多轴同步运动控制器插补算法及速度优化研究

摘要

随着我国现代制造业的发展，多轴同步运动控制技术在诸如工业机器人耦合系统中得到广泛应用。多轴联动插补技术内嵌的插补技术是数控机床实现高速高精进给的关键。近年来，设计师们以NURBS为建模工具，追求更逼真、更生动的造型设计，然而仅仅支持直线和圆弧直接插补的传统数控设备，因存在精度低、加工文件冗余、CNC交互数据大等问题不能满足要求。含同步运动控制策略的多轴控制系统能提高多轴系统的同步控制性能，因此本文选题具有重要的理论研究意义以及工程实践价值。本文主要研究内容如下：　　总体阐述同步控制器以及NURBS插补算法的国内外现状，构建基于SOPC为核心的嵌入式多轴同步运动控制平台。对NURBS曲线性质及其参数计算方法进行理论推导，结合NURBS快速求导算法提出基于泰勒展开的NURBS曲线插补速度优化算法，并做详细的理论推导过程以及仿真实验验证。实验结果表明，速度误差的均方差减小一半，速度控制误差精度提升一个数量级。　　对传统梯形和S曲线加减速做了深入的理论分析，通过结合多轴同步运动控制器实际应用以及NURBS曲线特征，提出基于参数自调整S曲线加减速的NURBS插补算法并做仿真验证以及实验验证。　　在NURBS插补算法和加减速控制算法的基础上，结合同步运动控制特点，提出基于时间反馈的多轴同步运动控制策略，避免了诸多同步算法追求位置同步的同时舍弃速度控制造成的电机速度波动以及刚性冲击等问题。　　本文对该算法进行详细的理论推导以及软件仿真验证，最后在多轴同步运动控制实验平台上，完成实验验证，证明本文所提及算法的正确性和有效性。

目录

声明

1 同步运动控制器国内外现状

1.1 课题背景与意义

1.2 插补技术发展综述

1.2.1 插补技术概述

1.2.2 NURBS插补技术的发展

1.3 多轴同步控制策略综述

1.3.1 多轴同步控制概述

1.3.2 多轴同步控制方法研究

1.4 主要研究内容及章节安排

1.4.1 主要研究内容

1.4.2 论文章节安排

2 实验平台构建

2.1 多轴同步运动控制器架构设计

2.2 运动控制器硬件设计

2.1.1 核心控制器

2.1.2 伺服电机及驱动器

2.1.3 步进电机及驱动器

2.2 运动控制器软件设计

2.3 实验平台构建

2.3.1 印制电路板

2.3.2 实验平台

2.4 本章小结

3 基于NURBS曲线的泰勒展开插补算法研究

3.1 NURBS曲线

3.1.1 NURNS曲线定义

3.1.2 NURBS曲线性质及优缺点

3.2 NURBS快速求导算法

3.3 参数u计算优化算法

3.3.1 参数计算优化原理

3.3.2 参数搜索方向界定

3.3.3 搜索范围界定

3.4 仿真分析

3.5 本章小结

4 同步控制加减速算法研究

4.1 电机加减速控制

4.1.1 电机控制原理

4.1.2 电机加减速控制

4.2 电机加减速控制算法

4.2.1 加减速算法的特点分析

4.2.2 梯形加减速算法研究

4.3 S形曲线加减速研究

4.3.1 传统S形加减速算法

4.3.2 自适应S曲线加减速算法

4.4 S形曲线速度规划的NURBS插补算法

4.4.1 NURBS插补与S形加减速

4.4.2 仿真与分析

4.5 本章小结

5 多轴同步控制系统同步控制方法研究

5.1 单轴脉冲控制

5.1.1 构建速度梯度表

5.1.2 单轴脉冲输出

5.1.3 单轴脉冲仿真分析

5.2 速度自适应双轴同步控制

5.2.1 双轴同步控制算法

5.2.2 双轴同步脉冲实验分析

5.3 三轴同步控制

5.4 本章小结

6 实验过程及实验结果分析

6.1 NURBS插补实验

6.2 单轴S曲线加减速输出实验

6.3 三轴梯形加减速同步控制实验

6.4 本章小结

7 总结与展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果