一种超声冲击装置的柔性控制方法

申请号 CN202211007327.2 申请日 2022-08-22 公开(公告)号 CN115449619B 公开(公告)日 2024-04-30
申请人 武汉理工大学; 发明人 尹飞; 易于煊; 华林;
摘要 本 发明 公开了一种超声冲击装置的柔性控制方法,包括以下步骤:搭建工作平台模型;建立数学模型,计算得到各时刻永磁同步 电机 运动过程中的相关参数;简化永磁同步电机的控制与调节;减少永磁同步电机相关参数中的偏差;设置仿真输入参数得到电机的具体仿真输出结果;得到 导轨 坐标数据,根据导轨坐标数据计算超声冲击装置运动的预期轨迹;根据导轨坐标随永磁同步电机运动时间变化的关系建立X轴导轨坐标与Y轴导轨坐标的一次函数关系,并建立导轨坐标轨迹的增量模型,根据增量模型优化输入。本发明能规避常规超声强化加工零件中的诸多缺点,对精准控制加工区域,减少工作时间,增加 工件 使用寿命都有良好的作用。
权利要求

1.一种超声冲击装置的柔性控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
搭建工作平台模型,工作平台模型至少包括工作平台总成、X轴运动组件和Y轴运动组件、超声冲击装置及用于固定超声冲击装置的工装面板和金属板;其中,X轴运动组件和Y轴运动组件均设置在工作平台总成上,且Y轴运动组件整体设置在X轴运动组件上方,X轴运动组件和Y轴运动组件分别设有供运动部件移动的X轴导轨和Y轴导轨;工装面板设置在Y轴导轨上;金属板安装在工作平台总成上且正对超声冲击装置;X轴运动组件和Y轴运动组件均设有驱动其上运动部件运动的永磁同步电机
建立数学模型,数学模型至少包括电机模型、矢量控制模型、PI调节模型,以及根据电机模型、矢量控制模型和PI调节模型整合得到的整体闭环模型;其中,电机模型用于计算得到各时刻永磁同步电机运动过程中的相关参数;相关参数至少包括X轴导轨坐标、Y轴导轨坐标和永磁同步电机的电磁推;矢量控制模型用于简化永磁同步电机的控制与调节;PI调节模型用于减少永磁同步电机相关参数中的偏差;整体闭环模型用于设置仿真输入参数得到电机的具体仿真输出结果;建立永磁同步电机的电磁推力与导轨坐标之间的变换模,得到导轨坐标数据,根据导轨坐标数据计算超声冲击装置运动的预期轨迹;根据导轨坐标随永磁同步电机运动时间变化的关系建立X轴导轨坐标与Y轴导轨坐标的一次函数关系,并建立导轨坐标轨迹的增量模型,根据增量模型优化输入;
建立电机模型的具体步骤为:
建立永磁同步电机的坐标变换模型,引入Clark变换与Park变换;
通过Clark变换将自然坐标系ABC中坐标转换为静止坐标系α‑β中坐标,转换方式为:
T T
[fα fβ fC]=T3s/2s[fA fB fC]
其中:
通过Park变换将静止坐标系α‑β中坐标转换为同步旋转坐标系d‑p中坐标,转换方式为:
T T
[fd fq]=T2s/2r[fα fβ]
其中:
式中,f指代电机的电压电流和磁链中任一变量,T3s/2s、T2s/2r分别为自然坐标系ABC与静止坐标系α‑β、静止坐标系α‑β与同步旋转坐标系d‑p发生转换时的坐标变换矩阵;
在同步旋转坐标系d‑q下对永磁同步电机建立电机模型,该模型中电机的定子在d,q轴的电压方程为:
定子的磁链方程为:
ψd=Ldid+ψf
ψq=Lqiq
综上得到:
式中,ud、uq为定子电压在d、q轴的分量;id、iq为定子电流在d、q轴的分量;R为定子的电阻;ψd、ψq为定子磁链在d、q轴的分量;ωe为电机速度;Ld、Lq为定子电感在d、q轴的分量;ψf为永磁体磁链;
电机中驱动模块的电磁转矩方程为:
驱动模块的运动方程为:
式中,FL为负载阻力,Fe为电磁推力,Pn为永磁同步电机的极对数,B为粘滞摩擦系数,M为电机的定子质量,v为移动速度,τ为极距;
