主轴复合运动控制方法和主轴复合运动控制系统与流程

本发明涉及光学镜片加工技术领域，特别涉及一种主轴复合运动控制方法。还涉及一种基于该主轴复合运动控制方法的主轴复合运动控制系统。

背景技术：

在光学镜片加工中，一般通过加工中心主轴驱动磨头对光学镜片的表面进行加工，磨头对镜片材料的去除分布及加工速率常用数学函数模型定量描述，该数学模型被称为去除函数。去除函数的理论模型一般基于preston线性假设。待加工光学镜片的表面误差分布被称为面形误差。光学镜片加工的过程实际就是利用去除函数对面形误差进行卷积的过程，通过反卷积的求解可以得到驻留时间，即磨头在工件表面每点加工的停留时间。随着计算机技术的发展，上述过程可以通过计算机控制实现，该技术称为ccos(英文全称为computercontrolleropticalsurfacing)技术，现代光学加工普遍采用ccos技术。磨头的运动形式不同，其得到的去除函数也不同。目前常用的一种去除函数为高斯型的去除函数，其在光学加工中具有较好的面形收敛效果。为了获得高斯型去除函数，主轴驱动磨头进行平转动运动实现了该型去除函数，即主轴为拐轴，拐轴的两端分别与驱动装置和磨头连接，主轴的转动轴线与磨头的中心轴线之间存在径向偏移，从而通过主轴旋转实现磨头的平转动。

现有高斯型去除函数在解决待加工工件边缘处的收敛问题时，面临边缘效应：一方面，当磨头中心过于接近工件边缘(伸出率高)时，会引起边缘处压力集中，导致去除函数分布发生变化而影响去除精度，甚至造成磨头倾覆；反之，如果磨头伸出率低，去除函数峰值在工件内侧，造成工件边缘的材料去除量明显偏低，产生翘边。比如，当磨头运动到光学镜片边缘时，去除函数的峰值却无法到达镜片边缘，此时磨头中心距镜片边缘100mm，因此无论如何运算或控制驻留时间，考虑到镜片边缘磨头平转动存在偏心，则在90mm范围内总会出现由于去除峰值无法到达边缘而产生的翘边，这便是边缘效应产生“翘边”的原因；而当磨盘伸出镜片边缘尺寸增加，从而使峰值去除向镜片边缘移动时，翘边的区域宽度虽然会缩窄，但翘边问题依然存在，而且随着磨盘伸出镜片边缘尺寸增加，受力变化而导致的去除函数突变会导致去除量局部突增的风险增加，便产生了急“塌边”问题。因此，不能为了消除翘边而过多地增加磨头伸出镜片边缘的尺寸。这就造成了光学镜片的边缘无法完全卷积。

为了解决高斯型去除函数在边缘处无法完全卷积的问题，最近公开了的一种h-z尖刀去除函数，该去除函数通过两种运动合成来实现，即通过磨头的平转动和自转运动合成实现，在保持平转动高斯型去除函数优异的体积去除率等优点的基础上，使去除函数的峰值去除率向去除函数边缘移动，这样，即使磨头不必过多伸出光学镜片边缘也能使去除率峰值达到光学镜片的外边缘，从而在避免塌边的同时解决了翘边的问题，从算法上实现了光学镜片边缘处的类完全卷积收敛，实现了边缘效应的抑制，提高了磨头在工件边缘的材料去除效率。具体的h-z尖刀去除函数可参见论文《提高大口径光学反射镜加工收敛效率的关键技术研究》中的描述。

而如何利用h-z尖刀去除函数实现光学镜片的抛光，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种主轴复合运动控制方法，以利用h-z尖刀去除函数实现光学镜片的抛光。

