专利摘要
本发明公开了一种缩短空行程定位时间的振镜电机运动规划方法，包括步骤建立包含运动学自由度的装配体有限元模型和非线性动态响应有限元模型；设定参数化运动函数，并将其作为边界条件施加到所述包含运动学自由度的非线性装配体有限元模型中；进行振镜机构非线性有限元模型的解算，获得振镜机构运动响应曲线，实时计算相对于定位终止位置的位移、速度信息；判断振镜机构是否满足定位精度要求并获取终止所用残余振动衰减时间长度；得到整体运动定位时间，并将最小化整体运动时间作为优化目标；获得运动规划参数的最优参数。与现有技术相比，本发明所得的到优化结果兼顾了最终定位精度和最小化定位时间的双方面要求。
权利要求
1.一种缩短空行程定位时间的振镜电机运动规划方法，其特征在于，包括步骤
S1：根据振镜机构的几何模型，建立包含运动学自由度的装配体有限元模型，并创建含运动学自由度的非线性动态响应有限元模型；
S2：设定参数化运动函数，并将其作为边界条件施加到所述包含运动学自由度的非线性装配体有限元模型中；
S3：利用所述振镜机构含运动学自由度的非线性动态响应有限元模型和所述的参数化运动函数边界条件，并进行振镜机构非线性有限元模型的解算，获得所述振镜机构在所述参数化运动函数边界条件作用下的运动响应曲线，实时计算相对于定位终止位置的位移、速度信息；
S4：利用所述相对于定位终止位置的位移、速度来实时判断振镜机构是否满足定位精度要求，重复执行步骤S3中的振镜机构非线性有限元模型解算，直到满足定位精度要求，并获取该终止时刻与运动规划终止时刻之差为所用残余振动衰减时间长度Tres；
S5：将所述残余振动衰减时间Tres以及运动驱动时间Tplan求和得到整体运动定位时间Ttotal(＝Tres+Tplan)，并将最小化Ttotal作为优化目标；
S6：通过迭代收敛判定Ttotal是否为最小值，若Ttotal为最小值，则对应迭代过程中的运动规划参数为最优参数，若Ttotal不是最小值，则基于梯度优化算法计算运动参数的优化搜索方向与搜索步长，并更新S3步骤中的参数化运动函数，返回S3步骤进行迭代计算。
2.如权利要求1所述的缩短空行程定位时间的振镜电机运动规划方法，其特征在于，步骤S1中创建含运动学自由度的非线性动态响应有限元模型的方法包括步骤
S11：根据振镜机构的三维几何模型进行有限元网格划分及材料属性定义操作，建立振镜机构的有限元模型；
S12：在机构部件的运动关节处创建运动副约束，从而在有限元分析环境中建立振镜机构包含运动学自由度的装配体有限元模型；
S13：在驱动关节施加参数化运动函数边界条件；
S14：创建完整的非线性有限元分析解算模型。
3.如权利要求1所述的缩短空行程定位时间的振镜电机运动规划方法，其特征在于，步骤S4中判断振镜机构是否满足定位精度要求的方法包括步骤
S41：对步骤S3中获得的振镜机构定位末端的残余振动历程的位移、速度信息进行快速傅里叶变换和带通滤波信号处理(或者仿真模型中分别测量各模态信息)，获得振镜机构的各阶固有频率ωi(i＝1..n)及其对应的振镜机构残余振动历程中的位移si(t)、速度vi(t)信号；
S42：利用所述固有频率ωi与位移si(t)、速度vi(t)信号获得各阶固有频率ωi所对应的位移si(t)及速度vi(t)时域历程曲线，并利用公式 获得各阶固有频率ωi所对应的能量包络线Ei(t)，所述能量包络线Ei(t)的幅值为振镜机构在t时刻固有频率ωi所对应时域运动历程能量的等效弹性势能最大位移；
S43：对所述各阶固有频率ωi所对应能量包络线Ei(t)进行叠加，获得总能量包络线ESum(t)；
S44：将所述总能量包络线ESum(t)的幅值与运动机构许用位移误差值比较，当总能量包络线ESum(t)的幅值小于运动机构许用位移误差时，则在该时刻振镜机构满足定位精度要求。
说明书
技术领域
本发明涉及振镜机构运动规划领域，尤其涉及一种缩短空行程定位时间的振镜电机运动规划方法。
背景技术
在激光打标等激光加工领域，振镜电机是一种常见驱动部件。振镜电机是一种特殊的摆动电机，只能执行偏转动作。在激光加工领域，振镜片固定在振镜电机的轴上，通过振镜电机的摆动来实现光路方向的调整，并实现激光加工。由于在激光加工过程中，激光加工光斑路径并不一定是全局连续路径，往往存在一些不需要激光加工的间断部分。上述不需要激光加工的间断部分属于激光加工设备的空行程。减少上述空行程运动所耗用的时间对于提高激光加工设备的工作效率有重要作用。由于在激光加工空行程段中，中间运动段的运动情况对激光加工精度等没有影响，仅有空行程的末端的运动定位精度才对后续的激光加工过程存在影响。因此，在上述空行程段应采用以满足末端定位精度要求的最小化总体定位时间的运动规划模型。
