CN104007698B

CN104007698B - 伺服压力机加工工艺曲线轨迹规划方法

Info

Publication number: CN104007698B
Application number: CN201410226121.8A
Authority: CN
Inventors: 唐敦兵; 杨俊�; 张泽群; 孙竞伟
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2014-05-27
Filing date: 2014-05-27
Publication date: 2017-01-18
Anticipated expiration: 2034-05-27
Also published as: CN104007698A

Abstract

本发明公开了一种基于开放式伺服控制系统的伺服压力机加工工艺曲线轨迹规划方法，属于控制与制造技术领域。其依次包括：加工工艺曲线的几何特性设计步骤；加工工艺曲线的离散步骤；加工工艺曲线的插补步骤；最优化加工工艺曲线步骤；优化数据的存储步骤。本发明通过导引点逐点构造符合精度控制要求的原始曲线片段，降低了导引点之间电机控制系统的信号处理量；各引导点间采用电机匀转速条件下的滑块行程曲线片段来拟合连接，即同类加工工艺曲线，通过调整速度控制点所对应的时间点就可以实现针对不同参数的曲线规划，提高了加工工艺曲线规划的工艺适应性。

Description

伺服压力机加工工艺曲线轨迹规划方法

技术领域

本发明涉及一种伺服压力机加工工艺曲线轨迹规划方法，具体讲是一种基于开放式伺服控制系统的伺服压力机加工工艺曲线轨迹规划方法，属于控制与制造技术领域。

技术背景

目前，针对伺服压力机加工工艺曲线的轨迹规划多采用高等曲线离散逼近的方法去实现。工艺曲线的几何描述性和可微性以及其曲线规划的可操作性是现有轨迹规划方法的核心技术指标。

基于高等曲线的轨迹规划方法的基本思路就是，对于给定的曲线几何参数特性，在关键控制点间通过调整高等曲线的拟合效果，实现对目标曲线几何连续性的要求。例如，基于NURBS等高等曲线的加工工艺曲线规划方法，虽然规划结果可以满足所要求的曲线几何特性限制，但可行性不高，对于伺服控制系统的实时处理和加减速性能均要求较高，几何描述性不强。

伺服压力机加工工艺曲线规划的本质就是对经过关键位置控制点的曲线的拟合优化问题。伺服压力机对于伺服电机加减速能力的要求并不高，在满足工作效率要求的条件下，更偏向于对于伺服电机的输出扭矩提出更高的要求。因此，简单、有效、可行，而又符合加工工艺曲线相关特性，并能综合考虑伺服电机动态特性的轨迹规划方法是伺服压力机行业对于工艺曲线轨迹规划提出的要求。

传统的工艺曲线规划方法控制可行性差，轨迹描述复杂，多采用不可控的外部变量，对于控制系统实时处理能力的依赖性强，加工工艺曲线的几何结构不确定，因此与之对应的电机转速变化数据模型也是不确定的，传统规划方法片面地将轨迹规划问题归结为一个纯粹的几何问题，追求规划结果曲线的几何连续性，导致轨迹规划方案所对应的电机速度控制方案控制可行性差和工艺适应性差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有轨迹规划方案在工艺适应性和可操作性相对较差的不足，提供一种能适应不同驱动机构、不同加工工艺要求的，具有良好的可行性和工艺适应性的伺服压力机加工工艺曲线轨迹规划方法，以建立基于不同优化目标条件下的伺服电机速度控制方案。

