CN105843164A - 基于数字信号处理的宏微复合运动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字信号处理的宏微复合运动控制方法，通过分析宏平台微平台各自频响特性，对宏微平台末端执行器进行运动曲线规划。对规划曲线进行低通滤波处理，产生低频段曲线，对规划曲线进行高通滤波处理，产生高频段曲线。低频段曲线和高频段曲线分别作为宏、微平台控制系统指令信号。本发明对宏微平台整体进行曲线规划，利用数字信号处理技术，分别产生高、低频段曲线，作为宏微平台的运动曲线，使宏微机构在满足特定工艺要求的同时，提高运行效率。本发明方法，不仅能够在不影响系统定位精度的情况下，避免了宏机构因频繁加减速及其定位调整时间导致的效率低下问题，同时允许使用者直接对宏微复合机构末端执行器进行曲线规划。

Description

基于数字信号处理的宏微复合运动控制方法

技术领域

本发明涉及一种工业机器人机械传动机构宏微复合运动的控制方法。

背景技术

在工业机器人领域，传统的机械传动机构多采用旋转电机驱动，减速器、丝杠做传动环节，其极限加速度约1G，随着自动化技术的快速发展及工业应用要求不断提升，传统的传动机构已无法满足要求。采用直线电机的驱动方式，如音圈电机，压电陶瓷电机等，避免了丝杠传动过程中反向间隙、惯性、摩擦力和刚度不足等问题，在保证良好稳定性下，可实现高加速高精度定位，带宽达300Hz~400Hz，最大加速度达10G以上。然而直线电机运行距离有限，现有工业应用中多结合传统机构组成宏微复合机构以实现大行程高频响快速定位。

上述的宏微复合平台在机构上已取得很大发展，如在微小型设备上，采用以音圈电机做宏平台，压电陶瓷电机做微平台以实现极大加速度情况下的精密运动控制。在宏微复合运动控制方法研究上，现有工业应用中通常是针对宏微平台分别设计指令曲线，首先宏平台按照规划曲线进行运动，待其进入稳态后再启动微平台，以完成最终定位。然而该方法无法满足系统频繁启停的工况，限制了加工效率。目前针对提升宏微复合机构加工效率的改进，多集中在研究一种宏微平台运动过程动态切换的方法，即宏平台在运动过程中达到某种状态，且未完全进入稳态时，微平台即开始启动，此时宏微平台相互耦合，以实现最大效率的完成快速定位功能。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种基于数字信号处理的宏微复合运动控制方法，以解决传统控制方法在宏微复合机构频繁启停工况下，因主要由宏平台加减速时间及其调整时间导致的效率低下问题。

本发明对宏微平台整体进行曲线规划，利用数字信号处理技术，针对宏平台大行程，低频响，微平台小行程，高频响特点，分别产生适合宏微平台的运动曲线，使宏微机构在满足特定工艺要求的同时，提高运行效率，本发明在提高传统宏微复合机构加工效率上有一定指导意义及实现价值。

本发明基于数字信号处理的宏微复合运动控制方法，其基本思路是：对宏微平台进行频响特分析，通过系统建模、扫频等方法确定宏微平台各自带宽，并作为数字信号处理的依据，按照具体设备工艺要求直接对宏微复合机构末端执行器进行曲线规划，所规划曲线不仅可包括常规S曲线及其他高阶曲线，也包括由多个控制点确定的样条曲线等，设计低通滤波器LQ，根据频响分析结果确定低通滤波器截至频率fn，对规划曲线进行低通滤波处理，产生满足宏平台带宽的低频段运动曲线，并作为宏平台的指令信号；设计高通滤波器，为保证末端执行器严格跟随所规划曲线，这里设计高通滤波器HQ =1-LQ，对规划曲线进行高通滤波处理，产生满足微平台带宽的高频段运动曲线，并作为微平台的指令信号。

本发明方法的具体步骤如下：

(1) 分析宏平台微平台各自频响特性，对宏微平台末端执行器进行运动曲线规划；

(2) 设计低通滤波器，对规划曲线进行低通滤波处理，产生低频段曲线；

(3) 设计高通滤波器，对规划曲线进行高通滤波处理，产生高频段曲线；

(4) 低频段曲线进入宏平台控制系统，作为宏平台控制系统指令信号；

(5) 高频段曲线进入微平台控制系统，作为微平台控制系统指令信号。

其中(1),(2),(3)步骤即可在控制器中在线完成也可由其他设备软件离线完成。(4),(5)步骤宏平台控制系统微平台控制系统可在同一控制器内，也可由不同控制器单独控制。

本发明对宏微平台整体进行曲线规划，利用数字信号处理技术，分别产生高、低频段曲线，作为宏微平台的运动曲线，使宏微机构在满足特定工艺要求的同时，提高运行效率，本发明在提高传统宏微复合机构加工效率上有一定指导意义及实现价值。本发明方法，不仅能够在不影响系统定位精度的情况下，避免了宏机构因频繁加减速及其定位调整时间导致的效率低下问题，同时允许使用者直接对宏微复合机构末端执行器进行曲线规划。

