CN115146467A - 一种适用于高速机构的非对称s形位移曲线设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于高速机构的非对称S形位移曲线设计方法,属于位移曲线设计技术领域,所述方法包括:对曲线进行时间分段;对时域全域上的加速度曲线进行构造,得到加速度分段函数;依次积分得到速度分段函数和位移分段函数;在当前计算的位移最大值与设计的目标位移最大值之差小于允许的最大位移误差时,计算加速度与速度的乘积,并求解绝对值最大值;寻优多次后,在加速度与速度的乘积的绝对值最大值中选取最小者,获取相应的位移分段函数;对位移分段函数进行无因次化处理。本发明能够在曲线起始段实现快速加速,并且能够消除高速机构中力的突变。
Description
技术领域
本发明涉及位移曲线设计技术领域,特别是指一种适用于高速机构(高速往复运动机构)的非对称S形位移曲线设计方法。该方法适合用于工业点胶、固晶机、泛半导体设备等领域中要求结构件具有每秒100次以上的高速、微纳米级高精度往复运动等应用场景。
背景技术
在对高速往复运动中的位移曲线进行设计时,一般会采用对称的S形曲线进行设计,以保证冲程开始及末端的速度平滑无突变。在实际应用中,该曲线在起始段无法实现快速加速,从而限制了高速机构的运动频率。
在对高速往复运动中的曲线进行设计时,一般保证加速度连续作为位移曲线设计的前提。在实际应用中,该方法难以消除高速机构中力的突变。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种适用于高速机构的非对称S形位移曲线设计方法,能够在曲线起始段实现快速加速,并且能够消除高速机构中力的突变。
为解决上述技术问题,本发明提供技术方案如下:
一种适用于高速机构的非对称S形位移曲线设计方法,包括:
步骤1:对高速往复运动中的曲线进行时间分段;
步骤2:根据工况实际需求,确定各段加加速度及减加速度曲线分别对应的多项式的阶数;
步骤3:设定优化次数i=1;
步骤4:确定恒定加速度段的加速度取值;
步骤5:利用两端导数甚至高阶导数为0的单调高阶多项式曲线对高速往复运动中的加加速度段与减加速度段进行加速度曲线构造,使加加速度段与减加速度段两端的至少一阶导数为0;
步骤6:对时域全域上的加速度曲线进行构造,使加加速度段、恒定加速度段、减加速度段各段在时域上首尾相连,得到加速度分段函数;
步骤7:判断加速度分段函数是否连续,在非连续处,保证恒定加速度段的加速度大小不变,通过调整系数使加加速度段与减加速度段的两端与恒定加速度段的两端对应的值相等;
步骤8:对加速度分段函数进行积分,得到高速往复运动的速度分段函数,同时为保证速度分段函数的连续性,需对低阶系数及常数项进行赋值;
步骤9:对速度分段函数进行积分,得到高速往复运动的位移分段函数,同时为保证位移分段函数的连续性,需对低阶系数及常数项进行赋值;
步骤10:判断当前计算的位移最大值与设计的目标位移最大值之差是否小于允许的最大位移误差,若否,则更改恒定加速度段的加速度值并转至步骤4,若是,则执行下一步骤;
步骤11:计算加速度与速度的乘积,并求解该乘积的绝对值最大值;
步骤12:判断优化次数是否大于等于预设的寻优次数,若否,则更改时间分段及恒定加速度段的加速度值,优化次数i加1,并转至步骤4,若是,则执行下一步骤;
步骤13:在加速度与速度的乘积的绝对值最大值中选取最小者,获取相应的时间分段、恒定加速度段的加速度值、各段多项式系数,并使用新参数重新计算加速度分段函数、速度分段函数、位移分段函数;
步骤14:对位移分段函数进行无因次化处理。
进一步的,所述步骤6包括:
在位移的末端位置设置位移驻点,即机构末端到达最大位移值时,机构整体在较短时间内保持位姿不变。
进一步的,所述步骤8包括:
步骤81:判断初始及位移末端速度是否为0,若否,则对加速度分段函数的峰值及各时间节点的设置进行边界条件的求解;