本发明的另一个目的在于提供一种基于该主轴复合运动控制方法的主轴复合运动控制系统，以利用h-z尖刀去除函数实现光学镜片的抛光。

为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种主轴复合运动控制方法，步骤包括：

上位机对目标h-z尖刀去除函数进行模拟仿真，生成目标运动参数；

所述上位机根据所述目标运动参数生成运动控制程序；

电子凸轮控制器获取所述运动控制程序，在所述运动控制程序中添加电机控制参数；

所述电子凸轮控制器发出闭环控制指令，以控制自转轴组件和平转轴组件的运动。

优选地，在上述的主轴复合运动控制方法中，在所述电子凸轮控制器发出闭环控制指令，控制自转轴组件和平转轴组件的运动后，还包括：

所述电子凸轮控制器获取由所述自转轴组件和所述平转轴组件反馈的实际运动指令；

所述电子凸轮控制器根据所述实际运动指令进行闭环计算，得到实际运动数据；

所述上位机获取所述实际运动数据，并进行运动数据反算，生成实际运动参数；

所述上位机根据所述实际运动参数得到实际h-z尖刀去除函数；

数据分析单元将所述实际h-z尖刀去除函数与所述目标h-z尖刀去除函数进行对比分析，使所述实际h-z尖刀去除函数接近目标h-z尖刀去除函数。

优选地，在上述的主轴复合运动控制方法中，所述上位机生成目标运动参数后，在生成运动控制程序之前，还包括：

所述上位机对所述目标运动参数进行安全性分析，如果安全性分析通过，则所述上位机生成所述运动控制程序。

优选地，在上述的主轴复合运动控制方法中，所述目标运动参数包含磨头伸出率s、磨头偏心比e和尖刀系数k。

优选地，在上述的主轴复合运动控制方法中，所述电机控制参数包括平转轴电机运动速度、平转轴电机运动加速度、平转轴运动周期、平转轴运动轨迹、自转轴电机运动速度、自转轴电机运动加速度、自转轴运动周期和自转轴运动轨迹。

本发明还提供了一种主轴复合运动控制系统，包括上位机、电子凸轮控制器、自转轴组件和平转轴组件；所述上位机与所述电子凸轮控制器连接，所述自转轴组件和所述平转轴组件均与所述电子凸轮控制器连接；

所述上位机用于对目标h-z尖刀去除函数进行模拟仿真，生成目标运动参数，根据所述目标运动参数生成运动控制程序；

所述电子凸轮控制器用于获取所述运动控制程序，在所述运动控制程序中添加电机控制参数，并发出闭环控制指令，以控制所述平转轴组件和所述自转轴组件运动。

优选地，在上述的主轴复合运动控制系统中，还包括数据分析单元，所述电子凸轮控制器分别与所述平转轴组件和所述自转轴组件反馈连接，所述电子凸轮控制器与所述上位机反馈连接，所述数据分析单元与所述上位机反馈连接；

所述电子凸轮控制器还用于接收所述平转轴组件和所述自转轴组件反馈的实际运动指令，并根据所述实际运动指令进行闭环计算，得到实际运动数据；

所述上位机还用于获取所述电子凸轮控制器的所述实际运动数据，并进行运动数据反算，生成实际运动参数，根据所述实际运动参数得到实际h-z尖刀去除函数；

所述数据分析单元用于将所述实际h-z尖刀去除函数与所述目标h-z尖刀去除函数进行对比分析，使所述实际h-z尖刀去除函数接近目标h-z尖刀去除函数。

优选地，在上述的主轴复合运动控制系统中，所述上位机还包括系统安全分析单元，用于对所述目标运动参数进行安全性分析，如果安全性分析通过，则所述上位机生成所述运动控制程序。

优选地，在上述的主轴复合运动控制系统中，所述自转轴组件包括自转轴电机、第一伺服放大器和第一编码器。

优选地，在上述的主轴复合运动控制系统中，所述平转轴组件包括平转轴电机、第二伺服放大器和第二编码器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的主轴复合运动控制方法中，上位机对目标h-z尖刀去除函数进行模拟仿真，生成目标运动参数，根据目标运动参数生成运动控制程序；电子凸轮控制器获取运动控制程序，在所述运动控制程序中添加电机控制参数，发出闭环控制指令，以控制自转轴组件和平转轴组件的运动。通过主轴复合运动控制方法实现了h-z尖刀去除函数在平转轴和自转轴上的应用，实现了光学镜片的抛光，抑制了边缘效应。

