CN107160394B - 一种直线运动模组精确控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直线运动模组精确控制方法，采用基于抛物线函数的S型速度曲线规划和同步规划的运动控制方法对直线运动模组进行精确控制，输入桁架机械手各运动轴的加速度最大值和速度最大值；给定桁架机械手初始位姿与目标位姿，得到机械手各运动轴的位移变化量；计算各运动轴的时间函数节点；选取最长时间节点作为统一的规划节点，计算各运动轴实际最大速度、最大加速度；根据各运动轴实际最大速度、最大加速度分别计算加速阶段、减速阶段和匀速阶段的位移、速度与加速度函数；根据输出各运动轴的位移或速度曲线上的离散点。本方法能够避免因速度或加速度突变产生的机械手振动或噪声问题，既保证电机运动精度，又能控制运动轨迹。

Description

一种直线运动模组精确控制方法

技术领域

本发明属于机械自动化技术领域，具体涉及一种直线运动模组精确控制方法。

背景技术

在自动化制造系统中，自动化执行单元主要用于搬运物料、工件和工具，可以通过不同的编程以完成各种任务。目前，常用的自动化执行单元主要包括两种，即工业机器人和桁架机械手。相比工业机器人，桁架机械手输送快捷、精准、柔性，结构相对简单，便于组合和扩展，制造和维护成本较低，在机床加工行业中拥有巨大的市场前景。桁架机械手通过调整工件位姿或控制工件运动轨迹等方式来实现工件的自动化上下料工作。因此，为了保证加工件的高质量，需要确保桁架机械手运动的平稳性与精确性。

目前，桁架机械手采用的控制方法是各轴分别基于梯形函数速度曲线规划(如图1所示)，即分为恒加速阶段、匀速阶段、恒减速阶段。由于梯形函数速度曲线采用恒加速度，其加速度在起点或终点处有突变，这会导致采用这种控制方法的桁架机械手在运动过程中出现振动和噪声。而且这种控制方法的速度与加速度过渡不平滑，这也会降低桁架机械手的运动精度，另外，由于这种控制方法是单独规划桁架机械手的各运动轴轨迹，所以机械手无法实现“同启同停”功能，也不能按照预定轨迹运动。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种直线运动模组精确控制方法，能够保证桁架机械手按照预定轨迹精确运动。

本发明采用以下技术方案：

一种直线运动模组精确控制方法，采用基于抛物线函数的S型速度曲线规划和同步规划的运动控制方法对直线运动模组进行精确控制，具体包括以下步骤：

S1、输入桁架机械手各运动轴的加速度最大值和速度最大值i代表机械手的第i个运动轴；

S2、给定桁架机械手初始位姿与目标位姿，得到机械手各运动轴的位移变化量pⁱ；

S3、计算各运动轴的时间函数节点t_a、t_b、t_f；

S4、选取最长时间节点作为统一的规划节点，计算各运动轴实际最大速度、最大加速度；

S5、根据步骤S4各运动轴实际最大速度、最大加速度分别计算加速阶段、减速阶段和匀速阶段的位移、速度与加速度函数；

S6、根据步骤S5输出各运动轴的位移或速度曲线上的离散点。

优选的，步骤S3中，所述时间函数节点表示如下：

其中，t_a、t_b、t_f为时间函数节点。

优选的，步骤S4中，所述各运动轴实际最大速度、最大加速度具体计算如下：

其中，pⁱ表示第i个自由度方向上的运动位移，表示其速度实际最大值，表示其加速度实际最大值。

优选的，步骤S5中，所述加速区间段的加速度速度以及位移方程p(t)具体如下：

其中，t表示时间。

优选的，步骤S5中，所述减速区间段的加速度速度以及位移方程p(t)如下：

其中，p_0b表示t₀～t_b时刻的总运动位移，且

优选的，步骤S5中，所述匀速区间段的加速度速度以及位移方程p(t)如下：

其中，p_0a表示t₀～t_a时刻的总运动位移。

优选的，步骤S6中，利用步骤S5得到的位移、速度曲线方程，输出时间点t的各轴位置与速度如下：

(p(t),v(t),t) 0≤t≤t_f

其中，t＝Δt×n，Δt表示固定的时间间隔，n表示第n个离散点，n＝0,1,2,3…。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明提供了一种直线运动模组精确控制方法，结合S型速度曲线规划与同步规划的多轴精确运动控制方法实现桁架机械手的运动平稳，减小运动冲击、振动和噪声，以及实现桁架机械手沿预定轨迹精确运动，首先，桁架机械手的各轴运动轨迹采用基于抛物线函数的S型速度曲线规划，即分为抛物线式加速阶段、匀速阶段、抛物线式减速阶段。在保证速度按照要求增大或减小的基础上，基于抛物线函数的控制方法也能保证加速度平滑增大或减小。

进一步的，基于抛物线函数的运动控制方法是以目标位置的坐标为基准，结合速度与加速度的要求规划运动轨迹，所以机械手理论上能准确地运动到指定位置。与此同时，由于启动或停止阶段的冲击比较小，电机实际运动精度也能够保证。在此基础上，多轴同步规划的控制方法能够确保机械手按照预定轨迹运动。

综上所述，本方法能够避免因速度或加速度突变产生的机械手振动或噪声问题，既保证电机运动精度，又能控制运动轨迹。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为现有梯形函数曲线图；