步骤82:更改时间分段及恒定加速度段的加速度值,并转至步骤4。
进一步的,所述步骤9包括:
步骤91:判断初始位移是否为0,位移末端是否为Smax,若否,则对加速度分段函数的峰值及各时间节点的设置进行边界条件的求解;
步骤92:更改时间分段及恒定加速度段的加速度值,并转至步骤4。
进一步的,所述步骤10包括:
步骤101:若当前计算的位移最大值小于设计的目标位移最大值,且两者之差大于允许的最大位移误差,则增加恒定加速度段的加速度值并转至步骤4。
进一步的,所述步骤10包括:
步骤101’:若当前计算的位移最大值大于设计的目标位移最大值,且两者之差大于允许的最大位移误差,则减小恒定加速度段的加速度值并转至步骤4。
进一步的,所述步骤14包括:
根据工况对位移分段函数进行缩放处理。
本发明具有以下有益效果:
本发明的适用于高速机构的非对称S形位移曲线设计方法,对常用的加速度曲线进行了改进,使跃度曲线等高阶导数曲线依然平滑连续,提高了位移曲线函数的连续性特性值,且可以分段调节加速程度。
本发明不仅考虑到了曲线的高阶可导,还考虑了机构的速度及加速度乘积及其峰值优化,对输入端的动态力或动态力矩进行了控制,降低了输入端的平衡力矩或平衡力。不仅提高了末端位移的精度,同时稳定了机构的力学环境,明显减小了机构全程运动中的振动,从而减小惯性载荷对运动精度的影响,工程实施效果明显。本发明能够在曲线起始段实现快速加速,并且能够消除高速机构中力的突变。
附图说明
图1为本发明适用于高速机构的非对称S形位移曲线设计方法的流程示意图;
图2为本发明中高阶多项式函数单调区间的图像;
图3为本发明中加速度分段函数图像;
图4为本发明中速度分段函数图像;
图5为本发明中位移分段函数图像;
图6为本发明中加速度与速度乘积的分段函数图像;
图7为本发明中力学优化过程的曲线谱示例图像。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
针对现有技术高速往复运动中曲线的设计缺陷,本发明提出了一种基于多项式加速规律设计的非对称S型任意位移曲线设计方法。该方法对常用的加速度曲线进行了改进,使跃度曲线等高阶导数曲线依然平滑连续,提高了位移曲线函数的连续性特性值,且可以分段调节加速程度。
本发明提供一种适用于高速机构的非对称S形位移曲线设计方法,如图1所示,包括:
步骤1:对高速往复运动中的曲线进行时间分段;
本步骤中,可根据经验进行时间分段,分段时间节点可以定义为ti,其中i=0,1,2,…,n,…,m。t0为初始时间,tn为进程结束时间,tm为回程结束时间。分段数量可根据需要灵活设定,例如为10-30段。
步骤2:根据工况实际需求,确定各段加加速度及减加速度曲线分别对应的多项式的阶数;
步骤3:设定优化次数i=1;
步骤4:确定恒定加速度段的加速度取值;
步骤5:利用两端导数甚至高阶导数为0的单调高阶多项式曲线对高速往复运动中的加加速度段与减加速度段进行加速度曲线构造,使加加速度段与减加速度段两端的至少一阶导数为0;
本步骤中,所使用的高阶多项式函数可以为图2中实线曲线段。此线段单调递增或递减,且线段两端的导数甚至高阶导数均为0。该高阶多项式可以为2阶,也可以为3阶,也可以为更高阶。该高阶多项式在不同时间节点间的阶次可以不同。
步骤6:对时域全域上的加速度曲线进行构造,使加加速度段、恒定加速度段、减加速度段各段在时域上首尾相连,得到加速度分段函数;
本步骤中,加速度分段函数可以定义为ai(t),其中i=1,2,…,n,…,m。加速度分段函数的一个具体例子可以如图3,图3中曲线仅为示例,用以描述曲线构造方法及过程。
本发明是基于加速度开始设计,首先保证了加速度的连续性,而不是直接设计位移曲线;所述位移曲线为S形任意位移曲线,曲线可对称,也可以不对称,利于提高初始段速度。所述位移曲线的加速度曲线在加加速阶段及减加速阶段的曲线由高阶多项式对应曲线构成,可通过调整高阶多项式的阶数来提高位移曲线函数的连续性特性值。
