主軸複合運動控制方法和主軸複合運動控制系統與流程

2023-10-05 12:47:09 3

本發明涉及光學鏡片加工技術領域，特別涉及一種主軸複合運動控制方法。還涉及一種基於該主軸複合運動控制方法的主軸複合運動控制系統。

背景技術：

在光學鏡片加工中，一般通過加工中心主軸驅動磨頭對光學鏡片的表面進行加工，磨頭對鏡片材料的去除分布及加工速率常用數學函數模型定量描述，該數學模型被稱為去除函數。去除函數的理論模型一般基於preston線性假設。待加工光學鏡片的表面誤差分布被稱為面形誤差。光學鏡片加工的過程實際就是利用去除函數對面形誤差進行卷積的過程，通過反卷積的求解可以得到駐留時間，即磨頭在工件表面每點加工的停留時間。隨著計算機技術的發展，上述過程可以通過計算機控制實現，該技術稱為ccos(英文全稱為computercontrolleropticalsurfacing)技術，現代光學加工普遍採用ccos技術。磨頭的運動形式不同，其得到的去除函數也不同。目前常用的一種去除函數為高斯型的去除函數，其在光學加工中具有較好的面形收斂效果。為了獲得高斯型去除函數，主軸驅動磨頭進行平轉動運動實現了該型去除函數，即主軸為拐軸，拐軸的兩端分別與驅動裝置和磨頭連接，主軸的轉動軸線與磨頭的中心軸線之間存在徑向偏移，從而通過主軸旋轉實現磨頭的平轉動。

現有高斯型去除函數在解決待加工工件邊緣處的收斂問題時，面臨邊緣效應：一方面，當磨頭中心過於接近工件邊緣(伸出率高)時，會引起邊緣處壓力集中，導致去除函數分布發生變化而影響去除精度，甚至造成磨頭傾覆；反之，如果磨頭伸出率低，去除函數峰值在工件內側，造成工件邊緣的材料去除量明顯偏低，產生翹邊。比如，當磨頭運動到光學鏡片邊緣時，去除函數的峰值卻無法到達鏡片邊緣，此時磨頭中心距鏡片邊緣100mm，因此無論如何運算或控制駐留時間，考慮到鏡片邊緣磨頭平轉動存在偏心，則在90mm範圍內總會出現由於去除峰值無法到達邊緣而產生的翹邊，這便是邊緣效應產生「翹邊」的原因；而當磨盤伸出鏡片邊緣尺寸增加，從而使峰值去除向鏡片邊緣移動時，翹邊的區域寬度雖然會縮窄，但翹邊問題依然存在，而且隨著磨盤伸出鏡片邊緣尺寸增加，受力變化而導致的去除函數突變會導致去除量局部突增的風險增加，便產生了急「塌邊」問題。因此，不能為了消除翹邊而過多地增加磨頭伸出鏡片邊緣的尺寸。這就造成了光學鏡片的邊緣無法完全卷積。

為了解決高斯型去除函數在邊緣處無法完全卷積的問題，最近公開了的一種h-z尖刀去除函數，該去除函數通過兩種運動合成來實現，即通過磨頭的平轉動和自轉運動合成實現，在保持平轉動高斯型去除函數優異的體積去除率等優點的基礎上，使去除函數的峰值去除率向去除函數邊緣移動，這樣，即使磨頭不必過多伸出光學鏡片邊緣也能使去除率峰值達到光學鏡片的外邊緣，從而在避免塌邊的同時解決了翹邊的問題，從算法上實現了光學鏡片邊緣處的類完全卷積收斂，實現了邊緣效應的抑制，提高了磨頭在工件邊緣的材料去除效率。具體的h-z尖刀去除函數可參見論文《提高大口徑光學反射鏡加工收斂效率的關鍵技術研究》中的描述。

