CN116339231A - 一种数控加工的动态控制方法、装置、设备和存储介质 - Google Patents

一种数控加工的动态控制方法、装置、设备和存储介质 Download PDF

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CN116339231A CN202310006080.0A CN202310006080A CN116339231A CN 116339231 A CN116339231 A CN 116339231A CN 202310006080 A CN202310006080 A CN 202310006080A CN 116339231 A CN116339231 A CN 116339231A
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motion
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郭庆鹏
张博闻
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Institute Of Ecological Protection And Restoration Chinese Academy Of Forestry Sciences
Research Institute of Wood Industry of Chinese Academy of Forestry
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Abstract

本发明提供了一种数控加工的动态控制方法包括：构建运动方程；根据运动方程对关节进行插补，规划操作臂末端的运动轨迹；构建运动学模型；根据运动学模型建立各关节坐标系，得到操作臂末端位姿描述；根据操作臂末端位姿描述，得到各关节的给定变化量；根据给定变化量控制各关节伺服电机的运转，并动态控制操作臂末端的运动轨迹。本发明可以保证操作臂末端按照规定的路径和轨迹运动，保证操作臂末端运行轨迹的平滑性及连续性；利用运动学模型可精确地计算出操作臂末端到达期望位姿，提高操作臂的运动精度，实现对工件的精确加工；通过伺服控制可以实现动态的控制动作执行机构的精确动作，提高操作臂的动作精度。

Description

一种数控加工的动态控制方法、装置、设备和存储介质
技术领域
本发明涉及数控加工技术领域，具体涉及一种数控加工的动态控制方法、装置、设备和存储介质。
背景技术
近年来，工业机器人作为工业领域中重要的装备，以其结构紧凑、高灵活性、高效率等优点，被广泛应用于装配、搬运和精密零件加工等生产领域。为提高生产效率和产品质量，高速高精度及平稳运动成为衡量工业机器人重要性能指标。近年来机械加工朝着精细化方向不断发展，操作臂也朝着多关节以及多自由度加工方向发展。但现有操作臂的控制精度较低，导致加工出的零件存在成品率低。因此如何提高操作臂的动作精度，成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题和始终研究的重点。
发明内容
鉴于上述问题，本发明实施例一种数控加工的动态控制方法、装置、设备和存储介质，解决现有的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种数控加工的动态控制方法，该方法包括：
构建运动方程；
根据运动方程对关节进行插补，规划操作臂末端的运动轨迹；
构建运动学模型；
根据运动学模型建立各关节坐标系，得到操作臂末端位姿描述；
根据操作臂末端位姿描述，得到各关节的给定变化量；
根据给定变化量控制各关节伺服电机的运转，动态控制操作臂末端的运动轨迹。
一实施例中，所述根据运动方程对关节进行插补，规划操作臂末端的运动轨迹包括：
将运动方程设置为：
θ(t)＝a0+a1t+a2t2+a3t3+a4t4+a5t5；
式中，θ(t)为关节角度；a0、a1、a2、a3、a4、a5为各次项的系数；t为时间；
将插补的约束条件设置为：
θ0＝a0；
Figure BDA0004036798840000021
Figure BDA0004036798840000022
Figure BDA0004036798840000023
Figure BDA0004036798840000024
Figure BDA0004036798840000025
式中，θ0为t0时刻的关节角；θf为tf时刻的关节角；
Figure BDA0004036798840000026
为t0时刻的关节角速度；/>