为了解决上述技术问题，本发明提供的伺服压力机加工工艺曲线轨迹规划方法，包括以下步骤：

1)、加工工艺曲线的几何特性设计步骤：针对用户数据，设定工作周期长度，得到滑块关键位置速度控制点在一个工作周期内的相对位置参数和相对时间参数；包括如下步骤：

101)、依据不同的加工模式，不同的滑块行程次数，确定工作周期长度；

102)、依据理论加工工艺曲线的几何参数要求，在工作周期内确定滑块关键位置速度控制点对应的相对位置参数；

103)、依据板材厚度参数确定滑块关键位置速度控制点及辐射区域的形状参数；

104)、依据成形要求数据，设定不同材料、不同工艺的滑块关键位置速度控制点之间区域加工工艺曲线的几何参数限制条件；

2)、加工工艺曲线的离散步骤：依据滑块关键位置速度控制点控制点对应位置参数，在相邻滑块关键位置速度控制点间插补不同密度排布的引导点；包括以下步骤：

201)、依据设定的离散标度，对引导点个数进行计算确定引导点的布置密度；

202)、依据加工工艺曲线的几何参数要求，确定引导点的位置及特征参数；

3)、加工工艺曲线的插补步骤：依据引导点时间位置顺序，依次对相邻引导点间插补原始曲线，原始曲线是指电机转速不变的条件下滑块位移曲线；具体包括以下步骤：

301)、找到经过相邻两个引导点的电机转速恒定条件下的滑块位移曲线的片段组合或电机在恒定转速驱动条件下的运动曲线作为原始曲线；

302)、计算引导点拟合曲线与连接直线之间的坐标误差，与预先设定的误差标度对比，如果满足坐标误差控制要求，则记录原始曲线对应的转速数据，不满足要求舍弃并进行步骤303)；

303)、记录连接引导点的所有满足精度要求的原始曲线组合及与之对应的不同转速数据组合；

304)、重复步骤301)至步骤303)，直到最后一个引导点；

4)、最优化加工工艺曲线步骤：针对不同的加工工艺曲线的几何参数要求，筛选转速数据组合，选取适合不同几何参数要求的电机速度控制方案，实现对加工工艺曲线轨迹规划；

5)、优化数据的存储步骤：记录适应不同几何参数要求的加工工艺曲线规划所对应的转速数据组合。

本发明中，所述步骤201)还包括以下步骤：

2011)、依据理论加工工艺曲线形状特性，在曲线位置拐点处密化引导点的分布；

2012)、设定各引导点处拟合曲线的几何特性变化范围。

本发明的有益效果：本发明基于曲线的离散几何机构，通过导引点逐点构造符合精度控制要求的原始曲线片段，降低了导引点之间电机控制系统的信号处理量；通过针对不同设计目标对原始曲线片段进行筛选，在满足工艺曲线几何特性要求的条件下，生成符合特定优化目标的加工工艺曲线，实现了基于不同优化目标条件下的轨迹规划方案优化选择，从而可以根据用户实际要求以及实际生产情况，对伺服电机的速度控制方案做出相应的调整。各引导点间采用电机匀转速条件下的滑块行程曲线片段来拟合连接，即同类加工工艺曲线，通过调整速度控制点所对应的时间点就可以实现针对不同参数的曲线规划，提高了加工工艺曲线规划的工艺适应性。

附图说明

图1为本发明伺服压力机加工工艺曲线轨迹规划方法流程图：

图2为本发明不同速度控制模式下电机的扭矩变化图；

图3为某加工工艺理想行程曲线与规划行程曲线对比图；

图4为某加工工艺理想速度曲线与规划速度曲线对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

在伺服压力机加工工艺曲线轨迹规划流程中，滑块在运行过程中某些关键位置控制点的参数范围、部分根据加工材料的相关特性以及伺服压力机的加工模式等都可以通过用户界面由用户给定参数直接或间接推导而得，但其工艺曲线完整的几何参数并不能完全由这些关键参数直接确定，即曲线的部分参数是不确定的，这样通过调整关键位置控制点之间曲线的相关参数组合，就可以达到适应不同目标条件的工艺曲线的优化设计。本发明伺服压力机加工工艺曲线轨迹规划方法，用于实现各种伺服压力机加工工艺曲线的轨迹规划，针对不同的规划目标在满足轨迹几何学特性要求的前提下，力求寻得不同工艺要求条件下适应电机特性的最优解，提高工艺曲线的工艺适应性；其核心任务就是通过拟合离散的控制点信息，找到能实现加工工艺曲线几何特性的伺服电机速度控制方案；如图2所示，可以看出在不同加减速控制模式下，克服相同的加工负载，伺服电机所需要的输出扭矩是不同的。

下面以快～慢～快加工模式为例详细说明本发明伺服压力机加工工艺曲线轨迹规划方法步骤,如图1所示：

1、加工工艺曲线的几何特性设计步骤：针对用户数据，如设定工作模式为典型快～慢～快模式，滑块行程次数为12次/分钟，则一个完整工作周期长度为5s，设定板材加工厚度为80mm，要求实际加工时间为1.5s，则如图3所示，求得滑块关键位置速度控制点2和速度控制点3在一个工作周期内的相对位置坐标参数和相对时间坐标参数，分别为(1.5,80)、(3,0)；其具体步骤为：