而如何利用h-z尖刀去除函數實現光學鏡片的拋光，成為了本領域技術人員亟待解決的問題。

技術實現要素：

有鑑於此，本發明的目的在於提供一種主軸複合運動控制方法，以利用h-z尖刀去除函數實現光學鏡片的拋光。

本發明的另一個目的在於提供一種基於該主軸複合運動控制方法的主軸複合運動控制系統，以利用h-z尖刀去除函數實現光學鏡片的拋光。

為達到上述目的，本發明提供以下技術方案：

一種主軸複合運動控制方法，步驟包括：

上位機對目標h-z尖刀去除函數進行模擬仿真，生成目標運動參數；

所述上位機根據所述目標運動參數生成運動控制程序；

電子凸輪控制器獲取所述運動控制程序，在所述運動控制程序中添加電機控制參數；

所述電子凸輪控制器發出閉環控制指令，以控制自轉軸組件和平轉軸組件的運動。

優選地，在上述的主軸複合運動控制方法中，在所述電子凸輪控制器發出閉環控制指令，控制自轉軸組件和平轉軸組件的運動後，還包括：

所述電子凸輪控制器獲取由所述自轉軸組件和所述平轉軸組件反饋的實際運動指令；

所述電子凸輪控制器根據所述實際運動指令進行閉環計算，得到實際運動數據；

所述上位機獲取所述實際運動數據，並進行運動數據反算，生成實際運動參數；

所述上位機根據所述實際運動參數得到實際h-z尖刀去除函數；

數據分析單元將所述實際h-z尖刀去除函數與所述目標h-z尖刀去除函數進行對比分析，使所述實際h-z尖刀去除函數接近目標h-z尖刀去除函數。

優選地，在上述的主軸複合運動控制方法中，所述上位機生成目標運動參數後，在生成運動控制程序之前，還包括：

所述上位機對所述目標運動參數進行安全性分析，如果安全性分析通過，則所述上位機生成所述運動控制程序。

優選地，在上述的主軸複合運動控制方法中，所述目標運動參數包含磨頭伸出率s、磨頭偏心比e和尖刀係數k。

優選地，在上述的主軸複合運動控制方法中，所述電機控制參數包括平轉軸電機運動速度、平轉軸電機運動加速度、平轉軸運動周期、平轉軸運動軌跡、自轉軸電機運動速度、自轉軸電機運動加速度、自轉軸運動周期和自轉軸運動軌跡。

本發明還提供了一種主軸複合運動控制系統，包括上位機、電子凸輪控制器、自轉軸組件和平轉軸組件；所述上位機與所述電子凸輪控制器連接，所述自轉軸組件和所述平轉軸組件均與所述電子凸輪控制器連接；

所述上位機用於對目標h-z尖刀去除函數進行模擬仿真，生成目標運動參數，根據所述目標運動參數生成運動控制程序；

所述電子凸輪控制器用於獲取所述運動控制程序，在所述運動控制程序中添加電機控制參數，並發出閉環控制指令，以控制所述平轉軸組件和所述自轉軸組件運動。

優選地，在上述的主軸複合運動控制系統中，還包括數據分析單元，所述電子凸輪控制器分別與所述平轉軸組件和所述自轉軸組件反饋連接，所述電子凸輪控制器與所述上位機反饋連接，所述數據分析單元與所述上位機反饋連接；

所述電子凸輪控制器還用於接收所述平轉軸組件和所述自轉軸組件反饋的實際運動指令，並根據所述實際運動指令進行閉環計算，得到實際運動數據；

所述上位機還用於獲取所述電子凸輪控制器的所述實際運動數據，並進行運動數據反算，生成實際運動參數，根據所述實際運動參數得到實際h-z尖刀去除函數；

所述數據分析單元用於將所述實際h-z尖刀去除函數與所述目標h-z尖刀去除函數進行對比分析，使所述實際h-z尖刀去除函數接近目標h-z尖刀去除函數。

優選地，在上述的主軸複合運動控制系統中，所述上位機還包括系統安全分析單元，用於對所述目標運動參數進行安全性分析，如果安全性分析通過，則所述上位機生成所述運動控制程序。

優選地，在上述的主軸複合運動控制系統中，所述自轉軸組件包括自轉軸電機、第一伺服放大器和第一編碼器。

優選地，在上述的主軸複合運動控制系統中，所述平轉軸組件包括平轉軸電機、第二伺服放大器和第二編碼器。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

本發明提供的主軸複合運動控制方法中，上位機對目標h-z尖刀去除函數進行模擬仿真，生成目標運動參數，根據目標運動參數生成運動控制程序；電子凸輪控制器獲取運動控制程序，在所述運動控制程序中添加電機控制參數，發出閉環控制指令，以控制自轉軸組件和平轉軸組件的運動。通過主軸複合運動控制方法實現了h-z尖刀去除函數在平轉軸和自轉軸上的應用，實現了光學鏡片的拋光，抑制了邊緣效應。

本發明提供的主軸複合運動控制系統基於本發明中的主軸複合運動控制方法，包括上位機、電子凸輪控制器、自轉軸組件和平轉軸組件。因此，同樣能夠實現h-z尖刀去除函數在平轉軸和自轉軸上的應用，實現了光學鏡片的拋光，抑制了邊緣效應。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據提供的附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例提供的一種主軸複合運動控制系統的結構示意圖；