建立矢量控制模型的步骤为:根据电机的三相定子变量合成获得定子电压、电流和磁链的空间矢量,通过坐标变换模型将三相正交的交流量变换为两相正交的交流量,再通过旋转变换;将两相正交的交流量变换为两相正交的直流量,再进行坐标变换,将电流矢量分解为对磁通以及转矩的两种电流分量;
实际运算时间之和小于预计运算时间0.1ms时,在低于0.1ms的时间段加入适当零矢量使其大于或等于0.1ms;
PI调节模型中的比例Kp为0.06,积分Ki为1,采样时间Ts为0.000001s,输出值限制在‑
30~30;
建立永磁同步电机的电磁推力与导轨坐标之间的变换模块的方法为:根据电磁推力、轨道移动速度与电磁转矩的计算关系对电磁转矩进行处理,计算关系为:
以上述计算关系建立永磁同步电机的电磁推力与导轨坐标之间的变换模块;
建立增量模型的方法为:
X轴导轨与Y轴导轨上运动部件同时移动,其时间同步,因此有时间关于导轨坐标的方程如下:
式中,X、Y分别为X轴导轨坐标和Y轴导轨坐标,t为电机运动时间,k1、k2分别为X轴时间常数和Y轴时间常数;
联立获得X轴导轨坐标与Y轴导轨坐标的一次函数关系如下:
根据超声冲击装置相对于金属板的运动轨迹起始点坐标与原点之间坐标关系,得到第一段X轴导轨坐标增量ΔX和Y轴轨道坐标增量ΔY之间的关系,得到X轴导轨坐标、Y轴导轨坐标的第一段输入之间的关系,通过下一个 需要变化的坐标点,计算出第二段ΔX和ΔY之间的关系,得到X、Y的第二段输入之间的关系,以此类推,最终得到达到预期轨迹所需要的信号输入并带入时间参数建立增量模型。
2.一种计算机设备,包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1所述方法的步骤。
3.一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1所述方法的步骤。

说明书全文

一种超声冲击装置的柔性控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于材料超声冲击强化制造领域,具体涉及一种超声冲击装置的柔性控制方法。

背景技术

[0002] 汽车轻量化是对汽车部件的一种重要的处理方法,该方法在国内外已经发展地十分成熟,有许多工艺都能有很不错的轻量化处理效果,其中超声冲击工艺对于汽车部件性能提升有很大的作用。超声冲击强化处理一般是对于轻量化处理之后的汽车金属构件进行加工,在对轻量化处理后的汽车金属构件进行超声冲击强化在其晶粒的细化方面有较为不错的作用,同时能够使其应均匀分散,避免残余拉应力对构件的损坏,引入对构件有好的影响的残余压应力,避免过快被电化学腐蚀,让汽车金属构件能够更好地抵抗腐蚀疲劳。
[0003] 超声冲击强化工艺的实现关键是依靠超声冲击工作台,在工作台上方悬挂着超声冲击枪,在超声发生器工作台启动时,处于高能量密度超声能量场中的冲击枪会高频振动使冲击枪上金属粒子脱离并与待处理构件撞击,从而使构件材料表面固定区域产生表面高强度、芯部高延伸率的具有梯度纳米结构加工硬化的改性强化层。尽管目前有多种超声冲击平台,但这些平台大都具有共同的局限性,即他们的冲击枪大多是固的,由此产生的弊端有:工作时只能产生小面积的固定强化区域,无法满足更多的使用场景;同时长时间服役容易较大程度地损害台架各紧固部件疲劳寿命,配件的频繁更换势必导致成本的提高,大大降低了汽车零部生产实际中的效率及经济性。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于,提供一种超声冲击装置的柔性控制方法,考虑软件控制和硬件设计的协同配合,可平稳控制工作台的驱动系统及输出轨迹、使导轨可在加工平面内自由高效地移动,通过导轨可对冲击部位进行调节,同时可对伺服控制系统进行仿真测试,从而达到对金属构件任意部位进行超声冲击强化处理目的。
