法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2016-03-30
授权
授权
2013-09-25
实质审查的生效 IPC(主分类):G06F17/50 申请日:20130516
实质审查的生效
2013-08-28
公开
公开
技术领域
本发明属于加工过程弧面凸轮运动规律的设计领域,涉及一种基 于多阶相关分析的弧面凸轮运动曲线辨识方法。
背景技术
在机械工程领域,弧面凸轮是实现机械运动的关键零件之一,其 运动曲线是保证弧面凸轮运动精度和平稳性的基础,因此,各个弧面 凸轮制造企业以及研究学者对此进行了大量的理论研究和试验。
弧面凸轮运动曲线辨识主要是对弧面凸轮的运动规律进行反求, 得到运动规律的数学表达。但是现有的数据拟合和曲线相关分析研究 都集中于各种曲线的一次拟合或相关分析方面,现有辨识方法采用最 小二乘方法直接进行曲线拟合,这样拟合得到的拟合曲线和多种运动 曲线都非常相关,相关系数都接近1,无法进行区分。因此,为了避 免冲击,面对弧面凸轮的设计,需要一种新的运动曲线的辨识方法, 从而使得弧面凸轮结构运动地更加平稳。面对弧面凸轮的加工,需要 一种运动曲线的辨识方法,来分析已有的弧面凸轮的运动规律,检验 制造的弧面凸轮的运动误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多阶相关分析的弧面凸轮运动 曲线辨识方法。
为达到上述目的,本发明采用了以下技术方案:
(1)弧面凸轮运动曲线的最小二乘拟合:对采集到的弧面凸轮 运动数据,采用最小二乘法进行曲线拟合,得到弧面凸轮的实际运动 曲线;
(2)相关分析:根据弧面凸轮的实际运动曲线与理想的弧面凸轮 运动曲线,进行弧面凸轮运动规律的相关分析得到相关系数;
(3)根据相关系数的差异完成弧面凸轮的实际运动曲线的识别过 程。
所述步骤(1)包括如下具体流程:
①假设某弧面凸轮的实际运动曲线上包含n个采集点,则将该 弧面凸轮的实际运动曲线表示为C={yt=fc(xt)},t=1,2,3…,n;将理想 的弧面凸轮运动曲线表示为Pk={ykt=fk(xt)},t=1,2,3…,n;k=1,2,3…,K, K为理想的弧面凸轮运动曲线种类总数;
②定义实际运动曲线的拟合多项式为:
fC(x)=α0g0(x)+α1g1(x)+α2g2(x)+...αmgm(x) (1)
公式(1)中,gj(x)=xj,j=0,1,2,…,m;m表示拟合多项式的阶数;
③由弧面凸轮的实际运动曲线采集点和实际运动曲线的拟合多 项式计算误差平方和:
④然后求偏导:
定义:
所以有:
通过求解公式(6)得到拟合多项式的系数αj,将系数αj对应带入拟 合多项式得弧面凸轮的实际运动曲线方程。
所述弧面凸轮运动规律的相关分析包括弧面凸轮的实际运动曲 线与理想的弧面凸轮运动曲线的多阶相关分析,所述多阶相关分析包 括弧面凸轮的实际运动曲线与理想的弧面凸轮运动曲线的一阶导数 或二阶导数的相关分析,所述相关系数为与相关分析对应的弧面凸轮 速度的相关系数或弧面凸轮加速度的相关系数。
所述弧面凸轮运动规律的相关分析还包括以下步骤:在多阶相关 分析前,将弧面凸轮的实际运动曲线与理想的弧面凸轮运动曲线进行 相关分析,得到相关系数γxy。
所述弧面凸轮的实际运动曲线与理想的弧面凸轮运动曲线进行 相关分析,包括如下具体流程:
由实际运动曲线采集点和理想运动曲线点计算相关系数γxy:
其中,yci表示拟合的实际运动曲线上对应xi的值,yki表示理想的 弧面凸轮运动曲线k上对应xi的值,n表示采集点个数。
所述理想的弧面凸轮运动曲线包括余弦曲线、正弦曲线、五次多 项式曲线、修正等速曲线、修正梯形曲线和修正正弦曲线,所述相关 系数为弧面凸轮加速度的相关系数。
所述步骤(2)包括如下具体流程:
当K种理想的弧面凸轮运动曲线和弧面凸轮的实际运动曲线的 相关系数γxy≈1,说明弧面凸轮的实际运动曲线和K种理想的弧面凸 轮运动曲线在位置曲线的相似程度非常高,需要进行一阶导数或二阶 导数相关分析;
由实际运动曲线采集点和理想运动曲线点计算相关系数,如果实 际运动速度曲线和理想运动速度曲线的相关系数γ′xy还不能区分弧面 凸轮的实际运动曲线的速度属性,则进行二阶求导和计算加速度的相 关系数γ″xy,直到辨识出来弧面凸轮的实际运动规律:
