號；設(shè)計高通濾波器， 為保證末端執(zhí)行器嚴(yán)格跟隨所規(guī)劃曲線，這里設(shè)計高通濾波器HQ =I-LQ，對規(guī)劃曲線進(jìn)行 高通濾波處理，產(chǎn)生滿足微平臺帶寬的高頻段運動曲線，并作為微平臺的指令信號。
[0006] 本發(fā)明方法的具體步驟如下： (1) 分析宏平臺微平臺各自頻響特性，對宏微平臺末端執(zhí)行器進(jìn)行運動曲線規(guī)劃； (2) 設(shè)計低通濾波器，對規(guī)劃曲線進(jìn)行低通濾波處理，產(chǎn)生低頻段曲線； (3) 設(shè)計高通濾波器，對規(guī)劃曲線進(jìn)行高通濾波處理，產(chǎn)生高頻段曲線； (4) 低頻段曲線進(jìn)入宏平臺控制系統(tǒng)，作為宏平臺控制系統(tǒng)指令信號； (5) 高頻段曲線進(jìn)入微平臺控制系統(tǒng)，作為微平臺控制系統(tǒng)指令信號。
[0007] 其中（1)，（2)，（3)步驟即可在控制器中在線完成也可由其他設(shè)備軟件離線完成。 (4)，（5)步驟宏平臺控制系統(tǒng)微平臺控制系統(tǒng)可在同一控制器內(nèi)，也可由不同控制器單獨 控制。
[0008] 本發(fā)明對宏微平臺整體進(jìn)行曲線規(guī)劃，利用數(shù)字信號處理技術(shù)，分別產(chǎn)生高、低頻 段曲線，作為宏微平臺的運動曲線，使宏微機構(gòu)在滿足特定工藝要求的同時，提高運行效 率，本發(fā)明在提高傳統(tǒng)宏微復(fù)合機構(gòu)加工效率上有一定指導(dǎo)意義及實現(xiàn)價值。本發(fā)明方法， 不僅能夠在不影響系統(tǒng)定位精度的情況下，避免了宏機構(gòu)因頻繁加減速及其定位調(diào)整時間 導(dǎo)致的效率低下問題，同時允許使用者直接對宏微復(fù)合機構(gòu)末端執(zhí)行器進(jìn)行曲線規(guī)劃。
【附圖說明】
[0009] 圖1為基于數(shù)字信號處理的宏微復(fù)合運動控制方法原理圖。
[0010] 圖2為實施例中宏微復(fù)合機構(gòu)末端執(zhí)行器運動曲線。
[0011] 圖3為經(jīng)過數(shù)字信號處理后的宏平臺運動曲線。
[0012] 圖4為經(jīng)過數(shù)字信號處理后的微平臺運動曲線。
【具體實施方式】
[0013] 以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明。
[0014] 宏微復(fù)合機構(gòu)一般由宏機構(gòu)實現(xiàn)大行程運動，微機構(gòu)完成高頻快速響應(yīng)運動，宏 微復(fù)合機構(gòu)末端執(zhí)行器的運行軌跡，運行效率及定位精度由宏機構(gòu)與微機構(gòu)共同保證。
[0015] 針對上述機構(gòu)，本發(fā)明的核心就是提供一種直接對宏微復(fù)合機構(gòu)末端執(zhí)行器進(jìn)行 曲線規(guī)劃的方法，利用數(shù)字信號處理技術(shù)，產(chǎn)生分別滿足宏微平臺帶寬的運動曲線，以達(dá)到 末端執(zhí)行器可嚴(yán)格跟隨所規(guī)劃曲線的同時提高宏微復(fù)合機構(gòu)的加工效率的目的。
[0016] 圖1為基于數(shù)字信號處理的宏微復(fù)合運動控制方法的原理圖。
[0017] 圖1中a為宏微復(fù)合機構(gòu)末端執(zhí)行器運動曲線，可根據(jù)特定工藝要求進(jìn)行設(shè)計，包 括S曲線及其他高階曲線，同時也包括由多個控制點確定的樣條曲線等，所規(guī)劃曲線可由控 制器在線生成，也可通過外部設(shè)備軟件離線導(dǎo)入方式產(chǎn)生。
[0018] 圖1為b為經(jīng)過低通濾波器LQ濾波后的宏指令信號，低通濾波器LQ-般采用二階低 通濾波器，也可采用其他不同階次不同方式的低通濾波技術(shù)，二階低通濾波器一般設(shè)計為：
其中，S為拉氏變換所得復(fù)變數(shù)，S的量綱是時間的倒數(shù)，T=l/Wn，Wn為截止角頻率，Wn= 2*3i*fn，fn為截止頻率，可設(shè)置為宏平臺控制系統(tǒng)帶寬頻率附近。ζ為系統(tǒng)阻尼比，一般設(shè)計 為ζ=0.707。截止頻率設(shè)置過大會導(dǎo)致宏指令信號引入過多高頻信號，導(dǎo)致宏機構(gòu)運行時相 位偏移，幅值衰減;截至頻率設(shè)置過小會導(dǎo)致微平臺運行距離增大，存在超出微平臺極限行 程的風(fēng)險。
[0019] 圖1中C為經(jīng)過高通濾波器HQ濾波后的微指令信號，高通濾波器HQ-般設(shè)計為HQ= I-LQ，此時：