[0005] 为解决上述技术问题,本发明的技术方案为:一种超声冲击装置的柔性控制方法,包括以下步骤:
[0006] 搭建工作平台模型,工作平台模型至少包括工作平台总成、X轴运动组件和Y轴运动组件、超声冲击装置及用于固定超声冲击装置的工装面板和金属板;其中,X轴运动组件和Y轴运动组件均设置在工作平台总成上,且Y轴运动组件整体设置在X轴运动组件上方,X轴运动组件和Y轴运动组件分别设有供运动部件移动的X轴导轨和Y轴导轨;工装面板设置在Y轴导轨上;金属板安装在工作平台总成上且正对超声冲击装置;X轴运动组件和Y轴运动组件均设有驱动其上运动部件运动的永磁同步电机
[0007] 建立数学模型,数学模型至少包括电机模型、矢量控制模型、PI调节模型,以及根据电机模型、矢量控制模型和PI调节模型整合得到的整体闭环模型;其中,电机模型用于计算得到各时刻永磁同步电机运动过程中的相关参数;相关参数至少包括X轴导轨坐标、Y轴导轨坐标和永磁同步电机的电磁推力;矢量控制模型用于简化永磁同步电机的控制与调节;PI调节模型用于减少永磁同步电机相关参数中的偏差;整体闭环模型用于设置仿真输入参数得到电机的具体仿真输出结果;建立永磁同步电机的电磁推力与导轨坐标之间的变换模,得到导轨坐标数据,根据导轨坐标数据计算超声冲击装置运动的预期轨迹;
[0008] 根据导轨坐标随永磁同步电机运动时间变化的关系建立X轴导轨坐标与Y轴导轨坐标的一次函数关系,并建立导轨坐标轨迹的增量模型,根据增量模型优化输入。
[0009] 建立电机模型的具体步骤为:
[0010] 建立永磁同步电机的坐标变换模型,引入Clark变换与Park变换;
[0011] 通过Clark变换将自然坐标系ABC中坐标转换为静止坐标系α‑β中坐标,转换方式为:
[0012] [fα fβ fC]T=T3s/2s[fA fB fC]T
[0013] 其中:
[0014]
[0015] 通过Park变换将静止坐标系α‑β中坐标转换为同步旋转坐标系d‑p中坐标,转换方式为:
[0016] [fd fq]T=T2s/2r[fα fβ]T
[0017] 其中:
[0018]
[0019] 式中,f指代电机的电压电流和磁链中任一变量,T3s/2s、T2s/2r分别为自然坐标系ABC与静止坐标系α‑β、静止坐标系α‑β与同步旋转坐标系d‑p发生转换时的坐标变换矩阵;
[0020] 在同步旋转坐标系d‑q下对永磁同步电机建立电机模型,该模型中电机的定子在d,q轴的电压方程为:
[0021]
[0022] 定子的磁链方程为:
[0023] ψd=Ldid+ψf
[0024] ψq=Lqiq
[0025] 综上得到:
[0026]
[0027] 式中,ud、uq为定子电压在d、q轴的分量;id、iq为定子电流在d、q轴的分量;R为定子的电阻;ψd、ψq为定子磁链在d、q轴的分量;ωe为电机速度;Ld、Lq为定子电感在d、q轴的分量;ψf为永磁体磁链;
[0028] 电机中驱动模块的电磁转矩方程为:
[0029]
[0030] 驱动模块的运动方程为:
[0031]
[0032]
[0033] 式中,FL为负载阻力,Fe为电磁推力,Pn为永磁同步电机的极对数,B为粘滞摩擦系数,M为电机的定子质量,v为移动速度,τ为极距。
[0034] 建立矢量控制模型的步骤为:根据电机的三相定子变量合成获得定子电压、电流和磁链的空间矢量,通过坐标变换模型将三相正交的交流量变换为两相正交的交流量,再通过旋转变换;将两相正交的交流量变换为两相正交的直流量,再进行坐标变换,将电流矢量分解为对磁通以及转矩的两种电流分量。
[0035] 实际运算时间之和小于预计运算时间0.1ms时,在低于0.1ms的时间段加入适当零矢量使其大于或等于0.1ms。