圖2為本發明實施例提供的一種主軸複合運動控制方法的流程示意圖；

圖3為本發明實施例提供的另一種主軸複合運動控制方法的流程示意圖；

圖4為本發明實施例提供的一種主軸複合運動控制方法中的翹邊殘餘率的計算原理示意圖。

其中，1為上位機、2為電子凸輪控制器、3為平轉軸組件、31為第二伺服放大器、32為平轉軸電機、33為第二編碼器、4為自轉軸組件、41為第一伺服放大器、42為自轉軸電機、43為第一編碼器、5為數據分析單元。

具體實施方式

本發明的核心是提供了一種主軸複合運動控制方法，實現了利用h-z尖刀去除函數實現光學鏡片的拋光。

本發明還提供了一種基於該主軸複合運動控制方法的主軸複合運動控制系統，實現了利用h-z尖刀去除函數實現光學鏡片的拋光。

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

請參考圖2，本發明實施例提供了一種主軸複合運動控制方法，包括以下步驟：

步驟s01、上位機1對目標h-z尖刀去除函數進行模擬仿真，生成目標運動參數；目標運動參數根據目標的運動要求，在目標h-z尖刀去除函數的模擬仿真結果中進行選擇得到。

步驟s02、上位機1根據目標運動參數生成運動控制程序；將步驟s01中的目標運動參數轉化成執行部件能夠進行執行的運動控制程序。

步驟s03、電子凸輪控制器2獲取運動控制程序，在運動控制程序中添加電機控制參數，電機控制參數是經過預先調諧得到的每個電機的運動控制參數，包含pid等閉環控制參數。

步驟s04、電子凸輪控制器2發出閉環控制指令，以控制自轉軸組件4和平轉軸組件3的運動。自轉軸組件3進行轉動，平轉軸組件4進行平轉動。

通過本申請主軸複合運動控制方法實現了h-z尖刀去除函數在平轉軸和自轉軸上的應用，實現了光學鏡片的拋光，抑制了邊緣效應。

如圖3所示，對主軸複合運動控制方法進行優化，在本實施例中，在步驟s04的電子凸輪控制器2發出閉環控制指令，控制自轉軸組件4和平轉軸組件3的運動後，進行以下步驟：

步驟s05、自轉軸組件4和平轉軸組件3進行電機執行，同時並反饋實際運動指令。平轉軸組件3和自轉軸組件4通過自身的伺服放大器、編碼器及電機的閉環控制實現精確地位置控制，從而滿足運動精度要求，並將電機完成的實際運動指令反饋給電子凸輪控制器2。

步驟s06、電子凸輪控制器2獲取由自轉軸組件4和平轉軸組件3反饋的實際運動指令後，根據實際運動指令進行閉環計算，得到實際運動數據；

步驟s07、上位機1獲取實際運動數據，並進行運動數據反算，生成實際運動參數；

步驟s08、上位機1根據實際運動參數得到實際h-z尖刀去除函數；

步驟s09、數據分析單元5將實際h-z尖刀去除函數與目標h-z尖刀去除函數進行對比分析，使實際h-z尖刀去除函數接近目標h-z尖刀去除函數。

該主軸複合運動控制方法實時跟隨自轉軸組件4和平轉軸組件3的運動，實時反饋運動數據，並對雙電機進行反結算從而得到實際運動參數，根據電子凸輪控制器2上載的運動數據，比如兩個電機各自在各運動點的編碼器位置、跟隨誤差反算得到實際的運動速度、運動加速度、運動周期及軌跡等，並通過上位機1反向計算得到實際的h-z尖刀去除函數，與目標h-z尖刀去除函數擬合出殘差。這樣可以知道是否實現了理論設計所要求達到的指標及加工目標，形成閉環反饋。同時分析複合運動控制系統的穩定性，並且可以收集在不同工況下實際與理論差異的不同，針對不同控制系統設計不同的電機控制參數配比。從而達到在任何應用場合都可以實現理論與實際最小偏差的作用，提高了控制精度。

