(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211004337.0 (22)申请日 2022.08.22 (71)申请人 武汉理工大 学 地址 430070 湖北省武汉市洪山区珞狮路 122号 (72)发明人 韩星会　华林　郑方焱　庄武豪　 (74)专利代理 机构 湖北武汉 永嘉专利代理有限 公司 42102 专利代理师 朱宏伟 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 111/04(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 多自由度包络成形装备精度和稳定性控制 方法 (57)摘要 本发明涉及一种多自由度包络成形装备精 度和稳定性控制方法， 包络成形装备包括床身、 电机、 行星减速器、 电缸、 滑块、 连杆、 球座、 摆头 和下模， 控制方法包括以下步骤： S1、 多自由度包 络成形装备运动规划， 根据装备的包络成形运动 需求和装备运动学模型求解各滑块的位移； S2、 多自由度包络成形装备受力状态求解； S3、 多自 由度包络成形装备误差补偿量求解； S4、 获得多 自由度包络成形装备控制策略， 实现摆头时变重 载下的精确运动控制。 本发明基于连杆应变反馈 实时预测装 备的受力状态和摆头的动态误差， 求 解实时驱动力和滑块的误差补偿量， 实现多自由 度包络成形装备高精度高稳定性控制。 权利要求书3页 说明书10页 附图6页 CN 115270511 A 2022.11.01 CN 115270511 A 1.一种多自由度包络成形装备精度和稳定性控制方法， 包络成形装备包括床身、 电机、 行星减速器、 电缸、 滑块、 连杆、 球座、 摆头和下模， 控制六个电机转动， 驱动行星减速器和电 缸中的丝杆转运， 电缸输出端驱动滑 块往复移动， 使 连杆作复杂空间运动， 最 终通过六个连 杆协同作用实现摆头的六自由度空间包络成形运动； 其特 征在于， 控制方法包括以下步骤： S1、 多自由度包络成形装备运动规划， 根据装备的包络成形运动需求和装备运动学模 型求解各滑块的位移； S2、 多自由度包络成形装备受力状态求 解； S3、 多自由度包络成形装备误差补偿量 求解； S4、 获得多自由度包络成形装备控制策略， 基于包络成形装备的结构特点、 动力学模 型、 误差补偿算法， 采用连杆应变和电机编码器的实际位置作为反馈量， 建立六个电机位 置‑速度‑电流三环协同控制模型， 实现摆头时变重载 下的精确运动控制。 2.根据权利要求1所述的多自由度包络成形装备精度和稳定性控制方法， 其特征在于， 在所述步骤S1中， 装备床身坐标系为SA(OA‑xAyAzA)， 装备摆 头的坐标系为SB(OB‑xByBzB)， A1～ A6为装备床身上滑块球 铰中心点， 其在坐标系SA中的坐标为： 式中， 为对应点Ai的坐标矢量； 为对应点Ai的x和y坐标分量； 为对应点Ai的z 坐标分量， 也即滑块的位移； B1～B6为装备摆头上的球 铰中心点， 其在坐标系SB中的坐标为： 式中， 为对应点Bi的坐标矢量； 为对应点Bi的x， y和z坐标分量； 摆头与床身的坐标变换关系根据装备的运动要求给出， 设为 装备各滑块的位移hi 按连杆长度不变条件求 解， 即： 式中， 为滑块的位移， 对应于电机的转角， 也即驱动系统的控制量。 3.根据权利要求2所述的多自由度包络成形装备精度和稳定性控制方法， 其特征在于， 在所述步骤S2中， 采用集中质量 ‑弹簧阻尼法建立装备动力学 方程如下式： 式中， 为第i个滑 块上质量单元与床身间的坐标变换， 为第i个滑块下质量单元与 床身间的坐标变换， 为第i个连杆上质量单元与床身间的坐标变换， 为第i个连杆下 质量单元与床身间的坐标变换， 为摆头上第i个圆周质量单元与床身间的坐标变换， Tck权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115270511 A 2为摆头中心质量单元与床身间的坐标变换； 为第i个滑块的驱动力， Wl为摆头受到的成 形力； 为第i个滑块与电缸连接处的约束力， 为第i个滑块上与连杆间连接处的约 束力， 为第i个连杆与摆头连接处的约束力； Ma为第i个滑块上质量单元的质量， Mak为第 i个滑块下质量单元的质量， Mb为第i个连杆上质量单元的质量， Mbk为第i个连杆下质量单元 的质量， Mc为摆头第i个圆周质量单元的质量， Mck为摆头中心质量单元的质量； 为第i个 滑块的变形刚度矩阵， 为第i个滑块的变形阻尼矩阵， 为第i个连杆的变形刚度矩阵， 为第i个连杆的变形阻尼矩阵， 为摆头第i个圆周质量单元的变形刚度矩阵， 为摆 头第i个圆周质量单元的变形阻尼矩阵； 为第i个滑 块上质量单元的重力， 为第i个滑 块下质量单元的重力， 为第i个连杆上质量单元的重力， 为第i个连杆下质量单元的 重力， 为摆头第 i个圆周质量单元的重力， Gck为摆头中心质量单元的重力； 分别为第i个滑块上质量、 连杆上质量单元、 摆头第i个圆周质量单元的运动旋量， 分别为第i个滑块下质量、 连杆下质量单元、 摆头中心质量单元的 变形旋量； 为 的二阶微分， 为 的一阶微分； 采用应变片测量六个连杆的变形， 设为 根据上述动 力学方程(4)， 六个滑块位移 由式(3)给出， 从而可求解出装备 的受力状态， 包括外载荷Wl， 各滑块的驱动力 以及摆头的坐标变换Tck， 各滑块驱动力矢 量Fd用式(5)表示： 4.根据权利要求3所述的多自由度包络成形装备精度和稳定性控制方法， 其特征在于， 在所述步骤S3中， 装备摆头的动态误差按式(6)计算： 式中， p表示摆头上任意 一点； 摆头的整体动态误差采用3个方向的旋转角偏差 和3个方向的平移偏差δx， δy， δz表示； 该旋转角偏差和平 移偏差根据式(7)求 解： SB是理论上摆头的运动坐标系， li为第i个连杆的方向矢量， Ai和Bi为理论上装备滑块球 铰中心点和摆头上球铰中心点； 具有动态误差的摆头坐标系设为SB′， 此时滑块球铰中心点 和摆头上球铰中心 点设为Ai′和Bi′， 第i个连杆的方向矢量设为li′； 摆头上球铰中心点的偏 差矢量 设为 按式(8)计算： 设第i个滑块的误差补偿量为 此时， 滑块的位移偏差矢量为权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115270511 A 3