由于在高速急停摆动时小质量的振镜片容易发生抖动，上述振镜片的抖动会在光路放大效应作用下导致工作面上激光束更大的抖动，而减少上述定位过程中的残余抖动需要耗费一定的振镜片残余振动衰减时间。因此，如何在防止高速空行程点位运动过程中振镜片产生过大残余振动的同时减少振镜片的总体定位时间成为提高激光加工效率的一个关键问题。
由于振镜片的空行程运动属于典型的点位运动，通常都会采用S 型运动规划曲线作为振镜电机的运动规划算法。但是由于经典的S型运动规划曲线仅仅是通过考虑运动曲线的几何光顺性来进行机构运动规划设计，没有充分考虑在机构运动过程中的执行部件存在弹性振动问题，将导致运动机构需要一定残余振动衰减时间才能满足精度要求，并不能兼顾运动的平稳性和总体定位时间的最小化。
专利201310460878.9提出了一种高速机构减小残余振动的S型运动曲线规划方法，通过在常规的S型运动曲线规划方法中增加一段考虑残余振动影响的衰减时间段，并建立相应的以运动规划时间+所述衰减时间段最小为目标的优化模型。专利中所述的衰减时间段为高速运动机构在运动规划终止时刻之后为保证残余振动振幅小于许用定位误差所需的时间量。上述衰减时间段通过abs(s-s*)+abs(v)<ε (其中s、s*、v、ε分别为运动位移、期望位移、运动速度、许用定位误差)来获得。专利201310460878.9在基于传统的S型运动曲线规划的优化模型中包含了上述获取的残余振动衰减时间，得到修正后的综合运动规划优化模型。
专利201410255068.4提出一种基于主频能量时域最优分布的非对称变加速度规划方法，利用非线性有限元仿真分析获得参数化非对称运动函数驱动下的运动机构的定位残余振动响应历程，并利用abs(s-s*)+abs(v)<ε(其中s、s*、v、ε分别为运动位移、期望位移、运动速度、许用定位误差)判断准则来确定执行机构残余振动满足精度要求所需的残余振动衰减时间。专利201410255068.4通过在优化分析模型中引入对残余振动振幅必须小于许用定位误差的分析约束来获得综合最优运动规划函数参数。
专利201310460878.9和专利201410255068.4所提供的综合运动规划优化算法均可用于获得振镜机构所需的满足定位精度和最小化总体定位时间等要求的最优运动规划参数。上述专利的核心点均在于对满足定位精度要求的残余振动衰减时间量的判断。在上述专利中，所采用的获取满足运动机构定位精度要求所用的判断准则中所采用的许用定位误差ε均未有直接的物理意义，都属于与真实许用定位位移误差相关的一种近似相对指标。由于上述专利中的许用定位误差ε仅是一种相对指标，而在实际复杂工况中相同定位精度要求的运动机构所用的ε未必相同，即上述专利所用判断准则中的ε与真实许用定位误差并不存在一个明确的函数关系，这将导致上述专利最终的运动规划优化结果并不一定是匹配真实定位精度要求的最优运动规划。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提出一种缩短空行程定位时间的振镜机构运动规划方法，用于获得总体定位时间最短的所用运动规划函数的最优参数。
本发明的技术方案是这样的：一种缩短空行程定位时间的振镜电机运动规划方法，包括步骤
S1：根据振镜机构的几何模型，建立包含运动学自由度的装配体有限元模型，并创建含运动学自由度的非线性动态响应有限元模型；
S2：设定参数化运动函数，并将其作为边界条件施加到所述包含运动学自由度的非线性装配体有限元模型中；
S3：利用所述振镜机构含运动学自由度的非线性动态响应有限元模型和所述的参数化运动函数边界条件，并进行振镜机构非线性有限元模型的解算，获得所述振镜机构在所述参数化运动函数边界条件作用下的运动响应曲线，实时计算相对于定位终止位置的位移、速度信息；
S4：利用所述相对于定位终止位置的位移、速度来实时判断振镜机构是否满足定位精度要求，重复执行步骤S3中的振镜机构非线性有限元模型解算，直到满足定位精度要求，并获取该终止时刻与运动规划终止时刻之差为所用残余振动衰减时间长度Tres；
S5：将所述残余振动衰减时间Tres以及运动驱动时间Tplan求和得到整体运动定位时间Ttotal(＝Tres+Tplan)，并将最小化Ttotal作为优化目标；