[0036] PI调节模型中的比例Kp为0.06,积分Ki为1,采样时间Ts为0.000001s,输出值限制在‑30~30。
[0037] 建立永磁同步电机的电磁推力与导轨坐标之间的变换模块的方法为:根据电磁推力、轨道移动速度与电磁转矩的计算关系对电磁转矩进行处理,计算关系为:
[0038]
[0039] 以上述计算关系建立永磁同步电机的电磁推力与导轨坐标之间的变换模块。
[0040] 建立增量模型的方法为:
[0041] X轴导轨与Y轴导轨上运动部件同时移动,其时间同步,因此有时间关于导轨坐标的方程如下:
[0042]
[0043] 式中,X、Y分别为X轴导轨坐标和Y轴导轨坐标,t为电机运动时间,k1、k2分别为X轴时间常数和Y轴时间常数;
[0044] 联立获得X轴导轨坐标与Y轴导轨坐标的一次函数关系如下:
[0045]
[0046] 根据超声冲击装置相对于金属板的运动轨迹起始点坐标与原点之间坐标关系,得到第一段X轴导轨坐标增量ΔX和Y轴轨道坐标增量ΔY之间的关系,得到X轴导轨坐标、Y轴导轨坐标的第一段输入之间的关系,通过下一个 需要变化的坐标点,计算出第二段ΔX和ΔY之间的关系,得到X、Y的第二段输入之间的关系,以此类推,最终得到达到预期轨迹所需要的信号输入并带入时间参数建立增量模型。
[0047] 还提供一种计算机设备,包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述任一项所述方法的步骤。
[0048] 还提供一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一项所述方法的步骤。
[0049] 与现有技术相比,本发明的有益效果为:
[0050] 本发明能规避常规超声强化加工零件中的诸多缺点,对精准控制加工区域,减少工作时间,增加工件使用寿命都有良好的作用。附图说明
[0051] 图1为本发明实施例中超声冲击装置的柔性控制系统的整体框架图;
[0052] 图2(a)为本发明实施例中X轴运动组件的硬件模型图,图2(b)为本发明实施例中Y轴运动组件的硬件模型图,图2(c)本发明实施例中工装面板的硬件模型图,图2(d)为本发明实施例中工作平台总成的硬件模型图;
[0053] 图3为本发明实施例中永磁同步电机的坐标变换模型示意图;
[0054] 图4(a)为本发明实施例中在同步旋转坐标系d‑q下电机模型的转矩输出结果示意图;图4(b)为本发明实施例中在同步旋转坐标系d‑q下电机模型的角速度输出结果示意图;图4(c)为本发明实施例中在同步旋转坐标系d‑q下电机模型的电机定子在d‑q上电流输出结果示意图;
[0055] 图5为本发明实施例中永磁同步电机的矢量控制模型图;
[0056] 图6为本发明实施例中永磁同步电机的PI调节模型图;
[0057] 图7为本发明实施例中电机控制系统的整体闭环模型图;
[0058] 图8(a)为本发明实施例中永磁同步电机的转速结果示意图;图8(b)为本发明实施例中永磁同步电机的角度结果示意图;图8(c)为本发明实施例中永磁同步电机的电磁转矩结果示意图;图8(d)为本发明实施例中永磁同步电机的定子电流结果示意图;
[0059] 图9为本发明实施例中导轨坐标转换模块的结构示意图。
[0060] 图10(a)为本发明实施例中坐标转换模块输入信号的输出结果的输出结果示意图;图10(b)为本发明实施例中坐标转换模块电磁推力的输出结果示意图;
[0061] 图10(c)为本发明实施例中坐标转换模块导轨位移量的输出结果的输出结果示意图;图10(d)为本发明实施例中坐标转换模块导轨坐标输出结果的输出结果示意图;
[0062] 图11(a)为本发明实施例中运动轨迹增量控制模型的结构示意图;图11(b)为本发明实施例中运动轨迹增量控制模型中X轴轨道的输入信号示意图;图11(c)为本发明实施例中运动轨迹增量控制模型中Y轴轨道的输入信号示意图(d)为本发明实施例中运动轨迹增量控制模型中预期的连续加工轨迹示意图;
