[发明专利]基于主频能量时域最优分布的非对称变加速度规划方法

说明书

技术领域

本发明涉及机械工程与数学研究技术领域，具体涉及基于主频能量时域分布最优的非对称变加速度运动规划方法。

背景技术

运动加速度达到10g以上的机构装置被视为“柔体”，其动力学特性与一般的刚体机构差异较大。上述高加速的执行机构存在很大的惯性能量影响，在高速启停等高加速度情况下的残余振动很大，造成机构弹性振动能量需要较长的衰减时间才能满足高精密定位的需求。为保证高速高加速执行机构的精密定位要求，常见的解决方案主要为：设计平滑的加速度运动规划曲线来减少高速运动中因加速度变化带来的振动冲击。例如，制造业常见的S型曲线规划。

传统解决方案主要是从保证运动加速度曲线几何光顺进行运动规划设计。由于其并非从机构刚度、惯性、固有频率等内在本质物理原因角度来对执行机构的运动规划进行优化，得到的运动曲线在驱动过程中可能会产生谐波，因此又有学者提出了采用滤波来消除谐振分量。但该方法仍然存在两个问题：1)机构的固有频率随运动位形变化，需要设计变带阻的滤波器；2)滤波后导致运动不到位，需要进一步运动补偿，降低了效率。

为解决上述问题，专利201310460878.9提出了通过柔性多体动力学仿真优化，获得减小残余振动的S型运动曲线规划方法，将S型曲线参数由几何设计转为动力学设计，提高了适应性。

然而，微电子封装等高速设备需要实现极限速度，整个运动过程是加速或减速过程，没有匀速段。极速启停引起机构的宽频振动，使得基于小变形假设的柔性多体动力学应用受到制约，因此有必要引入新的方法来对高速机构动力学响应进行求解。

专利201310460878.9中提出一种高速机构减小残余振动的S型运动曲线规划方法，该方法主要是考虑机构柔性振动衰减对定位时间的影响，在传统的S型运动规划方法的基础上增加了衰减时间段，建立以定位时间最短为目标的考虑高速机构残余振动影响的S型曲线规划模型，可以较好地保证高速机构的运动平稳性，减少高速机构的定位时间。专利201310460878.9提出的方法中利用高精度截尾动态子结构方法来创建执行机构的柔性多体动力学模型，在后续的运动参数调整优化过程中上述柔性多体动力学模型保持不变。当执行机构的运动加速度进一步提升时，执行机构的响应将表现出很强的非线性，运动参数的修改将会对执行机构的柔性振动响应特性产生较大影响，即柔性多体动力学模型将发生较大变化，从而导致专利201310460878.9提出方法的适用范围将主要限制在高速执行机构运动过程中非线性影响较小的场合。

发明内容

本发明提出一种基于主频能量时域最优分布的非对称变加速度规划方法，解决存在大柔性变形等非线性影响和精密定位要求的高速高加速机构的运动规划问题，可以实现在高加速条件下的精密定位以及位/力平滑切换。同时，本发明提出的方法也适用于上述采用传统解决方法的执行机构运动规划问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

基于主频能量时域最优分布的非对称变加速度规划方法，该基于主频能量时域最优分布的非对称变加速度规划方法包括以下步骤：

步骤一、根据机构几何模型，建立包含运动学自由度的装配体有限元模型，并创建非线性有限元分析解算方案；

步骤二、设定运动参数,得到参数化非对称运动函数，并作为边界条件施加到非线性有限元模型中；

步骤三、对参数化非对称运动函数进行定位历程仿真，即通过非线性有限元求解得到实时动态历程响应曲线；

步骤四、判断驱动结束后实时振动响应曲线的振幅是否满足定位精度，若不满足，则计算梯度和步长，并修改运动函数参数，继续步骤三；若满足则终止步骤三的非线性有限元求解历程，获取直至终止时刻的时间T，进入步骤五；

步骤五、通过驱动时间和惯性能量衰减时间的测定，判断目标响应时间T是否为最小值，若是最小值则确定设定的运动参数为最优参数；若不是最小值则计算运动参数的梯度和步长，并重新设定运动参数，进入步骤三进行求解。

步骤一的具体方法如下：

a、建立机构的三维几何模型；

b、利用有限元软件对三维模型定义材料属性并进行网络划分，转换为有限元模型；

c、在机构部件的运动关节处创建运动约束，从而在有限元分析环境中建立机构的包含运动学自由度的装配体有限元模型；

d、在驱动关节，施加参数化非对称运动函数边界条件；

e、创建非线性有限元分析解算方案。