多轴伺服系统的时间最优速度规划研究

论文摘要

在当前工业化社会,制造业水平是各国科技发展的直接体现,如何进一步提升工业制造中的加工速度和加工精度是目前研究的重中之重,速度规划问题便是解决该问题的核心。作为生产设备的主要组成部分,数控机床和工业机械臂的速度规划目前主要使用传统的T型、S型速度规划方法,存在不能充分利用设备加工潜力和加工精度不能显式保证等缺陷。为了解决该问题,本论文针对数控机床提出了时间最优和准时间最优的速度规划算法,增添加工精度约束项和其他高阶约束项,保证加工速度和精度的要求。同时针对工业机械臂,提出了准时间最优的速度规划算法,具有计算简单和易于拓展高阶约束项等优点。针对数控机床对象,提出考虑加工精度约束项的凸优化时间最优速度规划算法和迭代速度优化的准时间最优算法。从数控机床的运动学和动力学分析入手,论述了传统约束项对速度规划求解的作用。为保证加工精度,提出跟踪误差和轮廓误差等约束项,构建出完整的时间最优速度规划模型,利用两步优化策略,将该模型转化为凸优化模型进行高效求解。更进一步,为了避免高阶约束项难以转化为凸约束的问题,提出改进的准时间最优算法,具备可任意扩展高阶约束和计算形式简单的优点。利用多种轨迹验证了两种算法的有效性,证明了两种算法都可以在保证加工精度的前提下达到加工时间最优。针对工业机械臂对象,将迭代速度优化的准时间最优算法扩展到其速度规划领域。给定任务空间的轨迹,通过运动学逆解,转化为关节空间各轴的轨迹曲线,将各关节轴速度规划问题统一为位置参数的速度曲线优化问题,通过迭代调整位置-速度曲线的方法达到准时间最优效果。该算法解决了串并联机械臂速度规划中算法形式复杂和高阶约束项难以处理的问题。通过仿真验证了该算法的有效性。

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摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 论文背景及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.2.1 数控加工领域速度规划的研究现状

1.2.2 工业机械臂速度规划领域的研究现状

1.2.3 轮廓误差控制与计算的研究现状

1.3 论文主要研究内容

第2章数控机床时间最优速度规划算法

2.1 优化目标函数

2.2 基本模型与优化策略

2.2.1 速度约束项

2.2.2 加速度约束项

2.2.3 加加速度约束项

2.2.4 两步优化策略

2.3 精度约束项

2.3.1 弦误差约束

2.3.2 跟踪误差约束

2.3.3 轮廓误差约束

2.4 模型求解

2.5仿真与实验

2.5.1 实验对象建模与辨识

2.5.2椭圆轨迹仿真与实验

2.5.3蝴蝶轨迹仿真与实验

2.6 本章小结

第3章数控机床准时间最优速度规划算法

3.1 迭代速度优化算法

3.1.1 优化算法介绍

3.1.2 迭代速度优化算法约束项

3.1.3 迭代修改节点速度

3.2 改进的迭代速度优化算法

3.2.1 精度约束项

3.2.2 相邻节点的中点约束

3.2.3 节点选取策略

3.3仿真与实验

3.3.1椭圆轨迹仿真与实验

3.3.2蝴蝶轨迹仿真与实验

3.4 本章小结

第4章机械臂准时间最优速度规划算法

4.1 引言

4.2 规划原理介绍

4.2.1 规划约束项

4.2.2 规划执行流程

4.3仿真与实验

4.3.1并联机械臂速度规划实验

4.3.2串联机械臂速度规划实验

4.4 本章小结

结论

参考文献

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 赵金强

导师: 楼云江

关键词: 时间最优,速度规划算法,准时间最优,机械臂,数控机床

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 数学,金属学及金属工艺,自动化技术

单位: 哈尔滨工业大学

分类号: TG659;O221

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.002162

总页数: 72

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