Figure BDA0004036798840000027
为tf时刻的关节角速度；/>
Figure BDA0004036798840000028
为t0时刻的关节角加速度；/>
Figure BDA0004036798840000029
为tf时刻的关节角加速度；
根据运动方程和约束条件，得到各次项系数的值。
一实施例中，所述根据运动学模型建立各关节坐标系，得到操作臂末端位姿描述包括：
确定参考坐标的初始位置；
根据参考坐标建立各关节的坐标，所述关节包括第一平移关节、第二平移关节、第一转动关节和第二转动关节，第一平移关节为第一连杆和第二连杆的连接点，第二平移关节为第二连杆和第三连杆的连接点，第一转动关节为第三连杆与第四连杆的连接点，第二转动关节为第四连杆和操作臂末端的连接点；
分别描述相邻连杆的相对位姿；
将第一连杆的坐标相对于参考坐标的位姿描述为：
Figure BDA0004036798840000031
将第二连杆的坐标相对于第一连杆的坐标的位姿描述为：
Figure BDA0004036798840000032
将第三连杆的坐标相对于第二连杆的坐标的位姿描述为：
Figure BDA0004036798840000033
将第四连杆的坐标相对于第三连杆的坐标的位姿描述为：
Figure BDA0004036798840000034
将操作臂末端相对于操作空间的位姿描述为：
Figure BDA0004036798840000035
式中，d1为第一平移关节的移动长度，d2为第二平移关节的移动长度，d3为第三连杆的长度；d4为第四连杆的长度；S3＝sinθ3；C3＝cosθ3；S4＝sinθ4；C4＝cosθ4；其中θ3为第一转动关节的转动角度；θ4为第二转动关节的转动角度。
一实施例中，所述根据操作臂末端位姿描述，得到各关节的给定变化量包括：
设定操作臂末端的位姿；
根据操作臂末端位姿描述和设定的操作臂末端位置，得到各关节的变化量。
一实施例中，所述根据给定变化量控制各关节伺服电机的运转，动态控制操作臂末端的运动轨迹包括：
将各个关节的给定变化量转化为各个关节对应的伺服电机的给定转速；
利用复用器根据给定转速和各伺服电机反馈的输出转速向各伺服电机对应的分解器转发控制信号；
将其中一伺服电机的速度反馈与其它伺服电机的速度反馈比较，得到速度补偿信号；
将分解器接收的控制信号和速度补偿信号作为PID控制器给定信号对各个伺服电机进行伺服控制。
一实施例中，所述将其中一伺服电机的速度反馈与其它伺服电机的速度反馈比较，得到速度补偿信号包括：
获取每台伺服电机的输出转速和转动惯量；
根据各伺服电机与其它伺服电机间转动惯量的比值，得到各伺服电机与其它伺服电机间的速度反馈增益；
比较各伺服电机与其它伺服电机间的输出转速的差值，得到各伺服电机与其它伺服电机间的转速差；
根据各伺服电机与其它伺服电机间的速度反馈增益与转速差乘积之和，得到各伺服电机的速度补偿信号。
第二方面，本发明提供一种数控加工的动态控制装置，该装置包括：
第一构建模块：用于构建运动方程；
轨迹规划模块：用于根据运动方程对关节进行插补，规划操作臂末端的运动轨迹；
第二构建模块：用于构建运动学模型；
位姿描述模块：用于根据运动学模型建立各关节坐标系，得到操作臂末端位姿描述；
关节变化量获取模块：用于根据操作臂末端位姿描述，得到各关节的给定变化量；
伺服控制模块：用于根据给定变化量控制各关节伺服电机的运转，动态控制操作臂末端的运动轨迹。
一实施例中，所述轨迹规划模块包括：
将运动方程设置为：
θ(t)＝a0+a1t+a2t2+a3t3+a4t4+a5t5；
式中，θ(t)为关节角度；a0、a1、a2、a3、a4、a5为各次项的系数；t为时间；
将插补的约束条件设置为：
θ0＝a0；
Figure BDA0004036798840000051
Figure BDA0004036798840000052
Figure BDA0004036798840000053
Figure BDA0004036798840000054
Figure BDA0004036798840000055
式中，θ0为t0时刻的关节角；θf为tf时刻的关节角；
Figure BDA0004036798840000056
为t0时刻的关节角速度；/>
Figure BDA0004036798840000057
为tf时刻的关节角速度；/>
Figure BDA0004036798840000058
为t0时刻的关节角加速度；/>
Figure BDA0004036798840000059
为tf时刻的关节角加速度；
根据运动方程和约束条件，得到各次项系数的值。
一实施例中，所述位姿描述模块包括：
确定参考坐标的初始位置；