[0063] 图中,1‑电机,2‑X轴导轨,3‑Y轴导轨,4‑工作平台总成。

具体实施方式

[0064] 为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解,现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
[0065] 如图1所示,为本发明实施例提供的一种超声冲击枪的柔性控制系统,包括以下步骤:
[0066] S1、在Solidwork中对于运动平台的硬件部分进行建模
[0067] 图2(a)‑图2(d)为超声加工装置的硬件模型图,其中图2(a)为X轴运动部件,图2(b)为Y轴运动部件,图2(c)为用于固定冲击枪的工装面板,图2(d)为工作平台总成4。具体工作过程包括:X、Y运动部件中的X轴导轨2、Y轴导轨3各装有一根螺杆,通过两个电机1带动螺杆沿着导轨内壁方向上的平动运动,将电机1的旋转运动转化为工作平台总成4的平动,Y轴运动部件装配在X轴运动部件上,固定冲击枪的工装面板装在Y轴导轨的上端面;最终由X轴运动部件中电机1驱动工作台的X轴运动,由Y轴运动部件中电机1驱动工作台的Y轴运动,搭配冲击枪完成对工件在平面内实现任意连续轨迹的加工。
[0068] 进一步地根据以上模型,该系统对运动平台的控制主要是通过控制两个反应式步进电机的输入信号来控制电机的输出以控制X、Y导轨的移动,以此达到获取预期的任意连续轨迹的效果。
[0069] S2、通过Matlab/Simulink对控制系统进行数学模型的搭建,具体包括以下步骤:
[0070] S2.1、建立永磁同步电机的坐标变换模型
[0071] 考虑到需要对控制系统的整体进行设计,需要在建模之前先进行降阶和解耦变换。由此引入Clark变换与Park变换;
[0072] Clark变换将自然坐标系中三相ABC转换到静止坐标系α‑β的坐标:
[0073] [fαfβfC]T=T3s/2s[fA fB fC]T
[0074] 其中:
[0075]
[0076] 随后的Park变换将静止坐标系α‑β转换到同步旋转坐标系d‑p:
[0077] [fd fq]T=T2s/2r[fαfβ]T
[0078] 其中:
[0079]
[0080] 将同步旋转坐标系d‑p转换到自然坐标系ABC,则会有:
[0081] [fA fB fC]T=T2r/3s[fd fq f0]T
[0082] 其中:
[0083]
[0084] 上式中:f为电机的电压、电流、磁链等变量;T3s/2s、T3s/2r、T2s/2r与为坐标变换矩阵。
[0085] 根据以上坐标变换,得到永磁同步电机中的坐标变换模型;
[0086] S2.2、在同步旋转坐标系d‑q下建立电机模型
[0087] 在坐标变换的基础上,在同步旋转坐标系d‑q下对PMSM(永磁同步电机)进行Matlab/Simulink模型的建立,该模型的定子在d,q轴的电压方程为:
[0088]
[0089] 定子的磁链方程为:
[0090]
[0091] 综合以上公式,得到:
[0092]
[0093] 上式中:ud、uq为定子电压在d、q轴的分量;id、iq为定子电流在d、q轴的分量;R为定子的电阻;ψd、ψq为定子磁链在d、q轴的分量;ωe为电机角速度;Ld、Lq为定子电感在d、q轴的分量;ψf为永磁体磁链。
[0094] 驱动模块的电磁转矩方程为:
[0095]
[0096] 驱动模块的运动方程为:
[0097]
[0098]
[0099] 其中,FL是负载阻力、Fe是电磁推力、Pn是PMLSM的极对数、B是粘滞摩擦系数、M是电机的定子质量、v是移动速度,τ是极距。