本发明提供的主轴复合运动控制系统基于本发明中的主轴复合运动控制方法，包括上位机、电子凸轮控制器、自转轴组件和平转轴组件。因此，同样能够实现h-z尖刀去除函数在平转轴和自转轴上的应用，实现了光学镜片的抛光，抑制了边缘效应。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种主轴复合运动控制系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种主轴复合运动控制方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种主轴复合运动控制方法的流程示意图；

图4为本发明实施例提供的一种主轴复合运动控制方法中的翘边残余率的计算原理示意图。

其中，1为上位机、2为电子凸轮控制器、3为平转轴组件、31为第二伺服放大器、32为平转轴电机、33为第二编码器、4为自转轴组件、41为第一伺服放大器、42为自转轴电机、43为第一编码器、5为数据分析单元。

具体实施方式

本发明的核心是提供了一种主轴复合运动控制方法，实现了利用h-z尖刀去除函数实现光学镜片的抛光。

本发明还提供了一种基于该主轴复合运动控制方法的主轴复合运动控制系统，实现了利用h-z尖刀去除函数实现光学镜片的抛光。

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做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。

请参考图2，本发明实施例提供了一种主轴复合运动控制方法，包括以下步骤：

步骤s01、上位机1对目标h-z尖刀去除函数进行模拟仿真，生成目标运动参数；目标运动参数根据目标的运动要求，在目标h-z尖刀去除函数的模拟仿真结果中进行选择得到。

步骤s02、上位机1根据目标运动参数生成运动控制程序；将步骤s01中的目标运动参数转化成执行部件能够进行执行的运动控制程序。

步骤s03、电子凸轮控制器2获取运动控制程序，在运动控制程序中添加电机控制参数，电机控制参数是经过预先调谐得到的每个电机的运动控制参数，包含pid等闭环控制参数。

步骤s04、电子凸轮控制器2发出闭环控制指令，以控制自转轴组件4和平转轴组件3的运动。自转轴组件3进行转动，平转轴组件4进行平转动。

通过本申请主轴复合运动控制方法实现了h-z尖刀去除函数在平转轴和自转轴上的应用，实现了光学镜片的抛光，抑制了边缘效应。

如图3所示，对主轴复合运动控制方法进行优化，在本实施例中，在步骤s04的电子凸轮控制器2发出闭环控制指令，控制自转轴组件4和平转轴组件3的运动后，进行以下步骤：

步骤s05、自转轴组件4和平转轴组件3进行电机执行，同时并反馈实际运动指令。平转轴组件3和自转轴组件4通过自身的伺服放大器、编码器及电机的闭环控制实现精确地位置控制，从而满足运动精度要求，并将电机完成的实际运动指令反馈给电子凸轮控制器2。

步骤s06、电子凸轮控制器2获取由自转轴组件4和平转轴组件3反馈的实际运动指令后，根据实际运动指令进行闭环计算，得到实际运动数据；

步骤s07、上位机1获取实际运动数据，并进行运动数据反算，生成实际运动参数；

步骤s08、上位机1根据实际运动参数得到实际h-z尖刀去除函数；

步骤s09、数据分析单元5将实际h-z尖刀去除函数与目标h-z尖刀去除函数进行对比分析，使实际h-z尖刀去除函数接近目标h-z尖刀去除函数。

该主轴复合运动控制方法实时跟随自转轴组件4和平转轴组件3的运动，实时反馈运动数据，并对双电机进行反结算从而得到实际运动参数，根据电子凸轮控制器2上载的运动数据，比如两个电机各自在各运动点的编码器位置、跟随误差反算得到实际的运动速度、运动加速度、运动周期及轨迹等，并通过上位机1反向计算得到实际的h-z尖刀去除函数，与目标h-z尖刀去除函数拟合出残差。这样可以知道是否实现了理论设计所要求达到的指标及加工目标，形成闭环反馈。同时分析复合运动控制系统的稳定性，并且可以收集在不同工况下实际与理论差异的不同，针对不同控制系统设计不同的电机控制参数配比。从而达到在任何应用场合都可以实现理论与实际最小偏差的作用，提高了控制精度。