根据参考坐标建立各关节的坐标，所述关节包括第一平移关节、第二平移关节、第一转动关节和第二转动关节，第一平移关节为第一连杆和第二连杆的连接点，第二平移关节为第二连杆和第三连杆的连接点，第一转动关节为第三连杆与第四连杆的连接点，第二转动关节为第四连杆和操作臂末端的连接点；
分别描述相邻连杆的相对位姿；
将第一连杆的坐标相对于参考坐标的位姿描述为：
Figure BDA0004036798840000061
将第二连杆的坐标相对于第一连杆的坐标的位姿描述为：
Figure BDA0004036798840000062
将第三连杆的坐标相对于第二连杆的坐标的位姿描述为：
Figure BDA0004036798840000065
将第四连杆的坐标相对于第三连杆的坐标的位姿描述为：
Figure BDA0004036798840000063
将操作臂末端相对于操作空间的位姿描述为：
Figure BDA0004036798840000064
式中，d1为第一平移关节的移动长度，d2为第二平移关节的移动长度，d3为第三连杆的长度；d4为第四连杆的长度；S3＝sinθ3；C3＝cosθ3；S4＝sinθ4；C4＝cosθ4；其中θ3为第一转动关节的转动角度；θ4为第二转动关节的转动角度。
一实施例中，所述关节变化量获取模块包括：
设定操作臂末端的位姿；
根据操作臂末端位姿描述和设定的操作臂末端位置，得到各关节的变化量。
一实施例中，所述伺服控制模块包括：
将各个关节的给定变化量转化为各个关节对应的伺服电机的给定转速；
利用复用器根据给定转速和各伺服电机反馈的输出转速向各伺服电机对应的分解器转发控制信号；
将其中一伺服电机的速度反馈与其它伺服电机的速度反馈比较，得到速度补偿信号；
将分解器接收的控制信号和速度补偿信号作为PID控制器给定信号对各个伺服电机进行伺服控制。
一实施例中，所述伺服控制模块还包括：
获取每台伺服电机的输出转速和转动惯量；
根据各伺服电机与其它伺服电机间转动惯量的比值，得到各伺服电机与其它伺服电机间的速度反馈增益；
比较各伺服电机与其它伺服电机间的输出转速的差值，得到各伺服电机与其它伺服电机间的转速差；
根据各伺服电机与其它伺服电机间的速度反馈增益与转速差乘积之和，得到各伺服电机的速度补偿信号。
第三方面，本发明提供一种电子设备，包括：
处理器、存储器、与网关通信的接口；
存储器用于存储程序和数据，所述处理器调用存储器存储的程序，以执行第一方面任一项提供的一种数控加工的动态控制方法。
第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括程序，所述程序在被处理器执行时用于执行第一方面任一项提供的一种数控加工的动态控制方法。
从上述描述可知，本发明实施例通过对操作臂末端运动轨迹的规划可以保证操作臂末端按照规定的路径和轨迹运动，通过插补的形式可以保证操作臂末端运行轨迹的平滑性及连续性；利用运动学模型可精确的计算出操作臂末端到达期望位姿时各个关节的变化量，提高操作臂的运动精度，实现对工件的精确加工；通过伺服控制可以实现动态的控制动作执行机构的精确动作，进而提高操作臂的动作精度。
附图说明
图1为现有操作臂的结构示意图；
图2所示为本发明一实施例提供的控制方法的流程示意图；
图3所示为本发明轨迹仿真结果的示意图；
图4所示为本发明构建的各关节坐标的示意图；
图5所示为本发明X轴电机速度补偿方法的示意图；
图6所示为本发明一实施例提供的控制装置的结构示意图；
图7所示为本发明一实施例中的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明适用于如图1类似的操作臂，该操作臂包括X轴组件、Z轴组件、A轴组件和B轴组件，X轴组件和Z轴组件为平移关节，A轴组件和B轴组件为转动关节，X轴组件与Z轴组件垂直，X轴组件水平运动，Z轴组件上下运动，B轴组件安装于Z轴组件并带动一连接臂转动，A轴组件安装于连接臂一端并带动四头主轴转动。
本发明实施例提供了一种数控加工的动态控制方法的具体实施方式，如图2所示，该方法具体包括：
S110：构建运动方程；
在操作臂运动过程中，末端执行器的起始位置和终止位置已知，对应获得两位姿(即起始位置和终止位置操作臂末端的位姿)的各个关节角度。通过末端执行器实现两位姿的运动轨迹描述，通过起始点和终止端的关节构建一个轨迹函数(即运动方程)。
S120：根据运动方程对关节进行插补，规划操作臂末端的运动轨迹；
运动轨迹的规划在关节空间中进行，对对应的关节进行插值运算，并对中间点进行数据点的密化，使得操作臂末端的运行轨迹形成连续光滑的曲线，进而保证操作臂按照规划的路径和轨迹运动，避免急速的运动加剧机构的磨损以及加速度突变可能引起的操作系统共振，确保操作臂运动的平滑性。