其中,y′ki表示理想的弧面凸轮运动曲线k一阶导数上对应xi的 值,y′ci表示拟合的实际运动曲线一阶导数上对应xi的值,y″ci表示拟合 的实际运动曲线二阶导数上对应xi的值,y″ki表示理想的弧面凸轮运动 曲线k二阶导数上对应xi的值,n表示采集点个数。
本发明与现有技术相比,其优点在于:
1)本发明为弧面凸轮运动曲线辨识提供了完整的参考解决方案 以及清晰的控制流程。
2)本发明提出了一种基于多阶相关分析的弧面凸轮运动曲线辨 识方法,并首次将其应用于弧面凸轮运动曲线辨识。弧面凸轮实际运 动曲线辨识包括:①弧面凸轮实际运动曲线的数据采集;②弧面凸 轮实际运动曲线数据的相关分析;③弧面凸轮实际运动曲线在一阶 导数、二阶导数和更高阶导数的相关分析。
3)本发明不仅有利于提高机械行业中机械运动机构的位置精 度,而且有利于提高机械运动机构的速度和加速度精度,进而提高机 械运动的平稳性。
附图说明
图1是修正正弦运动规律曲线;其中,(a)为修正正弦运动规律 的位移曲线,(b)为修正正弦运动规律的速度曲线,(c)为修正正弦 运动规律的加速度曲线,(d)为修正正弦运动规律的加速度变化曲线;
图2是加速度理论曲线与拟合曲线图;其中,实线为实际加速度 曲线,(a)中虚线为修正等速加速度理论曲线,(b)中虚线为修正梯 形加速度理论曲线,(c)中虚线为修正正弦加速度理论曲线,(d)中 虚线为余弦加速度理论曲线,(e)中虚线为五次多项式加速度理论曲 线,(f)中虚线为正弦加速度理论曲线;
图3是位移曲线辨识程序流程框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明:
一种基于多阶相关分析的弧面凸轮运动曲线辨识方法,包括三个 步骤:弧面凸轮运动曲线的最小二乘拟合、弧面凸轮实际运动曲线数 据的相关分析和多阶相关分析。
步骤(1)弧面凸轮运动曲线的最小二乘拟合
为了能够识别与辨识弧面凸轮的实际运动规律,进一步提高弧面 凸轮的加工精度,通过对弧面凸轮的实际运动曲线进行数据采集,在 此基础上,进行最小二乘曲线拟合,得到弧面凸轮的实际运动规律的 数学表达。因此,在弧面凸轮运动曲线辨识过程中,当采集到弧面凸 轮运动数据后,采用最小二乘法进行曲线拟合,得到实际运动曲线; 具体包括以下步骤:
①假设某弧面凸轮实际运动曲线上包含n个采集点,则将该弧 面凸轮实际运动曲线表示为C={yt=fc(xt)}(t=1,2,3…,n);理想的弧面凸 轮运动曲线表示为Pk={ykt=fk(xt)}(t=1,2,3…,n;k=1,2,3…,K),其中: K为弧面凸轮可能出现的理想运动曲线种类总数,有Pk={P1,P2...Pk} 种;Pk={ykt=fk(xt)}表示第k种理想运动曲线上的第t个点;
②定义实际运动曲线的拟合多项式为:
fC(x)=α0g0(x)+α1g1(x)+α2g2(x)+...αmgm(x) (1)
实际中,为了计算简单,一般定义:gj(x)=xj为常用幂函数。 j=0,1,2,…,m;m表示拟合多项式的阶数,阶数越高,精度越高,对于 机械运动来讲,经常用5~10。
③由实际运动曲线采集点和拟合多项式计算误差平方和:
该误差平方和代表了实际运动曲线和拟合多项式的偏离程度。
④求拟合多项式的偏导并解方程,得到多项式的系数:
其中,定义:
所以有:
所以,通过求解这个方程就可以得到弧面凸轮的实际运动曲线方 程,进而可以进行弧面凸轮的实际运动曲线相关分析。
步骤(2)相关分析
通过计算弧面凸轮的实际运动曲线和理想的运动曲线的相关系 数,进行弧面凸轮的实际运动曲线和理想的运动曲线的相关分析,具 体包括:
①由实际运动曲线采集点和理想运动曲线点计算误差平方和:
上式中误差平方和是辨别相关运动曲线的依据之一,该误差平方 和代表了实际运动曲线和第k种理想运动曲线的偏离程度,可以与归 一化的相关系数相配合使用。
②由实际运动曲线采集点和理想运动曲线点计算相关系数:
该相关系数代表了实际运动曲线和第k种理想运动曲线的相似 程度。其中,yci表示拟合的实际运动曲线上对应xi的值,yki表示理想 运动曲线k上对应xi的值,n表示采集点个数。
步骤(3)多阶相关分析
在弧面凸轮实际运动曲线与理想的运动规律的密切相关基础上, 进行弧面凸轮运动规律的一阶导数、二阶导数和更高阶导数的相关分 析,得到弧面凸轮实际运动曲线在弧面凸轮速度、加速度等的相关系 数及其相似形态类别,完成弧面凸轮实际运动曲线的识别过程,具体 包括:
①当K种理想运动曲线和实际运动曲线的相关系数γCP≈1,说 明实际运动曲线和K种理想运动曲线在位置曲线的相似程度非常高, 需要进行一阶导数、二阶导数和更高阶导数的相关分析。
②将实际运动曲线和K种理想运动曲线分别进行求导,计算实 际运动曲线和K种理想运动曲线的一阶和二阶的导数误差平方和:
k=1,2,3…,K;
上式中误差平方和是辨别相关运动曲线的依据之一,代表实际曲 线和理想曲线偏离的程度,与归一化的相关系数相配合使用。对于机 械运动机构来讲,该一阶导数的误差平方和代表了实际运动曲线和理 想运动曲线的速度偏离程度,二阶导数的误差平方和代表了弧面凸轮 的加速度与理想运动的加速度偏离程度。
③由实际运动曲线采集点和理想运动曲线点计算相关系数,如 果实际运动速度曲线和理想运动速度曲线的相关系数还不能区分弧 面凸轮的实际运动曲线的速度属性,则重复进行二阶求导和计算加速 度的相关系数,直到辨识出来弧面凸轮的实际运动规律:
其中,y′ki表示理想运动曲线k一阶导数上对应xi的值,y′ci表示拟 合的实际运动曲线一阶导数上对应xi的值,y″ci表示拟合的实际运动曲 线二阶导数上对应xi的值,y″ki表示理想运动曲线k二阶导数上对应xi的值。
基于多阶相关分析的弧面凸轮运动曲线辨识方法应用实例
常用弧面凸轮运动曲线有:余弦加速度曲线、正弦加速度曲线、 五次多项式曲线、修正等速曲线、修正梯形曲线和修正正弦曲线等六 种结构形式。其中,如图1所示为修正正弦曲线的位移曲线(0阶)、 速度曲线(1阶)、加速度曲线(2阶)和加速度变化曲线(3阶)。
这些运动曲线的辨识主要是对弧面凸轮的运动规律进行反求,得 到运动规律的数学表达。因此,为了验证本发明的正确性,进行实际 弧面凸轮的数据采集,得到一组弧面凸轮的数据。
1)弧面凸轮运动曲线的最小二乘拟合
按照上述步骤(1)进行最小二乘拟合,得到弧面凸轮的实际运 动曲线多项式为:
p(x)=91.4645×x10-448.3554×x9+934.9087×x8-1.078×103×x7
+746.8583×x6-312.223×x5+70.0229×x4-5.7668×x3+2.156×x2
-0.1052×x1+0.0011
2)相关分析
按照上述步骤(2)进行相关分析,得到弧面凸轮的实际运动曲 线和理想运动曲线的相关系数如表1所示:
表1 matlab程序运行得到的位移曲线六种误差及相关系数
3)多阶相关分析
以上表1所示,由于弧面凸轮的实际运动曲线和理想运动曲线的 相关系数都等于1,说明这个弧面凸轮运动曲线和六种理想运动曲线 都强相关,因此,需要进一步进行多阶的相关分析,按照上述步骤(3) 进行多阶相关分析,得到弧面凸轮的实际运动曲线和理想运动曲线的 二阶导数的相关系数如表2所示:
表2 matlab程序运行得到的加速度曲线六种误差及相关系数
4)应用效果
辨识效果如图2所示,实际凸轮的加速度曲线与六种理论加速度 曲线进行比对的结果,其中实线为实际加速度曲线,虚线为各种理论 加速度曲线,可以看出,实际加速度曲线只和图2c中加速度曲线相 互重叠,其余不重叠。可见,在对弧面凸轮的运动规律进行辨识时, 由于各种凸轮的位移规律极其相似,而加速度规律却有很大差别,而 用加速度曲线对弧面凸轮运动曲线进行辨识更为直观,因此,经过相 关分析和图形显示,实际的弧面凸轮曲线为修正凸轮曲线,其程序流 程图如图3所示。
修正正弦曲线是对余弦曲线的改进而来,它既克服了余弦曲线不 连续的缺点,又保留了最大速度和最大加速度较小的优点,该曲线的 平衡性极好,在负荷性质不清楚的情况下使用最没有危险,并具有较 好的吸振性,可实现平稳运动。修正正弦曲线应用于高速运动以外的 重载,具有特别的优越性。
针对弧面凸轮运动曲线来讲,现有技术仅仅进行位置运动曲线的 拟合,而没有考虑曲线对应的速度和加速度等高阶导数对应的曲线相 关分析,针对运动曲线对应的机械运动机构来讲,这样没有考虑速度 连续性和平滑性的相关分析结果,会给机械带来运动的冲击。上述应 用实例的结果证明了所提出的基于多阶相关分析的弧面凸轮运动曲 线辨识方法的准确性,也证明了基于多阶相关分析的弧面凸轮运动曲 线辨识方法在弧面凸轮加工过程中实施的可行性和必要性。
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