進一步地，在本實施例中，在步驟s01的上位機1生成目標運動參數後，且在步驟s02的生成運動控制程序之前，還包括步驟：

上位機1對目標運動參數進行安全性分析，如果安全性分析通過，則上位機1繼續進行步驟s02，生成運動控制程序。

進行安全性分析的原因是：由於磨盤是接觸式加工，磨盤在運動時不能完全伸出反射鏡，因此需要分析計算磨盤距反射鏡邊緣最大距離。且h-z尖刀去除函數是兩個運動軸進行速度合成實現的，實際物理過程中每個運動軸都有自身運動極限，比如最大速度、加速度等，超過這個能力時，可能會發生中途停車、飛車等問題，而生成的目標運動參數所要求的有可能會超過複合運動控制系統的實際控制能力，需要對這個進行安全性檢查。當然，也可以不進行安全性分析。

在本實施例中，目標運動參數包含磨頭伸出率s、磨頭偏心比e和尖刀係數k。目標運動參數根據目標h-z尖刀去除函數模擬仿真後的結果進行選擇生成，模擬仿真後的結果為翹邊殘餘率tur隨磨頭伸出率s變化曲線圖，根據h-z尖刀去除函數的翹邊殘餘率tur隨磨頭伸出率s變化曲線圖，選取達到翹邊殘餘率tur的目標值的磨頭伸出率s、磨頭偏心比e和尖刀係數k。

如圖4所示，其中，翹邊殘餘率tur由邊緣剩餘翹邊量a3和去除函數的實際邊緣去除量a1得到，可以量化去除效果，翹邊殘餘率tur越小，則表明，翹邊越小，對翹邊的抑制越有效。如圖4所示，磨頭正常運轉，去除函數在工件上勻速掃過一條直線，會產生一條均勻的溝狀去除帶，圖4中的曲線表示的是工件邊緣處的鉤狀去除帶的橫截面輪廓線，可以看出，由於磨頭伸出工件的邊緣一部分，因此，在圖4中，鉤狀去除帶的橫截面輪廓線一部分位於邊緣之外，所以，圖4中a1表示的是去除函數的實際邊緣去除量，a2表示的是去除函數伸出邊緣的溢出去除量(沒有作用於工件)，a1和a2的和表示去除函數理論的全部去除量，a3表示的是邊緣剩餘翹邊量(工件邊緣沒有被去除的量)。從圖4中可以明確地看出，圖4左側的曲線的峰值位於中間，較為對稱，a3部分的面積較大；右側的曲線的峰值靠近邊緣，a3部分的面積較小，即翹邊較小。

尖刀係數k等於磨頭的最大自轉角度與2π的比值，磨頭的自轉按照一定周期往復自轉，優選為按照正弦周期自轉，尖刀係數k越大，表示自轉的最大角度越大，在相同自轉周期下，自轉的速度越快。

磨頭偏心比e等於磨頭平轉動的旋轉半徑與磨頭直徑的比值，磨頭偏心比e越大，表示磨頭一次平轉動去除的工件範圍越大，在相同平轉動周期下，磨頭的線速度越大。

磨頭伸出率s等於磨頭最大伸出長度與去除函數的最大拋光直徑的比值，由於磨頭中心向工件邊緣靠近時，會有一部分伸出工件邊緣，將磨頭的偏心平轉動算在內，磨頭能夠伸出工件邊緣的最大長度就是磨頭最大伸出長度，去除函數的最大拋光直徑是指在去除函數的理論運動範圍的最大直徑。磨頭伸出率s越大，表示磨頭伸出工件的邊緣長度越大，磨頭中心越靠近工件邊緣。

上述方法在模擬仿真繪製出的翹邊殘餘率tur隨磨頭伸出率s變化曲線圖上可以根據設定的翹邊殘餘率tur的目標值選取合適範圍的尖刀係數k、磨頭偏心比e和磨頭伸出率s。只要滿足設定的翹邊殘餘率tur的目標值，則去除函數便能夠有效抑制工件的邊緣效應。

當然，運動目標參數還可以只包含磨頭伸出率s和磨頭偏心比e。隨著尖刀係數k等幅提升，對翹邊殘餘率tur的抑制作用逐漸減弱，當尖刀係數k增大到某個值k0時，再繼續增大尖刀係數k，對翹邊殘餘率tur的抑制作用幾乎不再變化，到達極限。該尖刀係數k0滿足公式：即尖刀係數k的取值範圍為由於尖刀係數k為磨頭自轉的最大角度與2π的比值，因此，只要磨頭自轉的最大角度滿足k0對應的極限角度時，便最有利於翹邊殘餘率tur的抑制。而磨頭自轉的最大角度通過相應的設備來驅動實現，在設備的驅動條件能夠滿足磨頭自轉的最大角度達到極限值時，則選擇設備對應該極限值的驅動條件，從而在根據翹邊殘餘率tur隨磨頭伸出率s變化曲線圖選取工作參數時，只選取磨頭偏心比e和磨頭伸出率s的取值範圍。對於驅動條件不能達到磨頭自轉的最大角度極限值的設備，則在設備的驅動能力下，根據翹邊殘餘率tur隨磨頭伸出率s變化曲線圖選取工作參數時，選取尖刀係數k、磨頭偏心比e和磨頭伸出率s的取值範圍。

