[发明专利]基于任务极坐标系的伺服系统轮廓控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及伺服系统轮廓控制方法，尤其涉及一种基于任务极坐标系的伺服系统轮廓控制方法。

背景技术

轮廓控制技术是现代高端自动化设备的关键技术之一，广泛应用于现代制造业的核心装备中，如数控机床、工业机器人、激光加工设备等。轮廓控制的目的是控制多轴伺服系统沿着期望的轨迹运动，尤其是减少与运动方向垂直的方向上的误差。数控机床多轴伺服系统的高速高精度轮廓控制，可以实现良好的工件表面质量，对现代工业具有重要的现实意义和广阔的应用前景。现有的轮廓控制方法存在轮廓误差估计能力不足和高速下轮廓性能严重退化等问题，迫切需要对其进行改进完善。

轮廓误差，即当前实际位置与期望轮廓轨迹的最短距离，是衡量产品加工质量的核心指标。轮廓控制问题主要包括轮廓误差估计和轮廓控制算法两方面。

在轮廓误差估计方面，对于简单的轮廓轨迹，如直线和圆形，可以得到准确的计算公式。但是对于较复杂的自由曲线，轮廓误差的准确计算非常复杂，难以实时实现。对于数控系统而言，通常需要进行轮廓误差在线估计。常用的估计方法可以分为三种：基于局部几何特性的估计方法，基于代数方程的估计方法，基于进给命令的估计方法。

基于局部几何特性的估计方法目前可以分为两类，一类是使用切线辅助估计轮廓误差，另一类则使用密切圆。基于代数方程的估计方法主要有等价轮廓误差方法和正交全局任务坐标系方法等。随着计算机技术的发展，数控系统的数据计算与存储能力大为提高，可以基于进给命令，使用一组参考位置来实时估计轮廓误差。

现有的轮廓控制算法可以分为三类：单轴控制，交叉耦合控制，解耦轮廓控制。

在传统的单轴控制器设计中，一般通过提高单轴跟踪精度来减小轮廓误差。典型的方法包括前馈控制和摩擦力补偿等。

交叉耦合控制在原有的多个单轴控制回路基础上增加了一个轮廓误差控制回路，通过对单轴跟踪误差进行交叉耦合计算得到估计的轮廓误差，然后设计轮廓误差控制器并将控制量通过交叉耦合增益分配给原有的单轴控制回路。

考虑到轮廓误差与参考轮廓运动轨迹相互垂直，可以认为在一般加工过程中，存在两种解耦的运动形式，轨迹跟踪运动（沿着参考轮廓轨迹进行运动）和轮廓跟踪运动（与轨迹跟踪运动方向垂直的运动），就此部分学者提出了解耦轮廓控制思路。

中国发明专利《一种复杂轨迹的轮廓控制方法》（专利号：200710030228.5）公开了一种复杂轨迹的轮廓控制方法，该方法结合一种具有轮廓误差预补偿功能的交叉耦合控制框架，对参与伺服运动的各轴建立自适应数据模型，根据当前目标位置点和若干历史位置点值，确定伺服被控对象待辨识参数，通过极点配置算法实时整定控制参数。

另一种轮廓控制方法是中国发明专利《基于预测控制和交叉耦合的直驱XY平台轮廓控制方法》（专利号：201210359218.7）。这种方法基于预测控制和交叉耦合控制实现了直驱XY平台轮廓控制方法。在单轴的控制中，使用预测控制器减小系统中的跟踪误差，间接提高双轴的定位精度；在双轴上使用交叉耦合控制器进行解耦，直接补偿系统的轮廓误差，提高加工精度。

现有的轮廓误差估计方法中，基于切线逼近的轮廓误差估计方法，对于线性或者曲率较小的轮廓能够取得良好的轮廓误差估计效果，但是对于一般光滑曲线，特别是大曲率曲线，则误差较大。基于局部逼近的轮廓误差估计方法都要求跟踪误差较小，才能取得较好的轮廓误差估计效果，在高速大曲率条件下其估计的有效性会恶化。基于代数方程的估计方法利用了期望轮廓轨迹的几何信息，而与实际运动时间无关，和局部逼近方法相比，能够在更大的范围内保证轮廓误差估计结果的准确性。然而，这种方法需要预先获得整个期望轮廓的解析代数表达式，这对于任意复杂轮廓而言较为困难，故而其适用范围也受到了限制。基于进给命令的估计方法，其效果和插补密度相关，若插补密度较低，则估计效果较差，并且对数控系统计算和存储能力有一定要求。

现有的轮廓控制算法中，单轴跟踪控制都是基于跟踪误差，即实际运动位置与期望运动位置之差。虽然轮廓误差可以认为和跟踪误差相关，但二者并不一致。所以传统的基于跟踪误差的控制方法在实际加工中可能导致轮廓误差增大。单轴跟踪控制着眼于降低系统的跟踪误差，对轮廓误差是开环控制。交叉耦合控制实现了对轮廓误差的闭环控制，但轮廓控制回路和单轴控制回路之间存在耦合作用，导致轮廓性能受到跟踪性能的影响。解耦轮廓控制将笛卡尔世界坐标系下的跟踪误差分解为切向误差和法向的轮廓误差。若双轴系统之间动力学匹配较好，则切向和轮廓误差之间的耦合作用可以忽略，即切向和法向的误差动力学系统是相互解耦的。