S130：构建运动学模型；
为各关节指定一个参考坐标系，对于每个关节均需指定一个Z轴和X轴，确定任意两个相邻坐标系之间的变换关系，得到模型参数，并根据模型参数构建运动学模型。
S140：根据运动学模型建立各关节坐标系，得到操作臂末端位姿描述；
根据运动学模型构建操作臂的坐标系，当关节(关节即为两连杆之间的连接)的坐标系不在参考坐标系原点时，在该关节坐标系原点与参考坐标系原点做一个矢量(位置矢量)来表示该坐标系的位置，该关节坐标系相对于参考坐标系的方向有9个标量，得到关节坐标系相对于参考坐标系的旋转矩阵，将位置矢量与旋转矩阵结合得到描述该关节位姿的位姿矩阵，通过描述操作臂连杆末端坐标系与参考坐标系的位姿变化，即可得到操作臂末端位姿的描述。
S150：根据操作臂末端位姿描述，得到各关节的给定变化量；
已知操作臂末端的位姿，通过反解得到各关节的关节变化量，关节变化量包括平移变化量和旋转变化量。各关节的变化量即期望各关节的变化量，也是执行单元的给定变化量。
S160：根据给定变化量控制各关节伺服电机的运转，动态控制操作臂末端的运动轨迹。
控制环节中控制器对于系统的控制精度及稳定性具有重要作用，控制器可优选用PID控制器。PID控制是将给定值r(t)与实际输出值y(t)的偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合形成控制量，对被控对象进行控制。PID控制的实现方式如下：
Figure BDA0004036798840000101
式中，y(t)—系统的输出；n(t)—给定值；e(t)—控制的输入，即偏差：e(t)＝n(t)-y(t)被控量与给定值的偏差；u(t)—控制的输出；Kp—比例系数；Ti—积分时间常数；Td—微分时间常数。
通过调节比例系数、积分时间常数和微分时间常数的大小可以实现对伺服电机的精确控制，使得伺服电机能够根据期望值进行运转，进而保证各关节的运动，并且保证各关节运动合成的运动轨迹与操作臂末端的期望运行估计保持一致。
在本实施例中，通过对操作臂末端运动轨迹的规划可以保证操作臂末端按照规定的路径和轨迹运动，通过插补的形式可以保证操作臂末端运行轨迹的平滑性及连续性；利用运动学模型可精确的计算出操作臂末端到达期望位姿时各个关节的变化量，提高操作臂的运动精度，实现对工件的精确加工；通过伺服控制可以实现动作执行机构的精确动作，进而提高操作臂的动作精度。
在本发明一实施例中，根据运动方程对关节进行插补包括：
将运动方程设置为：
θ(t)＝a0+a1t+a2t2+a3t3+a4t4+a5t5；
式中，θ(t)为关节角度；a0、a1、a2、a3、a4、a5为各次项的系数；t为时间；
将插补的约束条件设置为：
θ0＝a0；
Figure BDA0004036798840000111
Figure BDA0004036798840000112
Figure BDA0004036798840000113
Figure BDA0004036798840000114
Figure BDA0004036798840000115
式中，θ0为t0时刻的关节角；θf为tf时刻的关节角；
Figure BDA0004036798840000116
为t0时刻的关节角速度；/>
Figure BDA0004036798840000117
为tf时刻的关节角速度；/>
Figure BDA0004036798840000118
为t0时刻的关节角加速度；/>
Figure BDA0004036798840000119
为tf时刻的关节角加速度；
根据运动方程和约束条件，得到各次项系数的值；
各次项系数的结果为：
a0＝θ0；
Figure BDA00040367988400001110
Figure BDA00040367988400001111
Figure BDA00040367988400001112
Figure BDA00040367988400001113
Figure BDA0004036798840000121
在本实施例中，在插补过程中共设置了六个边界条件，即起始位置的关节角、关节角速度和关节角加速度。并给出了各个参数的计算规则，通过此规则当设定好关节起始点关节角和终止点关节角和运动时间后，对关节进行仿真测试，最终结果如图3所示，表明各关节的关节角、关节角速度和关节角加速度曲线都是连续光滑的，因此不会发生系统的奇异性问题。
在本发明一实施例中，根据运动学模型建立各关节坐标系，得到操作臂末端位姿描述包括：
确定参考坐标的初始位置；
根据参考坐标建立各关节的坐标(如图4所示)，关节包括第一平移关节、第二平移关节、第一转动关节和第二转动关节，第一平移关节为第一连杆和第二连杆的连接点，第二平移关节为第二连杆和第三连杆的连接点，第一转动关节为第三连杆与第四连杆的连接点，第二转动关节为第四连杆和操作臂末端的连接点；