在本實施例中，電機控制參數包括平轉軸電機運動速度、平轉軸電機運動加速度、平轉軸運動周期、平轉軸運動軌跡、自轉軸電機運動速度、自轉軸電機運動加速度、自轉軸運動周期和自轉軸運動軌跡。

如圖1所示，基於以上實施例所描述的主軸複合運動控制方法，本發明實施例還提供了一種主軸複合運動控制系統，包括上位機1、電子凸輪控制器2、自轉軸組件4和平轉軸組件3；其中，上位機1與電子凸輪控制器2連接，自轉軸組件4和平轉軸組件3均與電子凸輪控制器2連接；

上位機用於對目標h-z尖刀去除函數進行模擬仿真，生成目標運動參數，根據目標運動參數生成運動控制程序；

電子凸輪控制器2用於獲取運動控制程序，在運動控制程序中添加電機控制參數，並發出閉環控制指令，以控制平轉軸組件3和自轉軸組件4運動。

由於主軸複合運動控制系統採用本發明中的主軸複合運動控制方法，因此，同樣能夠實現h-z尖刀去除函數在平轉軸和自轉軸上的應用，實現了光學鏡片的拋光，抑制了邊緣效應。

在本實施例中，主軸複合運動控制系統還包括數據分析單元5，電子凸輪控制器2分別與平轉軸組件3和自轉軸組件4反饋連接，電子凸輪控制器2與上位機1反饋連接，數據分析單元5與上位機1反饋連接。

其中，電子凸輪控制器2還用於接收平轉軸組件3和自轉軸組件4反饋的實際運動指令，並根據實際運動指令進行閉環計算，得到實際運動數據。

上位機1還用於獲取電子凸輪控制器2的實際運動數據，並進行運動數據反算，生成實際運動參數，根據實際運動參數得到實際h-z尖刀去除函數。

數據分析單元5用於將實際h-z尖刀去除函數與目標h-z尖刀去除函數進行對比分析，使實際h-z尖刀去除函數接近目標h-z尖刀去除函數。

該主軸複合運動控制系統能夠實時跟隨自轉軸組件4和平轉軸組件3的運動，實時反饋運動數據，並對雙電機進行反結算從而得到實際運動參數，根據電子凸輪控制器2上載的運動數據，比如兩個電機各自在各運動點的編碼器位置、跟隨誤差反算得到實際的運動速度、運動加速度、運動周期及軌跡等，並通過上位機1反向計算得到實際的h-z尖刀去除函數，與目標h-z尖刀去除函數擬合出殘差。這樣可以知道是否實現了理論設計所要求達到的指標及加工目標，形成閉環反饋。同時分析複合運動控制系統的穩定性，並且可以收集在不同工況下實際與理論差異的不同，針對不同控制系統設計不同的電機控制參數配比。從而達到在任何應用場合都可以實現理論與實際最小偏差的作用，提高了控制精度。

在本實施例中，上位機1還包括系統安全分析單元，用於對目標運動參數進行安全性分析，如果安全性分析通過，則上位機生成運動控制程序。通過系統安全分析單元可以保護複合運動控制系統和磨盤安全工作。

在本實施例中，自轉軸組件4包括自轉軸電機42、第一伺服放大器41和第一編碼器43。通過自轉軸電機4執行自轉動運動，通過第一伺服放大器41和第一編碼器43和自轉軸電機42的閉環控制實現精確地位置控制，從而滿足運動精度要求。當然，對於不進行閉環控制的自轉軸組件4，自轉軸組件4還可以只包括自轉軸電機42和第一伺服放大器41。

在本實施例中，平轉軸組件3包括平轉軸電機32、第二伺服放大器31和第二編碼器33。通過平轉軸電機3執行平轉動運動，通過第二伺服放大器31和第二編碼器33和平轉軸電機32的閉環控制實現精確地位置控制，從而滿足運動精度要求。當然，對於不進行閉環控制的平轉軸組件3，平轉軸組件3還可以只包括平轉軸電機32和第二伺服放大器31。

本說明書中各個實施例採用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。

對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或範圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制於本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的範圍。