[0100] 由以上公式,对永磁同步电机的数学模型进行建立如图4(a)(b)(c)所示,具体包括电磁转矩的计算、机械角速度计算、d‑p轴电流计算模型。
[0101] S2.2、建立矢量控制模型
[0102] 在永磁同步电机的数学模型建立之后,PMSM在其运转的时间,他的许多物理量例如定子绕组的电压、电流、磁链等实时不同,为了简化永磁同步电机的控制与调节,由此引入PMSM的矢量控制,步骤:首先根据三相定子变量合成获得定子电压、电流、磁链的空间矢量,将三相正交的交流量变换为两相正交的交流量,再通过旋转变换(即S2.1中的Clark变换与反Clark变换和Park变换与反Park变换),将两相正交的交流量变换为两相正交的直流量,再进行坐标变换,让电流矢量分解为对磁通以及转矩的两种电流分量。实际运算时运算时间的和与0.1ms有出入(小于0.1ms),最后在低于0.1ms的时间段加入适当的零矢量。PMSM的矢量控制模型如图5所示。
[0103] S2.3、建立PI调节模型
[0104] PI调节能够根据比例表示系统的偏差,系统如若发现了偏差,比例调节上发挥调节作用让系统减少偏差,根据上述原理对其整体建模如图6,在该模型中,比例Kp为0.06,积分Ki为1,采样时间Ts取0.000001,输出值限制在‑30到30之间。
[0105] S2.4、建立电机控制系统的整体闭环模型,设置仿真输入参数得到电机的具体仿真输出结果。
[0106] 因此,将上述各步骤中的模型整理组合,得到电机控制系统的整体闭环模型如图7,再对输入参数进行设置后,如图8所示模型可以正确迅速地响应得到步进电机的转速、角度、电磁转矩、定子电流等输出数据,验证了系统的可行性;其中该模型的具体仿真结果如下:在给电机施加T=10N·m的载荷,W=1500r/min的转速时,永磁同步电机的转速结果如下图8(a),永磁同步电机的角度结果如下图8(b),永磁同步电机的电磁转矩结果如下图8(c),永磁同步电机的定子电流结果如下图8(d)。
[0107] 由仿真结果可知,电机能够迅速并稳定地达到1500r/min,电机转角也在稳定上升,同时该电机的转矩也能够迅速达到10N·m并稳定,说明该系统模型建立无误,能够迅速准确地达到目标,同时Ia、Ib、Ic三相交流电能够迅速呈现稳定规律的三相交流正弦波。因此验证了模型的稳定性以及可靠性,说明其能够完成预期目标。
[0108] S2.5、建立电机的电磁推力与导轨坐标之间的变换模块,得到导轨坐标数据[0109] 在对S2.4电机整体模型的输出数据进行处理之后可以得到电磁推力以及导轨坐标数据,最后可以通过数据结果可判断该模型是否满足系统所需功能。
[0110] 首先根据电磁推力、轨道移动速度与电磁转矩的关系
[0111]
[0112] 因此对系统模型电磁转矩输出进行处理,建立电磁推力与轨道坐标模块,如下图9。
[0113] 该模块中,由于系统是带动板在轨道中运动,钢的密度为7.9g/cm3,[0114] 该工作台上,钢板的尺寸为300*300*4(mm 3),由此计算得到质量模块中的钢板质量,并根据力与加速度关系,由此计算导轨坐标。因此,在模型中,在电磁扭矩输入模块给定如图10(a)的输入信号;给定以一秒为间隔的数值相反的阶跃信号,只要冲击枪以一秒为间隔采样,即可控制电机在每一秒之后达到预期位置,并在一秒之后回到原点,再重复仿真,得到其他数据,因此,根据上述10s数据输入,得到下图10(b)(c)(d)的模型输出结果对模型进行验证。
[0115] 由图10电磁推力及导轨位移的输出结果可知,电磁推力在每一秒之后都会反向,该平台的导轨位移图显示,导轨会在一秒达到目标后下一秒回到原点,并且坐标变化也如同预期所示,该模型能够完成系统的预期目标。因此只需要给定确定输入,将仿真的坐标结果导出并绘制,便可得到所需要的超声冲击强化柔性制造控制系统中冲击枪与金属板的相对轨迹,因此,该系统搭建完成,并且仿真结果如同预期所示,能够准确地完成目标。