分别描述相邻连杆的相对位姿；
将第一连杆的坐标相对于参考坐标的位姿描述为：
Figure BDA0004036798840000122
将第二连杆的坐标相对于第一连杆的坐标的位姿描述为：
Figure BDA0004036798840000123
将第三连杆的坐标相对于第二连杆的坐标的位姿描述为：
Figure BDA0004036798840000131
将第四连杆的坐标相对于第三连杆的坐标的位姿描述为：
Figure BDA0004036798840000132
将操作臂末端相对于操作空间的位姿描述为：
Figure BDA0004036798840000133
式中，d1为第一平移关节的移动长度，d2为第二平移关节的移动长度，d3为第三连杆的长度；d4为第四连杆的长度；S3＝sinθ3；C3＝cosθ3；S4＝sinθ4；C4＝cosθ4；其中θ3为第一转动关节的转动角度；θ4为第二转动关节的转动角度。
在本实施例中，可以将操作臂关节坐标系的坐标转换到操作臂末端的位置和姿态之间的映射，通过给定各关节的变化量(移动长度和转动角度)，即可得到操作臂末端的位置和姿态，从运动学正解的角度实现对操作臂的控制。
在本发明一实施例中，根据操作臂末端位姿描述，得到各关节的给定变化量包括：
设定操作臂末端的位姿，并表示为：
Figure BDA0004036798840000134
式中；nx，ny和nz为操作臂末端的法线向量；ox，oy和oz为操作臂的指向向量；ax，ay和az为操作臂末端的接近向量；px，py和pz为操作臂的位置向量；
根据操作臂末端位姿描述和设定的操作臂末端位置，得到各关节的变化量；
其具体的推导过程如下：
令
Figure BDA0004036798840000141
得到：
py＝-d2-d4S3；
pz＝d1+d4C3；
ay＝-S3；
az＝C3；
nx＝S4；
ox＝C4；
进而得到个关节的变化量，向量
Figure BDA0004036798840000142
各关节的变化量即期望各关节的变化量，也是执行单元的给定变化量。
在本实施例中，可以设定操作臂末端的位姿，通过上述计算规则即可得到第一平移关节、第二平移关节的移动量以及第一转动关节和第二转动关节的旋转角度，进而控制各个关节运动，得到设定的操作臂末端位姿。
在本发明一实施例中，根据给定变化量控制各关节伺服电机的运转，动态控制操作臂末端的运动轨迹包括：
将各个关节的给定变化量转化为各个关节对应的伺服电机的给定转速；
利用复用器根据给定转速和各伺服电机反馈的输出转速向各伺服电机对应的分解器转发控制信号；
将其中一伺服电机的速度反馈与其它伺服电机的速度反馈比较，得到速度补偿信号；
将分解器接收的控制信号和速度补偿信号作为PID控制器给定信号对各个伺服电机进行伺服控制。
在本发明一实施例中，将其中一伺服电机的速度反馈与其它伺服电机的速度反馈比较，得到速度补偿信号包括：
获取每台伺服电机的输出转速和转动惯量；
根据各伺服电机与其它伺服电机间转动惯量的比值，得到各伺服电机与其它伺服电机间的速度反馈增益；
比较各伺服电机与其它伺服电机间的输出转速的差值，得到各伺服电机与其它伺服电机间的转速差；
根据各伺服电机与其它伺服电机间的速度反馈增益与转速差乘积之和，得到各伺服电机的速度补偿信号。
为了方便理解，以X轴伺服电机为例进行说明，如图5所示：
ω1为X轴伺服电机的输出转速；ω2为Z轴伺服电机的输出转速；ω3为A轴伺服电机的输出转速；ω4为B轴伺服电机的输出转速。K12、K13、K14分别为X轴伺服电机与Z轴伺服电机的速度反馈增益、X轴伺服电机与A轴伺服电机的速度反馈增益、X轴伺服电机与B轴伺服电机的速度反馈增益。
其中，
Figure BDA0004036798840000151
式中，J1、J2、J3和J4分别为X轴伺服电机、Z轴伺服电机、A轴伺服电机和B轴伺服电机的转动惯量。
则X轴伺服电机的速度补偿信号为：
e1＝K12(ω1-ω2)+K13(ω1-ω3)+K14(ω1-ω4)。
在本实施例中，可消除过渡阶段或负载扰动引起的伺服电机间的速度差，当负载扰动等因素引起其中任意一台伺服电机速度波动时，系统中其它伺服电机也会收到该波动信息，从而做出调整。四头电主轴操作臂有四个运动轴，为多轴耦合同步控制系统，采用上述的速度补偿方式可以同步控制四个伺服电机的耦合控制，提高系统的可靠性和控制精度，从提高生产效率及产品质量。
