[发明专利]高精度三维轮廓控制方法及装置

说明书

本发明提供了高精度三维轮廓控制方法，包括以下步骤：在世界坐标系F_w下建立三轴运动平台的系统动力学方程，所述三轴运动平台的三个轴互为正交轴；在期望三维轮廓w_d的当前给定点建立任务坐标系，并计算世界坐标系F_w到任务坐标系F_f的坐标变换关系；通过刚体变换将任务坐标系F_f进行二次坐标变换，得到新的任务坐标系F_p，并计算任务坐标系F_f到新的任务坐标系F_p的坐标变换关系；将世界坐标系F_w下的系统动力学方程转换为新的任务坐标系F_p下的系统动力学方程；设计基于反馈补偿的PD控制器，实现对误差动力学的解耦控制。本发明只需要调节两组参数就可以分别控制三维的轮廓性能和进给性能。本发明还提供了对应的高精度三维轮廓控制装置。

技术领域

本发明涉及三维轮廓控制方法，尤其涉及高精度三维轮廓控制方法和装置。

背景技术

高速高精度加工技术在现代制造业中起着关键的作用，例如数控机床CNC金属切割、激光加工等。随着三维加工需求的增加，越来越多的设备将用于三维加工，比如三轴数控机床的金属切割、串联机器人的三维焊接和激光切割等。轮廓误差指系统当前实际反馈位置与理想轮廓轨迹的最短距离，在三维轮廓控制中，轮廓误差控制的好坏是衡量产品加工质量的核心指标。

现有的轮廓控制方法可以分为两大类：间接法和直接法。

在间接法中没有一个直接和轮廓误差对应的控制量，往往是通过降低伺服系统每个单轴的跟踪误差或者提高多轴伺服系统的同步性来间接的减小轮廓误差。

在直接法中，应用最多的是交叉耦合控制和基于坐标系变换的轮廓控制。

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。

中国发明专利《一种复杂轨迹的轮廓控制方法》(专利号：200710030228.5)和《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)针对两轴伺服系统，使用的是交叉耦合控制的方法，在单轴控制的基础上，直接补偿系统的轮廓误差，提高加工精度。

基于坐标系变换的方法，通过将加工中的轨迹进给运动(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)进行解耦，当做两个独立的控制量来分别进行控制。

中国发明专利《基于任务极坐标系的伺服系统轮廓控制方法》(申请号：201310749851.1)，对于二维轮廓加工，通过在期望轨迹处的密切圆建立一个任务极坐标系，通过密切圆估算出当前实际位置到密切圆的最短位置，将密切圆的径向作为轮廓性能指标，将密切圆的跟踪角度作为进给性能指标，从而将轮廓性能和进给性能进行解耦控制。

以上专利中所用的方法都是针对XY两轴伺服系统进行二维轮廓控制。对于二维轮廓控制，由于轮廓误差和跟踪误差都在密切平面内，可以很方便的实现轮廓性能和进给性能的解耦。但是对于三维轮廓控制，轮廓误差往往不在密切平面内，所以对于三维轮廓控制，要实现轮廓性能和进给性能的解耦就需要在三维坐标系的每一个坐标方向进行控制，也就是需要对三组参数进行调节，参数调节繁琐，增加了三维轮廓控制方法的应用难度。

发明内容

为了解决现有三维在三维轮廓控制应用中参数调节繁琐的问题，本发明提出了一种新的基于任务坐标系的方法，在新的任务坐标系下，只需要调节两组控制参数即可实现三维加工的轮廓性能和进给性能的解耦控制。

根据本发明的第一方面，提供了高精度三维轮廓控制方法，包括以下步骤：