S6：通过迭代收敛判定Ttotal是否为最小值，若Ttotal为最小值，则对应迭代过程中的运动规划参数为最优参数，若Ttotal不是最小值，则基于梯度优化算法计算运动参数的优化搜索方向与搜索步长，并更新 S3步骤中的参数化运动函数，返回S3步骤进行迭代计算。
进一步地，步骤S1中创建含运动学自由度的非线性动态响应有限元模型的方法包括步骤
S11：根据振镜机构的三维几何模型进行有限元网格划分及材料属性定义操作，建立振镜机构的有限元模型；
S12：在机构部件的运动关节处创建运动副约束，从而在有限元分析环境中建立振镜机构包含运动学自由度的装配体有限元模型；
S13：在驱动关节施加参数化运动函数边界条件；
S14：创建完整的非线性有限元分析解算模型。
进一步地，步骤S4中判断振镜机构是否满足定位精度要求的方法包括步骤
S41：对步骤S3中获得的振镜机构定位末端的残余振动历程的位移、速度信息进行快速傅里叶变换和带通滤波信号处理(或者仿真模型中分别测量各模态信息)，获得振镜机构的各阶固有频率ωi(i＝1..n) 及其对应的振镜机构残余振动历程中的位移si(t)、速度vi(t)信号；
S42：利用所述固有频率ωi与位移si(t)、速度vi(t)信号获得各阶固有频率ωi所对应的位移si(t)及速度vi(t)时域历程曲线，并利用公式 获得各阶固有频率ωi所对应的能量包络线Ei(t)，所述能量包络线Ei(t)的幅值为振镜机构在t时刻固有频率ωi所对应时域运动历程能量的等效弹性势能最大位移；
S43：对所述各阶固有频率ωi所对应能量包络线Ei(t)进行叠加，获得总能量包络线ESum(t)；
S44：将所述总能量包络线ESum(t)的幅值与运动机构许用位移误差值比较，当总能量包络线ESum(t)的幅值小于运动机构许用位移误差时，则在该时刻振镜机构满足定位精度要求。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明充分考虑了振镜机构中的空行程点位运动工况的设计约束，所得到的优化结果兼顾了最终定位精度和最小化定位时间的双方面要求，所述的优化过程可以被进一步应用于控制和结构的综合优化；同时，本发明所用的最终定位精度判定准则具有明确的物理意义，且采用了基于等效能量的表达形式，避免只考虑振动位移曲线而导致的误判；再次，本发明所用的最终定位精度判定准则满足实时判定需求，有利于在运动控制卡等对计算实时性要求高的场合中使用。
附图说明
图1是本发明基于定位时间最短的振镜机构运动规划方法流程图；
图2是本发明的算法流程图；
图3是本发明判断定位精度在多模态工况下的残余振动示意图；
图4是图3中所示多模态工况下1阶主频率对应的残余振动分析示意图；
图5是图3所示多模态工况下2阶主频率对应的残余振动分析示意图；
图6是图3所示多模态工况下3阶主频率对应的残余振动分析示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参见图1，一种基于定位时间最短的振镜机构运动规划方法，包括步骤
S1：根据振镜机构的几何模型，建立包含运动学自由度的装配体有限元模型，并创建含运动学自由度的非线性动态响应有限元模型；
S2：设定参数化运动函数，并将其作为边界条件施加到所述包含运动学自由度的非线性装配体有限元模型中；
S3：利用所述振镜机构含运动学自由度的非线性动态响应有限元模型和所述的参数化运动函数边界条件，通过仿真获得所述振镜机构在所述参数化运动函数边界条件作用下的运动响应，并计算相对于定位终止位置的位移、速度；
S4：利用所述相对于定位终止位置的位移、速度来实时判断振镜机构是否满足定位精度要求，重复执行步骤S3中的振镜机构含运动学自由度的非线性动态响应有限元模型解算，直到满足定位精度判断要求，并获取该终止时刻与运动规划时间之间差为所用残余振动衰减时间Tres；
S5：将所述残余振动衰减时间Tres以及运动驱动时间Tplan求和得到整体运动定位时间Ttotal(＝Tres+Tplan)，并将最小化Ttotal作为优化目标；
S6：通过迭代收敛判定当前与前一次的Ttotal是否接近，若Ttotal相对偏差小于某一误差，则对应迭代过程中的运动规划参数为最优参数，否则，则基于梯度优化算法计算运动参数的优化搜索方向与搜索步长，并更新S3步骤中的参数化运动函数，返回S3步骤进行迭代计算。
在步骤S1中创建含运动学自由度的非线性动态响应有限元模型的方法包括步骤
S11：根据振镜机构的三维几何模型进行有限元网格划分及材料属性定义操作，建立振镜机构的有限元模型；