图2为本发明控制方法流程图；

图3为本发明多轴同步运动控制曲线图；

图4为本发明S型曲线控制示意图，其中，(a)是速度曲线，(b)是加速度曲线。

具体实施方式

本发明提供了一种直线运动模组精确控制方法，桁架机械手的控制系统结合基于抛物线函数的S型速度曲线规划与多轴同步规划两种方法。其中，基于抛物线函数的运动控制方法是以目标位置的坐标为基准，结合速度与加速度的要求规划运动轨迹，包括抛物线式加速阶段、匀速阶段、抛物线式减速阶段。而多轴同步规划是在S型速度曲线规划的基础上，统一各运动轴的加速、匀速与减速阶段的时间节点，从而实现“同启同停”。

请参阅图2，本发明直线运动模组精确控制方法的具体步骤如下：

S1、输入各轴的加速度、速度最大值

给定桁架机械手各运动轴的速度、加速度最大值，这里假设分别为

其中，i代表机械手的第i个运动轴。

S2、给定机械手各轴的位移变化量

给定桁架机械手初始位姿与目标位姿，计算得到各运动轴的位移变化量pⁱ。

S3、计算各轴的时间函数节点

基于抛物线函数的S型速度曲线公式，计算各运动轴的时间节点t_a、t_b、t_f如图4所示，

时间节点t_a、t_b、t_f的计算公式如下所示：

S4、计算各轴实际最大速度、最大加速度

在步骤S3的基础上结合多轴同步规划方法，为了保证各自由度的时间分段一致，选取步骤S3计算出的最长时间节点作为统一的规划节点t_a、t_b、t_f，然后修正其余各轴的实际速度最大值和加速度最大值，具体计算公式如下所示：

式中，pⁱ表示第i个自由度方向上的运动位移，表示其速度实际最大值，表示其加速度实际最大值。

如图3所示，每个子图表示一个运动轴的速度曲线，图中的虚线曲线表示同步规划前各自由度的速度曲线，实线表示同步后的曲线。其中，图3中第四幅图只有实线，这是由于其余各轴都是根据该轴的运动时间节点进行统一规划。所以，同步后其余自由度的速度最大值均降低，只有该自由度的速度曲线未发生变化。

S5、统一规划各轴的运动轨迹函数

根据各自由度的实际最大加速度和速度值，分别计算各运动轴加速阶段、减速阶段和匀速阶段的位移、速度与加速度函数，具体计算过程如下：

S51、计算得到加速区间段的加速度、速度、以及位移方程，即，

式中，

S52、计算减速区间段的加速度、速度、以及位移方程如下：

式中，p_0b代表t₀～t_b时刻的总运动位移，且

S53、计算匀速区间段的加速度、速度、以及位移方程如下：

式中，p_0a代表t₀～t_a时刻的总运动位移。

S6、输出各运动轴的位移或速度曲线上的离散点

利用上述位移、速度曲线方程，输出时间点t的各轴位置与速度，记为(p(t),v(t),t)，t满足0≤t≤t_f。其中，t＝Δt×n，Δt代表固定的时间间隔，n代表第n个离散点，n＝0,1,2,3…。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种直线运动模组精确控制方法，其特征在于，采用基于抛物线函数的S型速度曲线规划和同步规划的运动控制方法对直线运动模组进行精确控制，具体包括以下步骤：

S1、输入桁架机械手各运动轴的加速度最大值和速度最大值i代表机械手的第i个运动轴；

S2、给定桁架机械手初始位姿与目标位姿，得到机械手各运动轴的位移变化量pⁱ；

S3、计算各运动轴的时间函数节点t_a、t_b、t_f，具体表示如下：

其中，t_a、t_b、t_f为时间函数节点；

S4、选取最长时间节点作为统一的规划节点，计算各运动轴实际最大速度、最大加速度如下：

其中，pⁱ表示第i个自由度方向上的运动位移，表示其速度实际最大值，表示其加速度实际最大值；

S5、根据步骤S4各运动轴实际最大速度、最大加速度分别计算加速阶段、减速阶段和匀速阶段的位移、速度与加速度函数；

S6、根据步骤S5输出各运动轴的位移或速度曲线上的离散点。

2.根据权利要求1所述的一种直线运动模组精确控制方法，其特征在于，步骤S5中，所述加速阶段的加速度速度以及位移方程p(t)具体如下：

其中，t表示时间。

3.根据权利要求1所述的一种直线运动模组精确控制方法，其特征在于，步骤S5中，所述减速阶段的加速度速度以及位移方程p(t)如下：

其中，p_0b表示t₀～t_b时刻的总运动位移，且

4.根据权利要求1所述的一种直线运动模组精确控制方法，其特征在于，步骤S5中，所述匀速阶段的加速度速度以及位移方程p(t)如下：

其中，p_0a表示t₀～t_a时刻的总运动位移。

5.根据权利要求1所述的一种直线运动模组精确控制方法，其特征在于，步骤S6中，利用步骤S5得到的位移、速度曲线方程，输出时间点t的各轴位置与速度如下：

(p(t),v(t),t) 0≤t≤t_f

其中，t＝Δt×n，Δt表示固定的时间间隔，n表示第n个离散点，n＝0,1,2,3…。