进一步地，在本实施例中，在步骤s01的上位机1生成目标运动参数后，且在步骤s02的生成运动控制程序之前，还包括步骤：

上位机1对目标运动参数进行安全性分析，如果安全性分析通过，则上位机1继续进行步骤s02，生成运动控制程序。

进行安全性分析的原因是：由于磨盘是接触式加工，磨盘在运动时不能完全伸出反射镜，因此需要分析计算磨盘距反射镜边缘最大距离。且h-z尖刀去除函数是两个运动轴进行速度合成实现的，实际物理过程中每个运动轴都有自身运动极限，比如最大速度、加速度等，超过这个能力时，可能会发生中途停车、飞车等问题，而生成的目标运动参数所要求的有可能会超过复合运动控制系统的实际控制能力，需要对这个进行安全性检查。当然，也可以不进行安全性分析。

在本实施例中，目标运动参数包含磨头伸出率s、磨头偏心比e和尖刀系数k。目标运动参数根据目标h-z尖刀去除函数模拟仿真后的结果进行选择生成，模拟仿真后的结果为翘边残余率tur随磨头伸出率s变化曲线图，根据h-z尖刀去除函数的翘边残余率tur随磨头伸出率s变化曲线图，选取达到翘边残余率tur的目标值的磨头伸出率s、磨头偏心比e和尖刀系数k。

如图4所示，其中，翘边残余率tur由边缘剩余翘边量a3和去除函数的实际边缘去除量a1得到，可以量化去除效果，翘边残余率tur越小，则表明，翘边越小，对翘边的抑制越有效。如图4所示，磨头正常运转，去除函数在工件上匀速扫过一条直线，会产生一条均匀的沟状去除带，图4中的曲线表示的是工件边缘处的钩状去除带的横截面轮廓线，可以看出，由于磨头伸出工件的边缘一部分，因此，在图4中，钩状去除带的横截面轮廓线一部分位于边缘之外，所以，图4中a1表示的是去除函数的实际边缘去除量，a2表示的是去除函数伸出边缘的溢出去除量(没有作用于工件)，a1和a2的和表示去除函数理论的全部去除量，a3表示的是边缘剩余翘边量(工件边缘没有被去除的量)。从图4中可以明确地看出，图4左侧的曲线的峰值位于中间，较为对称，a3部分的面积较大；右侧的曲线的峰值靠近边缘，a3部分的面积较小，即翘边较小。

尖刀系数k等于磨头的最大自转角度与2π的比值，磨头的自转按照一定周期往复自转，优选为按照正弦周期自转，尖刀系数k越大，表示自转的最大角度越大，在相同自转周期下，自转的速度越快。

磨头偏心比e等于磨头平转动的旋转半径与磨头直径的比值，磨头偏心比e越大，表示磨头一次平转动去除的工件范围越大，在相同平转动周期下，磨头的线速度越大。

磨头伸出率s等于磨头最大伸出长度与去除函数的最大抛光直径的比值，由于磨头中心向工件边缘靠近时，会有一部分伸出工件边缘，将磨头的偏心平转动算在内，磨头能够伸出工件边缘的最大长度就是磨头最大伸出长度，去除函数的最大抛光直径是指在去除函数的理论运动范围的最大直径。磨头伸出率s越大，表示磨头伸出工件的边缘长度越大，磨头中心越靠近工件边缘。

上述方法在模拟仿真绘制出的翘边残余率tur随磨头伸出率s变化曲线图上可以根据设定的翘边残余率tur的目标值选取合适范围的尖刀系数k、磨头偏心比e和磨头伸出率s。只要满足设定的翘边残余率tur的目标值，则去除函数便能够有效抑制工件的边缘效应。

当然，运动目标参数还可以只包含磨头伸出率s和磨头偏心比e。随着尖刀系数k等幅提升，对翘边残余率tur的抑制作用逐渐减弱，当尖刀系数k增大到某个值k0时，再继续增大尖刀系数k，对翘边残余率tur的抑制作用几乎不再变化，到达极限。该尖刀系数k0满足公式：即尖刀系数k的取值范围为由于尖刀系数k为磨头自转的最大角度与2π的比值，因此，只要磨头自转的最大角度满足k0对应的极限角度时，便最有利于翘边残余率tur的抑制。而磨头自转的最大角度通过相应的设备来驱动实现，在设备的驱动条件能够满足磨头自转的最大角度达到极限值时，则选择设备对应该极限值的驱动条件，从而在根据翘边残余率tur随磨头伸出率s变化曲线图选取工作参数时，只选取磨头偏心比e和磨头伸出率s的取值范围。对于驱动条件不能达到磨头自转的最大角度极限值的设备，则在设备的驱动能力下，根据翘边残余率tur随磨头伸出率s变化曲线图选取工作参数时，选取尖刀系数k、磨头偏心比e和磨头伸出率s的取值范围。