基于同一发明构思，本申请实施例还提供了一种数控加工的动态控制装置，可以用于实现上述实施例所描述的方法，如下面的实施例所述。由于装置解决问题的原理与方法相似，因此装置的实施可以参见方法实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的系统较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。
本发明提供了一种数控加工的动态控制装置，如图6所示。在图6中，该装置包括：
第一构建模块210：用于构建运动方程；
轨迹规划模块220：用于根据运动方程对关节进行插补，规划操作臂末端的运动轨迹；
第二构建模块230：用于构建运动学模型；
位姿描述模块240：用于根据运动学模型建立各关节坐标系，得到操作臂末端位姿描述；
关节变化量获取模块250：用于根据操作臂末端位姿描述，得到各关节的给定变化量；
伺服控制模块260：用于根据给定变化量控制各关节伺服电机的运转，动态控制操作臂末端的运动轨迹。
在本发明一实施例中，轨迹规划模块220包括：
将运动方程设置为：
θ(t)＝a0+a1t+a2t2+a3t3+a4t4+a5t5；
式中，θ(t)为关节角度；a0、a1、a2、a3、a4、a5为各次项的系数；t为时间；
将插补的约束条件设置为：
θ0＝a0；
Figure BDA0004036798840000171
Figure BDA0004036798840000172
Figure BDA0004036798840000173
Figure BDA0004036798840000174
Figure BDA0004036798840000175
式中，θ0为t0时刻的关节角；θf为tf时刻的关节角；
Figure BDA0004036798840000176
为t0时刻的关节角速度；/>
Figure BDA0004036798840000177
为tf时刻的关节角速度；/>
Figure BDA0004036798840000178
为t0时刻的关节角加速度；/>
Figure BDA0004036798840000179
为tf时刻的关节角加速度；
根据运动方程和约束条件，得到各次项系数的值。
在本发明一实施例中，位姿描述模块240包括：
确定参考坐标的初始位置；
根据参考坐标建立各关节的坐标，关节包括第一平移关节、第二平移关节、第一转动关节和第二转动关节，第一平移关节为第一连杆和第二连杆的连接点，第二平移关节为第二连杆和第三连杆的连接点，第一转动关节为第三连杆与第四连杆的连接点，第二转动关节为第四连杆和操作臂末端的连接点；
分别描述相邻连杆的相对位姿；
将第一连杆的坐标相对于参考坐标的位姿描述为：
Figure BDA0004036798840000181
将第二连杆的坐标相对于第一连杆的坐标的位姿描述为：
Figure BDA0004036798840000182
将第三连杆的坐标相对于第二连杆的坐标的位姿描述为：
Figure BDA0004036798840000183
将第四连杆的坐标相对于第三连杆的坐标的位姿描述为：
Figure BDA0004036798840000184
将操作臂末端相对于操作空间的位姿描述为：
Figure BDA0004036798840000185
式中，d1为第一平移关节的移动长度，d2为第二平移关节的移动长度，d3为第三连杆的长度；d4为第四连杆的长度；S3＝sinθ3；C3＝cosθ3；S4＝sinθ4；C4＝cosθ4；其中θ3为第一转动关节的转动角度；θ4为第二转动关节的转动角度。
在本发明一实施例中，关节变化量获取模块包括：
设定操作臂末端的位姿；
根据操作臂末端位姿描述和设定的操作臂末端位置，得到各关节的变化量。
在本发明一实施例中，伺服控制模块260包括：
将各个关节的给定变化量转化为各个关节对应的伺服电机的给定转速；
利用复用器根据给定转速和各伺服电机反馈的输出转速向各伺服电机对应的分解器转发控制信号；
将其中一伺服电机的速度反馈与其它伺服电机的速度反馈比较，得到速度补偿信号；
将分解器接收的控制信号和速度补偿信号作为PID控制器给定信号对各个伺服电机进行伺服控制。
在本发明一实施例中，伺服控制模块260具体包括：
获取每台伺服电机的输出转速和转动惯量；
根据各伺服电机与其它伺服电机间转动惯量的比值，得到各伺服电机与其它伺服电机间的速度反馈增益；
比较各伺服电机与其它伺服电机间的输出转速的差值，得到各伺服电机与其它伺服电机间的转速差；
根据各伺服电机与其它伺服电机间的速度反馈增益与转速差乘积之和，得到各伺服电机的速度补偿信号。
本申请的实施例还提供能够实现上述实施例中的方法中全部步骤的一种电子设备的具体实施方式，参见图7，电子设备300具体包括如下内容：
处理器310、存储器320、通信单元330和总线340；