101)、依据典型快～慢～快加工模式要求，结合滑块行程次数12次/分钟的具体要求确定压力机工作周期长度为5s；

102)、依据典型快～慢～快加工工艺曲线几何参数要求，在1.5s的实际工作周期内确定滑块关键位置速度控制点对应的相对时间参数，即确定滑块关键位置速度控制点2和速度控制点3时间坐标为1.5s和3s；

103)、依据板材厚度参数80mm，确定滑块关键位置速度控制点具体参数为(1.5,80)、(3,0)；

104)、依据典型材料成形速度限制要求，确定滑块关键位置速度控制点之间区域工艺曲线的几何参数限制条件，如某材料拉伸操作加工速度限制为<80mm/s,则本例中加工阶段滑块速度满足要求，如不满足则应适当延长实际加工时间；

2、加工工艺曲线的离散步骤：依据滑块关键位置速度控制点对应相对位置参数，在相邻控制点间插补引导点；具体包括以下步骤：

201)、依据设定的离散标度，利用预设公式对引导点个数进行计算，合理安排引导点的布置密度；依据理论加工工艺曲线形状特性，在曲线位置拐点，如图3所示速度控制点1、2、3、4的相邻区域内密化引导点的分布；

202)、依据加工工艺曲线几何参数要求，合理安排引导点的相对位置参数；

3、加工工艺曲线的插补步骤：依据引导点相对时间位置顺序，依次对相邻引导点实行插补，即求得经过两两相邻引导点的满足压力机机构运动特性的恒定转速数值n₁，n₂，n₃······；具体包括以下步骤：

301)、找到经过相邻两个引导点的电机转速恒定条件下的滑块位移曲线的片段组合或电机在恒定转速驱动条件下的运动曲线；将插补曲线调整为伺服压力机驱动机构在恒定转速驱动条件下的运动曲线，用原始运动曲线片段对目标曲线进行拟合逼近，生成符合曲线精度要求的加工工艺曲线；

302)、计算引导点拟合曲线与连接直线之间的坐标误差，与预先设定的误差标度作比较，如果满足坐标误差控制要求，则记录原始曲线对应的转速数据，不满足要求舍弃并进行下一步；

303)、记录连接引导点的所有满足精度要求的原始曲线的组合，以及与之对应的不同转速数据组合；

304)、重复步骤301)至步骤303)，直到最后一个引导点；

4、最优化加工工艺曲线步骤：针对不同加工工艺曲线，筛选转速数据组合，使其在满足规划曲线几何参数要求以及控制精度要求的同时，力求通过调整电机转速的变化组合，降低对电机转矩等相关参数指标的要求，提高加工工艺曲线的可行性及工艺适应性；具体包括以下步骤：

401)、针对不同的转速变化组合数据，结合具体执行机构运动学和动力学计算模型计算相应条件下，电机实现相应控制效果所需时间、扭矩等相关参数；

402)、针对不同的要求，选取适合不同几何参数要求的电机速度控制方案，达到对曲线轨迹规划方案实现优化的目的；

5、优化数据的存储步骤：记录适应不同几何参数要求的加工工艺曲线规划所对应的转速数据组合，图4中实线曲线为实际转速变化曲线，以供实际加工调用。

本发明中，轨迹规划的目标解有多组，在满足轨迹规划曲线几何特性及关键控制点参数的前提下，通过对符合目标控制要求的转速数据组合所对应的伺服电机速度控制方案的筛选优化，寻得最优解，提高加工工艺曲线的工艺适应性。针对轨迹规划的目标电机控制速度组合方案有多组，可以依据实际电机加减速性能以及在相应加减速模式下的电机响应特性选取最适宜的电机速度控制方案，提高加工工艺曲线的控制可行性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种伺服压力机加工工艺曲线轨迹规划方法，其特征在于包括以下步骤：

102)、依据加工工艺曲线的几何参数要求，在工作周期内确定滑块关键位置速度控制点对应的相对位置参数；

2)、加工工艺曲线的离散步骤：依据滑块关键位置速度控制点对应位置参数，在相邻滑块关键位置速度控制点间插补不同密度排布的引导点；包括以下步骤：

304)、重复步骤301)至步骤303)，直到最后一个引导点；

2.根据权利要求1所述的伺服压力机加工工艺曲线轨迹规划方法，其特征在于：所述步骤201)还包括以下步骤：

2011)、依据加工工艺曲线形状特性，在曲线位置拐点处密化引导点的分布；

2012)、设定各引导点处拟合曲线的几何特性变化范围。