[0116] S2.6、控制系统的运行效果及可行性分析
[0117] 冲击枪的冲击之后每两个相邻点之间得到的处理图形呈现相交的方式:
[0118] 工作台的尺寸为60cm*60cm,冲击枪的枪头是直径为2.5cm的圆形。为考虑到冲击轨迹的连续性,因此需要把工作台划分为X、Y轴均为1.25cm的单元格,即在X、Y轴各划分24个刻度,将工作台划分为24*24的网格,按照预期轨迹在特定预瞄的网格上冲击。
[0119] 上述系统中,达到如图11(d)预期目标轨迹的方法是通过将预期目标轨迹分解为若干个坐标点,通过需要达到的坐标点推算出需要施加的转矩、转速大小以及持续时间。在X、Y导轨在一秒内分别达到预期目标之后,在1秒时冲击枪工作,在下一秒电磁力矩反向,X、Y导轨沿原路径回到原点并进行下一预期点的移动,重复上述过程,最终完成目标。具体实现方式如下:
[0120] 首先确定加工轨迹中所有点的数量(记为n)及其坐标位置(即各点距离原点的位移大小Xn,Yn),第一步在划分的导轨工作平面网格内测量出到达各个点所需要的位移大小[0121] 第二步根据S2.5中的电磁推力与速度及位移公式,由力与加速度的关系:V2=2aX算出各电机带动导轨从原点运行到各个点所需要的加速度大小,从而获得每段时间内转矩与时间的关系曲线,作为图10(a)‑电机控制系统的整体输入。
[0122] S3、控制系统输入模块优化,建立坐标轨迹的增量模型
[0123] 由参数方程引出的输入模块的改进,对于系统的输入信号,上文建立的模型的输入模块输入的是转矩与时间的函数,对于移动平台,在达到某个位置时,X、Y轨道是同时移动的,他们所使用的时间是一样的,因为我们以时间为参数,对于X或者Y轴,他们的坐标关于时间的函数由输入可以看作在达到某个特定的坐标点时的方程为:
[0124]
[0125] 上式:X、Y为轨道坐标,t为电机行动时间,k1、k2是常数。
[0126] 因为X、Y导轨是同步运动的,所以方程组中t是一个参数,我们以t为参数,联立上下式,得到方程:
[0127]
[0128] 而k1、k2是常数,故 也是常数,因此在冲击枪运动时,X坐标也是相对于Y坐标的一次函数。
[0129] 由上文分析,在轨道运动时,X坐标是相对于Y坐标的一次函数,因此只需要确定X、Y轨道坐标增量ΔX和ΔY即可,根据增量ΔX和ΔY即可知道达到下一目标位置所需要的X、Y输入信号关系,使冲击枪到达指定位置,而不是回到原点。根据以上分析,若想要得到某特定的冲击枪相对于金属板的运动轨迹,可根据该轨迹起始点坐标与圆点之间坐标关系,得到第一段ΔX和ΔY之间的关系,得到X、Y的第一段输入之间的关系,而通过下一个 需要变化的坐标点,计算出第二段ΔX和ΔY之间的关系,得到X、Y的第二段输入之间的关系,以此类推,最终得到达到预期轨迹所需要的信号输入,建立根据时间参数所引出的增量模型如图11(a)。
[0130] 对运动轨迹增量模型进行仿真验证:
[0131] 在11(a)的模型中,首先在Simulink中将所建立的系统复制为两份,分别模拟X、Y轴的运动轨迹,再加入XYgraph模块,即可在该模块中得到X、Y轨道的运动轨迹。输入分别为图11(b)(c)所示的X、Y轨道的输入信号;根据增量模型分析,只需要仿真14s的数据即可。仿真结果如下图所示,工作台相对于冲击枪X、Y轨道的坐标为图11(d),由结果所示,该增量模型能够很好的达到预期加工效果。
[0132] 本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
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