其中，处理器310、存储器320、通信单元330通过总线340完成相互间的通信；通信单元330用于实现服务器端设备以及终端设备等相关设备之间的信息传输。
处理器310用于调用存储器320中的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述实施例中的方法中的全部步骤。
本领域普通技术人员应理解：存储器可以是，但不限于，随机存取存储器(RandomAccess Memory，简称：RAM)，只读存储器(Read Only Memory，简称：ROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-OnlyMemory，简称：PROM)，可擦除只读存储器(ErasableProgrammable Read-Only Memory，简称：EPROM)，电可擦除只读存储器(ElectricErasable Programmable Read-Only Memory，简称：EEPROM)等。其中，存储器用于存储程序，处理器在接收到执行指令后，执行程序。进一步地，上述存储器内的软件程序以及模块还可包括操作系统，其可包括各种用于管理系统任务(例如内存管理、存储设备控制、电源管理等)的软件组件和/或驱动，并可与各种硬件或软件组件相互通信，从而提供其它软件组件的运行环境。
处理器可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称：CPU)、网络处理器(NetworkProcessor，简称：NP)等。可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
本申请还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括程序，所述程序在被处理器执行时用于执行前述任一方法实施例提供的方法。
本领域普通技术人员应理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质，具体的介质类型本申请不做限制。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种数控加工的动态控制方法，其特征在于，所述方法包括：
构建运动方程；
根据运动方程对关节进行插补，规划操作臂末端的运动轨迹；
构建运动学模型；
根据运动学模型建立各关节坐标系，得到操作臂末端位姿描述；
根据操作臂末端位姿描述，得到各关节的给定变化量；
根据给定变化量控制各关节伺服电机的运转，动态控制操作臂末端的运动轨迹。
2.如权利要求1所述的一种数控加工的动态控制方法，其特征在于，所述根据运动方程对关节进行插补，规划操作臂末端的运动轨迹包括：
将运动方程设置为：
θ(t)＝a0+a1t+a2t2+a3t3+a4t4+a5t5；
式中，θ(t)为关节角度；a0、a1、a2、a3、a4、a5为各次项的系数；t为时间；
将插补的约束条件设置为：
θ0＝a0；
Figure FDA0004036798830000011
Figure FDA0004036798830000012
Figure FDA0004036798830000013
Figure FDA0004036798830000014
Figure FDA0004036798830000015
式中，θ0为t0时刻的关节角；θf为tf时刻的关节角；
Figure FDA0004036798830000016
为t0时刻的关节角速度；/>
Figure FDA0004036798830000017
为tf时刻的关节角速度；/>
Figure FDA0004036798830000018
为t0时刻的关节角加速度；/>
Figure FDA0004036798830000019
为tf时刻的关节角加速度；
根据运动方程和约束条件，得到各次项系数的值。
3.如权利要求1所述的一种数控加工的动态控制方法，其特征在于，所述根据运动学模型建立各关节坐标系，得到操作臂末端位姿描述包括：
确定参考坐标的初始位置；
根据参考坐标建立各关节的坐标，所述关节包括第一平移关节、第二平移关节、第一转动关节和第二转动关节，第一平移关节为第一连杆和第二连杆的连接点，第二平移关节为第二连杆和第三连杆的连接点，第一转动关节为第三连杆与第四连杆的连接点，第二转动关节为第四连杆和操作臂末端的连接点；
分别描述相邻连杆的相对位姿；
将第一连杆的坐标相对于参考坐标的位姿描述为：
Figure FDA0004036798830000021
将第二连杆的坐标相对于第一连杆的坐标的位姿描述为：
Figure FDA0004036798830000022