其中高通濾波器參數(shù)值與低通濾波器參數(shù)值完全相同，以保證宏微平臺聯(lián)合作用使末 端執(zhí)行器可以嚴(yán)格跟隨曲線a進(jìn)行運動。
[0020] 圖1中宏指令信號b，微指令信號c分別作為宏平臺控制系統(tǒng)微平臺控制系統(tǒng)的輸 入信號，進(jìn)而分別驅(qū)動宏微機構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)運動。
[0021] 實施例： 微小電火花小孔加工中，為輔助排肩和高精度定位，常采用旋轉(zhuǎn)伺服電機與壓電陶瓷 電機組合的宏微驅(qū)動機構(gòu)，旋轉(zhuǎn)伺服電機通過減速機與絲杠傳動實現(xiàn)大行程運動，壓電陶 瓷電機在宏機構(gòu)運動過程中高頻振動以實現(xiàn)輔助排肩功能，同時需保證最終高精度定位功 能。
[0022] 圖2為根據(jù)上述工藝要求設(shè)計的末端執(zhí)行器運動曲線。
[0023]其中末端執(zhí)行器運行行程為5000脈沖量，為實現(xiàn)輔助排肩功能，在運動過程中疊 加了頻率為180Hz，幅值為200脈沖量的高頻低幅正弦曲線，同時保證最終定位點在5000脈 沖量處。
[0024] 圖3為經(jīng)過數(shù)字信號處理后得到的宏指令信號 設(shè)計二階低誦濾濁！丨由截丨卜癤鑾沿罟為州取陽HhhE沿罟為O _7〇7"
[0025] (PiBlJJi)
圖2所規(guī)劃運動曲線經(jīng)過低通濾波LQ，得到僅包含低頻段大行程的運動曲線，同時作為 旋轉(zhuǎn)伺服電機控制系統(tǒng)的輸入信號。
[0026] 圖3為經(jīng)過數(shù)字信號處理后得到的微指令信號 設(shè)計二階高通濾波器HQ，其中HQ = I- LQJP:
圖2所規(guī)劃運動曲線經(jīng)過高通濾波器HQ，得到僅包含高頻段低幅值運動曲線，同時作為 壓電陶瓷電機控制系統(tǒng)的輸入信號。
[0027] 最終通過宏微系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)節(jié)，使宏微復(fù)合機構(gòu)能夠跟隨各自運行曲線完成相應(yīng)運 動，不僅實現(xiàn)了加工過程自動排肩，提高了加工效率，同時保證了最終加工精度。
[0028] 由此可見，采用基于數(shù)字信號處理的宏微復(fù)合運動控制方法，不僅能夠在不影響 系統(tǒng)定位精度的情況下，避免了宏機構(gòu)因頻繁加減速及其定位調(diào)整時間導(dǎo)致的效率低下問 題，同時允許使用者直接對宏微復(fù)合機構(gòu)末端執(zhí)行器進(jìn)行曲線規(guī)劃。本方法為宏微復(fù)合機 構(gòu)在工業(yè)應(yīng)用上提供了一種新的思路，具體一定的現(xiàn)實意義。
[0029] 本發(fā)明提供的這種基于數(shù)字信號處理的宏微復(fù)合運動控制方法，能夠克服在頻繁 啟停工況下，因宏微平臺運動銜接導(dǎo)致的運動效率降低問題，并能夠在提高加工效率的同 時對宏微復(fù)合機構(gòu)進(jìn)行整體運動曲線規(guī)劃，即可直觀化的對宏微復(fù)合機構(gòu)末端執(zhí)行器進(jìn)行 運動曲線設(shè)計。
[0030] 針對宏微復(fù)合機構(gòu)，本發(fā)明的核心就是提供一種直接對宏微復(fù)合機構(gòu)末端執(zhí)行器 進(jìn)行曲線規(guī)劃的方法，利用數(shù)字信號處理技術(shù)，產(chǎn)生分別滿足宏平臺微平臺帶寬的運動曲 線，以達(dá)到末端執(zhí)行器跟隨規(guī)劃曲線保證加工精度的同時提高宏微復(fù)合機構(gòu)的加工效率的 目的。
【主權(quán)項】
1. 一種基于數(shù)字信號處理的宏微復(fù)合運動控制方法，其步驟如下： 步驟一、分析宏平臺微平臺各自頻響特性，對宏微平臺末端執(zhí)行器進(jìn)行運動曲線規(guī)劃； 步驟二、設(shè)計低通濾波器，對規(guī)劃曲線進(jìn)行低通濾波處理，產(chǎn)生低頻段曲線； 步驟三、設(shè)計高通濾波器，對規(guī)劃曲線進(jìn)行高通濾波處理，產(chǎn)生高頻段曲線； 步驟四、低頻段曲線進(jìn)入宏平臺控制系統(tǒng)，作為宏平臺控制系統(tǒng)指令信號； 步驟五、高頻段曲線進(jìn)入微平臺控制系統(tǒng)，作為微平臺控制系統(tǒng)指令信號。
【文檔編號】G05B19/19GK105843164SQ201610180901
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月28日
【發(fā)明人】楊曉文
【申請人】南京埃斯頓自動化股份有限公司