S12：在机构部件的运动关节处创建运动副约束，从而在有限元分析环境中建立振镜机构包含运动学自由度的装配体有限元模型；
S13：在驱动关节施加参数化运动函数边界条件；
S14：创建完整的非线性响应有限元分析解算模型。
在步骤S4中判断振镜机构是否满足定位精度要求的方法包括步骤
S41：对步骤S3中获得的振镜机构定位末端的位移、速度响应曲线进行快速傅里叶变换和带通滤波的信号处理，获得振镜机构的各阶固有频率ωi(i＝1..n)及其对应的振镜机构残余振动历程中位移si(t)和速度vi(t)运动信号；
S42：根据所述固有频率ωi与位移si(t)、速度vi(t)信号，利用公式 获得各阶固有频率ωi所对应的能量包络线Ei(t)，所述能量包络线Ei(t)的幅值为振镜机构在t时刻固有频率ωi所对应时域运动历程能量的等效弹性势能最大位移；
S43：对所述各阶固有频率ωi所对应能量包络线Ei(t)进行叠加，获得总能量包络线ESum(t)；
S44：将所述总能量包络线ESum(t)的幅值与运动机构许用位移误差值比较，当总能量包络线ESum(t)的幅值小于运动机构许用位移误差时，则在该时刻振镜机构满足定位精度要求。
在本发明中末端定位精度判断准则的原理如下：
根据傅里叶变换原理，复杂的振动情况可以分解为若干简谐振动的叠加。假定运动末端残余振动中的各阶简谐振动曲线方程为si(t)＝Aie-αtsin(ωit)，其中Ai为振动频率ωi振动曲线的振幅，α为系统结构阻尼。上述各阶简谐振动的振动速度方程为 在上述简谐振动历程中，各时刻点的振动能量均为该时刻点处的动能与势能之和，即 将上述总能量公式转换为等效势能表达形式可得 通过类比通用势能表达公式 可以看出 为简谐振动历程中总能量对应等效势能最大位移。而实质上， 能量包络曲线为ωi频率简谐振动的振动位移包络曲线的高精度近似逼近曲线。因此可以采用 能量包络曲线作为ωi频率简谐振动的位移包络曲线，用于振动精度判定。
由于 是从能量角度推导而来，根据能量的标量性质，多个频率简谐振动叠加后的复合振动曲线对应的总能量包络线为各阶振动频率对应的能量包络线的叠加和，即 根据ESum(t)幅值可以对复杂振动的振动能量进行快速判定，进而判定该时刻的残余振动幅值是否满足定位精度要求。
本发明所提运动规划算法中所用的定位精度判断用的一个实施例如图3-6所示。图3所示的s(t)残余振动位移曲线为运动机构在所设定的运动规划模型控制下的定位残余振动历程曲线。图3中实线代表s(t)残余振动位移曲线，虚线代表总能量包络线。所述s(t)位移曲线的时间零点为原设定运动规划曲线的终止时刻，所述的振动位移为运动机构相对定位终点的位移。同样由于运动机构本身存在的结构阻尼等因素，运动机构的能量随着时间历程逐渐衰减。在本实施例中，运动机构主要包含3个固有频率。所述的3个固有频率可以通过对s(t)残余振动位移曲线进行傅里叶变换分析获得。如图3所示，由于在多模态工况中运动机构包含多个固有频率，导致直接对原始的s(t)残余振动位移曲线很难直接利用s(t)残余振动位移曲线来进行定位精度判定。
在图3所述的3模态工况实施例中，首先利用快速傅里叶变换等信号分析手段获得各阶主频率，然后利用带通滤波等方式从原始的 s(t)残余振动位移曲线提取出各阶主频率ωi(i＝1,2,3)对应的振动响应曲线，分别为图4-图6中的si(t)(i＝1,2,3)振动位移响应曲线。在图 4-图6中实线代表各阶主频位移相应曲线，长虚线段代表各阶频率/ 固有频率位移曲线，短虚线段代表各阶等效能量包络线。由于按照各阶主频率分离出的各个振动位移响应曲线实际上可以等效为若干单模态工况等，因此可以利用与单模态工况相同的处理方法获得对si(t) (i＝1,2,3)振动位移响应曲线对应的能量包络线 (i＝1,2,3)。最后将上述各阶主频率ωi对应的能量包络线Ei(t)位移包络线进行幅值叠加得到总能量包络线ESum(t)。通过总能量包络线 幅值与许用振动位移误差之间的比较来判断多模态工况下的运动机构是否定位完成。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
一种缩短空行程定位时间的振镜电机运动规划方法专利购买费用说明
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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