假定时间分段如图3所示;正向最大加速度为h1;反向最大加速度为h2;机构的冲程与回程规律基于时间节点t7左右对称。
为保证末端精度,在设计时,机构末端在较短时间内机构停留,即保持加速度、速度均为0,位移保持最大值,见图中时间节点t6~t8间。也就是说,在位移的末端位置设置了位移驻点,即机构末端到达最大位移值时,机构整体在较短时间内保持位姿不变。
为简化描述过程,本文以多项式加速规律中的三次多项式加速度规律为例进行本发明的阐述。需要说明的是,本实施例仅为方便阐述本发明涉及的设计方法,仅为实施例的一种。
如图2所示,对于两驻点坐标为A(x1,y1)、B(x2,y2)的三次函数,其通式为:
利用A、B两点之间的曲线段及直线对加速度曲线进行搭建,保证曲线与直线段相切。
曲线段加速度对应时间段内的速度函数为:
曲线段加速度对应时间段内的位移函数为:
曲线段加速度对应时间段内的跃度函数为:
其中,C1、C2分别为保证速度函数及位移函数连续的待定系数。
由上,容易得到其跃度函数在时域上全域连续,此处不再做说明。
在进程阶段,其连续的加速度分段函数:
f2=h1 x∈(t1,t2]
f5=h2 x∈(t4,t5]
f7=0 x∈(t6,t7]
步骤7:判断加速度分段函数是否连续,在非连续处,保证恒定加速度段的加速度大小不变,通过调整系数使加加速度段与减加速度段的两端与恒定加速度段的两端对应的值相等;
步骤8:对加速度分段函数进行积分,得到高速往复运动的速度分段函数,同时为保证速度分段函数的连续性,需对低阶系数及常数项进行赋值;
本步骤中,速度分段函数可以定义为Vi(t),其中i=1,2,…,n,…,m。速度分段函数的一个具体例子可以如图4。
作为一种可选的实施例,所述步骤8包括:
步骤81:判断初始及位移末端速度是否为0,若否,则对加速度分段函数的峰值及各时间节点的设置进行边界条件的求解;
步骤82:更改时间分段及恒定加速度段的加速度值,并转至步骤4。
在前面具体的例子中,在进程阶段,其连续的速度分段函数:
v2=h1x+Cv2 x∈(t1,t2]
v5=h2x+Cv5 x∈(t4,t5]
v7=0 x∈(t6,t7]
其中,Cv2、Cv3、Cv4、Cv5、Cv6为保证速度函数连续的待定系数,可根据连续性对其进行求解。
步骤9:对速度分段函数进行积分,得到高速往复运动的位移分段函数,同时为保证位移分段函数的连续性,需对低阶系数及常数项进行赋值;
本步骤中,位移分段函数可以定义为Si(t),其中i=1,2,…,n,…,m。位移分段函数的一个具体例子可以如图5。
作为一种可选的实施例,所述步骤9包括:
步骤91:判断初始位移是否为0,位移末端是否为Smax,若否,则对加速度分段函数的峰值及各时间节点的设置进行边界条件的求解;
步骤92:更改时间分段及恒定加速度段的加速度值,并转至步骤4。
在前面具体的例子中,在进程阶段,其连续的位移分段函数:
其中,Cs2、Cs2、Cs4、Cs5、Cs6为保证位移函数连续的待定系数,可根据连续性对其进行求解。
为保证冲程终点x=tn、及回程终点x=tm时速度为零,需:
则速度的边界条件为:
由对称性可知当前参数始终满足:
此时,时间分段的节点及加速度各段峰值均已确定。其加速度、速度、位移、及加速度与速度乘积的图像分别如图3、图4、图5和图6。
步骤10:根据位移分段函数判断当前计算的位移最大值与设计的目标位移最大值之差是否小于允许的最大位移误差,若否,则更改恒定加速度段的加速度值并转至步骤4,若是,则执行下一步骤;
本步骤即是判断位移最大值是否满足设计要求,若位移偏大,则减小h1,若位移偏小,则增大h1,重复以上步骤对位移进行控制。本发明以最大位移为目标,保证了位移的设计精度。
图1中,S为当前计算的位移最大值,S0为设计的目标位移最大值,△S为允许的最大位移误差。