附图说明

图1为基于数字信号处理的宏微复合运动控制方法原理图。

图2为实施例中宏微复合机构末端执行器运动曲线。

图3为经过数字信号处理后的宏平台运动曲线。

图4为经过数字信号处理后的微平台运动曲线。

具体实施方式

以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进行进一步说明。

宏微复合机构一般由宏机构实现大行程运动，微机构完成高频快速响应运动，宏微复合机构末端执行器的运行轨迹，运行效率及定位精度由宏机构与微机构共同保证。

针对上述机构，本发明的核心就是提供一种直接对宏微复合机构末端执行器进行曲线规划的方法，利用数字信号处理技术，产生分别满足宏微平台带宽的运动曲线，以达到末端执行器可严格跟随所规划曲线的同时提高宏微复合机构的加工效率的目的。

图1为基于数字信号处理的宏微复合运动控制方法的原理图。

图1中a为宏微复合机构末端执行器运动曲线，可根据特定工艺要求进行设计，包括S曲线及其他高阶曲线，同时也包括由多个控制点确定的样条曲线等，所规划曲线可由控制器在线生成，也可通过外部设备软件离线导入方式产生。

图1为b为经过低通滤波器LQ滤波后的宏指令信号，低通滤波器LQ一般采用二阶低通滤波器，也可采用其他不同阶次不同方式的低通滤波技术，二阶低通滤波器一般设计为：

其中,S为拉氏变换所得复变数，S的量纲是时间的倒数，T=1/Wn，Wn为截止角频率，Wn=2*π*fn，fn为截止频率，可设置为宏平台控制系统带宽频率附近。ζ为系统阻尼比，一般设计为ζ=0.707。截止频率设置过大会导致宏指令信号引入过多高频信号，导致宏机构运行时相位偏移，幅值衰减；截至频率设置过小会导致微平台运行距离增大，存在超出微平台极限行程的风险。

图1中c为经过高通滤波器HQ滤波后的微指令信号，高通滤波器HQ一般设计为HQ=1-LQ，此时：

其中高通滤波器参数值与低通滤波器参数值完全相同，以保证宏微平台联合作用使末端执行器可以严格跟随曲线a进行运动。

图1中宏指令信号b，微指令信号c分别作为宏平台控制系统微平台控制系统的输入信号，进而分别驱动宏微机构进行相应运动。

实施例:

微小电火花小孔加工中，为辅助排屑和高精度定位，常采用旋转伺服电机与压电陶瓷电机组合的宏微驱动机构，旋转伺服电机通过减速机与丝杠传动实现大行程运动，压电陶瓷电机在宏机构运动过程中高频振动以实现辅助排屑功能，同时需保证最终高精度定位功能。

图2为根据上述工艺要求设计的末端执行器运动曲线。

其中末端执行器运行行程为5000脉冲量,为实现辅助排屑功能，在运动过程中叠加了频率为180Hz，幅值为200脉冲量的高频低幅正弦曲线，同时保证最终定位点在5000脉冲量处。

图3为经过数字信号处理后得到的宏指令信号

设计二阶低通滤波器LQ，其中截止频率设置为20Hz,阻尼比设置为0.707。

（Pi即π）

图2所规划运动曲线经过低通滤波LQ，得到仅包含低频段大行程的运动曲线，同时作为旋转伺服电机控制系统的输入信号。

图3为经过数字信号处理后得到的微指令信号

设计二阶高通滤波器HQ，其中HQ = 1- LQ,即：

图2所规划运动曲线经过高通滤波器HQ，得到仅包含高频段低幅值运动曲线，同时作为压电陶瓷电机控制系统的输入信号。

最终通过宏微系统闭环调节，使宏微复合机构能够跟随各自运行曲线完成相应运动，不仅实现了加工过程自动排屑，提高了加工效率，同时保证了最终加工精度。

由此可见，采用基于数字信号处理的宏微复合运动控制方法，不仅能够在不影响系统定位精度的情况下，避免了宏机构因频繁加减速及其定位调整时间导致的效率低下问题，同时允许使用者直接对宏微复合机构末端执行器进行曲线规划。本方法为宏微复合机构在工业应用上提供了一种新的思路，具体一定的现实意义。

本发明提供的这种基于数字信号处理的宏微复合运动控制方法，能够克服在频繁启停工况下，因宏微平台运动衔接导致的运动效率降低问题，并能够在提高加工效率的同时对宏微复合机构进行整体运动曲线规划，即可直观化的对宏微复合机构末端执行器进行运动曲线设计。

针对宏微复合机构，本发明的核心就是提供一种直接对宏微复合机构末端执行器进行曲线规划的方法，利用数字信号处理技术，产生分别满足宏平台微平台带宽的运动曲线，以达到末端执行器跟随规划曲线保证加工精度的同时提高宏微复合机构的加工效率的目的。

Claims (1)

1.一种基于数字信号处理的宏微复合运动控制方法，其步骤如下：

步骤一、分析宏平台微平台各自频响特性，对宏微平台末端执行器进行运动曲线规划；

步骤二、设计低通滤波器，对规划曲线进行低通滤波处理，产生低频段曲线；

步骤三、设计高通滤波器，对规划曲线进行高通滤波处理，产生高频段曲线；

步骤四、低频段曲线进入宏平台控制系统，作为宏平台控制系统指令信号；

步骤五、高频段曲线进入微平台控制系统，作为微平台控制系统指令信号。