将第三连杆的坐标相对于第二连杆的坐标的位姿描述为：
Figure FDA0004036798830000023
将第四连杆的坐标相对于第三连杆的坐标的位姿描述为：
Figure FDA0004036798830000024
将操作臂末端相对于操作空间的位姿描述为：
Figure FDA0004036798830000031
式中，d1为第一平移关节的移动长度，d2为第二平移关节的移动长度，d3为第三连杆的长度；d4为第四连杆的长度；S3＝sinθ3；C3＝cosθ3；S4＝sinθ4；C4＝cosθ4；其中θ3为第一转动关节的转动角度；θ4为第二转动关节的转动角度。
4.如权利要求1所述的一种数控加工的动态控制方法，其特征在于，所述根据操作臂末端位姿描述，得到各关节的给定变化量包括：
设定操作臂末端的位姿；
根据操作臂末端位姿描述和设定的操作臂末端位置，得到各关节的变化量。
5.如权利要求1所述的一种数控加工的动态控制方法，其特征在于，所述根据给定变化量控制各关节伺服电机的运转，动态控制操作臂末端的运动轨迹包括：
将各个关节的给定变化量转化为各个关节对应的伺服电机的给定转速；
利用复用器根据给定转速和各伺服电机反馈的输出转速向各伺服电机对应的分解器转发控制信号；
将其中一伺服电机的速度反馈与其它伺服电机的速度反馈比较，得到速度补偿信号；
将分解器接收的控制信号和速度补偿信号作为PID控制器给定信号对各个伺服电机进行伺服控制。
6.如权利要求5所述的一种数控加工的动态控制方法，其特征在于，
所述将其中一伺服电机的速度反馈与其它伺服电机的速度反馈比较，得到速度补偿信号包括：
获取每台伺服电机的输出转速和转动惯量；
根据各伺服电机与其它伺服电机间转动惯量的比值，得到各伺服电机与其它伺服电机间的速度反馈增益；
比较各伺服电机与其它伺服电机间的输出转速的差值，得到各伺服电机与其它伺服电机间的转速差；
根据各伺服电机与其它伺服电机间的速度反馈增益与转速差乘积之和，得到各伺服电机的速度补偿信号。
7.一种数控加工的动态控制装置，其特征在于，该装置包括：
第一构建模块：用于构建运动方程；
轨迹规划模块：用于根据运动方程对关节进行插补，规划操作臂末端的运动轨迹；
第二构建模块：用于构建运动学模型；
位姿描述模块：用于根据运动学模型建立各关节坐标系，得到操作臂末端位姿描述；
关节变化量获取模块：用于根据操作臂末端位姿描述，得到各关节的给定变化量；
伺服控制模块：用于根据给定变化量控制各关节伺服电机的运转，动态控制操作臂末端的运动轨迹。
8.如权利要求7所述的一种数控加工的动态控制装置，其特征在于，所述轨迹规划模块包括：
将运动方程设置为：
θ(t)＝a0+a1t+a2t2+a3t3+a4t4+a5t5；
式中，θ(t)为关节角度；a0、a1、a2、a3、a4、a5为各次项的系数；t为时间；
将插补的约束条件设置为：
θ0＝a0；
Figure FDA0004036798830000041
Figure FDA0004036798830000051
Figure FDA0004036798830000052
Figure FDA0004036798830000053
Figure FDA0004036798830000054
式中，θ0为t0时刻的关节角；θf为tf时刻的关节角；
Figure FDA0004036798830000055
为t0时刻的关节角速度；/>
Figure FDA0004036798830000056
为tf时刻的关节角速度；/>
Figure FDA0004036798830000057
为t0时刻的关节角加速度；/>
Figure FDA0004036798830000058
为tf时刻的关节角加速度；
根据运动方程和约束条件，得到各次项系数的值。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：
处理器、存储器、与网关通信的接口；
存储器用于存储程序和数据，所述处理器调用存储器存储的程序，以执行权利要求1至6任一项所述的一种数控加工的动态控制方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质包括程序，所述程序在被处理器执行时用于执行权利要求1至6任一项所述的一种数控加工的动态控制方法。
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CN111618861A (zh) * 2020-06-12 2020-09-04 重庆科技学院 一种基于四轴结构的双随动智能手臂控制方法

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