作为一种可选的实施例,所述步骤10包括:
步骤101:若当前计算的位移最大值小于设计的目标位移最大值,且两者之差大于允许的最大位移误差(即S0-S>△S),则增加恒定加速度段的加速度值并转至步骤4。
作为另一种可选的实施例,所述步骤10包括:
步骤101’:若当前计算的位移最大值大于设计的目标位移最大值,且两者之差大于允许的最大位移误差(即S-S0>△S),则减小恒定加速度段的加速度值并转至步骤4。
可以理解的是,若当前计算的位移最大值S等于设计的目标位移最大值S0,则说明两者之差符合允许的最大位移误差,执行下一步骤即可。
步骤11:计算加速度与速度的乘积,并求解该乘积的绝对值最大值;
本步骤中,计算加速度与速度的乘积,即函数M(t)=Vi(t)ai(t),并求解绝对值最大值。函数M(t)的一个具体例子可以如图6。
步骤12:判断优化次数是否大于等于预设的寻优次数,若否,则更改时间分段及恒定加速度段的加速度值,优化次数i加1,并转至步骤4,若是,则执行下一步骤;
本步骤即为力学优化,本步骤可更改时间分段节点及h1,在保证位移要求的前提下,对各项参数进行寻优。寻优的判据为|Mmax|最小。寻优过程中的各曲线的曲线谱如图7。本发明在S形位移曲线设计过程中涉及的时间分段节点可进行范围内任意调整,且各段的加速度规律、加速度的峰值也可在一定范围内任意调整,该调整具有约束条件,是以最大位移不变或保持在一定范围内为前提。
本发明通过对加速度峰值及时间分段节点设置的更改迭代计算,使函数M(t)峰值最小,更趋近于平滑。图1中,j为寻优次数,具体大小可根据需要灵活设定,例如为50、100、200等。
步骤13:在加速度与速度的乘积的绝对值最大值中选取最小者,获取相应的时间分段、恒定加速度段的加速度值、各段多项式系数,并使用新参数重新计算加速度分段函数、速度分段函数、位移分段函数;
本步骤中,提取|Mmax|最小对应的相关参数,重新计算位移曲线。本发明以加速度和速度的乘积最小化为约束条件,以保证位移行程为最终目标;对曲线的优化基于最小化加速度和速度的乘积的峰值,从而减小惯性载荷对运动精度的影响。这样,不仅考虑了加速度、跃度等对机构运动的动力学影响,还考虑了速度与加速度的乘积变化规律对机构运动的动力学影响。
步骤14:对位移分段函数进行无因次化处理。
本步骤中,对位移分段曲线进行无因次化处理后作为同类机构的通用曲线存储备用。具体还可根据工况对位移分段函数进行缩放处理,以适应不同长度位移路径的使用需要。无因次化处理为本领域常规技术,此处不再赘述。
对于高速机构,其惯性载荷对应的平衡力矩即动态力矩Md,其表达式近似为:Md=Km/ω·V·a(其中,K为系数,m为机构的等效质量,ω为输入转速,V为机构等效速度,a为机构等效加速度。在传动比变化不大的机构中,可近似地认为Md∝m/ω·V·a)。惯性载荷的平衡力也具有相同的形式。为了降低输入端的平衡力矩或平衡力,本发明考虑了机构的速度及加速度乘积及其峰值优化。
综上,本发明的适用于高速机构的非对称S形位移曲线设计方法,对常用的加速度曲线进行了改进,使跃度曲线等高阶导数曲线依然平滑连续,提高了位移曲线函数的连续性特性值,且可以分段调节加速程度。
本发明不仅考虑到了曲线的高阶可导,还考虑了机构的速度及加速度乘积及其峰值优化,对输入端的动态力或动态力矩进行了控制,降低了输入端的平衡力矩或平衡力。不仅提高了末端位移的精度,同时稳定了机构的力学环境,明显减小了机构全程运动中的振动,从而减小惯性载荷对运动精度的影响,工程实施效果明显。
本发明对位移曲线进行了无因次化处理,可作为同类机构的通用曲线进行使用。同时,也可满足同一机构不同周期不同位移的需求(也即不同周期对全局位移量的放大系数不同)。
以上所述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,在不脱离本发明所述原理的前提下,还可以作出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种适用于高速机构的非对称S形位移曲线设计方法,其特征在于,包括:
步骤1:对高速往复运动中的曲线进行时间分段;
步骤2:根据工况实际需求,确定各段加加速度及减加速度曲线分别对应的多项式的阶数;
步骤3:设定优化次数i=1;
步骤4:确定恒定加速度段的加速度取值;
步骤5:利用两端导数甚至高阶导数为0的单调高阶多项式曲线对高速往复运动中的加加速度段与减加速度段进行加速度曲线构造,使加加速度段与减加速度段两端的至少一阶导数为0;
步骤6:对时域全域上的加速度曲线进行构造,使加加速度段、恒定加速度段、减加速度段各段在时域上首尾相连,得到加速度分段函数;
步骤7:判断加速度分段函数是否连续,在非连续处,保证恒定加速度段的加速度大小不变,通过调整系数使加加速度段与减加速度段的两端与恒定加速度段的两端对应的值相等;
步骤8:对加速度分段函数进行积分,得到高速往复运动的速度分段函数,同时为保证速度分段函数的连续性,需对低阶系数及常数项进行赋值;
步骤9:对速度分段函数进行积分,得到高速往复运动的位移分段函数,同时为保证位移分段函数的连续性,需对低阶系数及常数项进行赋值;
步骤10:判断当前计算的位移最大值与设计的目标位移最大值之差是否小于允许的最大位移误差,若否,则更改恒定加速度段的加速度值并转至步骤4,若是,则执行下一步骤;
步骤11:计算加速度与速度的乘积,并求解该乘积的绝对值最大值;
步骤12:判断优化次数是否大于等于预设的寻优次数,若否,则更改时间分段及恒定加速度段的加速度值,优化次数i加1,并转至步骤4,若是,则执行下一步骤;
步骤13:在加速度与速度的乘积的绝对值最大值中选取最小者,获取相应的时间分段、恒定加速度段的加速度值、各段多项式系数,并使用新参数重新计算加速度分段函数、速度分段函数、位移分段函数;
步骤14:对位移分段函数进行无因次化处理。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤6包括:
在位移的末端位置设置位移驻点,即机构末端到达最大位移值时,机构整体在较短时间内保持位姿不变。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤8包括:
步骤81:判断初始及位移末端速度是否为0,若否,则对加速度分段函数的峰值及各时间节点的设置进行边界条件的求解;
步骤82:更改时间分段及恒定加速度段的加速度值,并转至步骤4。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤9包括:
步骤91:判断初始位移是否为0,位移末端是否为Smax,若否,则对加速度分段函数的峰值及各时间节点的设置进行边界条件的求解;
步骤92:更改时间分段及恒定加速度段的加速度值,并转至步骤4。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤10包括:
步骤101:若当前计算的位移最大值小于设计的目标位移最大值,且两者之差大于允许的最大位移误差,则增加恒定加速度段的加速度值并转至步骤4。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤10包括:
步骤101’:若当前计算的位移最大值大于设计的目标位移最大值,且两者之差大于允许的最大位移误差,则减小恒定加速度段的加速度值并转至步骤4。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤14包括:
根据工况对位移分段函数进行缩放处理。
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