在本实施例中，电机控制参数包括平转轴电机运动速度、平转轴电机运动加速度、平转轴运动周期、平转轴运动轨迹、自转轴电机运动速度、自转轴电机运动加速度、自转轴运动周期和自转轴运动轨迹。

如图1所示，基于以上实施例所描述的主轴复合运动控制方法，本发明实施例还提供了一种主轴复合运动控制系统，包括上位机1、电子凸轮控制器2、自转轴组件4和平转轴组件3；其中，上位机1与电子凸轮控制器2连接，自转轴组件4和平转轴组件3均与电子凸轮控制器2连接；

上位机用于对目标h-z尖刀去除函数进行模拟仿真，生成目标运动参数，根据目标运动参数生成运动控制程序；

电子凸轮控制器2用于获取运动控制程序，在运动控制程序中添加电机控制参数，并发出闭环控制指令，以控制平转轴组件3和自转轴组件4运动。

由于主轴复合运动控制系统采用本发明中的主轴复合运动控制方法，因此，同样能够实现h-z尖刀去除函数在平转轴和自转轴上的应用，实现了光学镜片的抛光，抑制了边缘效应。

在本实施例中，主轴复合运动控制系统还包括数据分析单元5，电子凸轮控制器2分别与平转轴组件3和自转轴组件4反馈连接，电子凸轮控制器2与上位机1反馈连接，数据分析单元5与上位机1反馈连接。

其中，电子凸轮控制器2还用于接收平转轴组件3和自转轴组件4反馈的实际运动指令，并根据实际运动指令进行闭环计算，得到实际运动数据。

上位机1还用于获取电子凸轮控制器2的实际运动数据，并进行运动数据反算，生成实际运动参数，根据实际运动参数得到实际h-z尖刀去除函数。

数据分析单元5用于将实际h-z尖刀去除函数与目标h-z尖刀去除函数进行对比分析，使实际h-z尖刀去除函数接近目标h-z尖刀去除函数。

该主轴复合运动控制系统能够实时跟随自转轴组件4和平转轴组件3的运动，实时反馈运动数据，并对双电机进行反结算从而得到实际运动参数，根据电子凸轮控制器2上载的运动数据，比如两个电机各自在各运动点的编码器位置、跟随误差反算得到实际的运动速度、运动加速度、运动周期及轨迹等，并通过上位机1反向计算得到实际的h-z尖刀去除函数，与目标h-z尖刀去除函数拟合出残差。这样可以知道是否实现了理论设计所要求达到的指标及加工目标，形成闭环反馈。同时分析复合运动控制系统的稳定性，并且可以收集在不同工况下实际与理论差异的不同，针对不同控制系统设计不同的电机控制参数配比。从而达到在任何应用场合都可以实现理论与实际最小偏差的作用，提高了控制精度。

在本实施例中，上位机1还包括系统安全分析单元，用于对目标运动参数进行安全性分析，如果安全性分析通过，则上位机生成运动控制程序。通过系统安全分析单元可以保护复合运动控制系统和磨盘安全工作。

在本实施例中，自转轴组件4包括自转轴电机42、第一伺服放大器41和第一编码器43。通过自转轴电机4执行自转动运动，通过第一伺服放大器41和第一编码器43和自转轴电机42的闭环控制实现精确地位置控制，从而满足运动精度要求。当然，对于不进行闭环控制的自转轴组件4，自转轴组件4还可以只包括自转轴电机42和第一伺服放大器41。

在本实施例中，平转轴组件3包括平转轴电机32、第二伺服放大器31和第二编码器33。通过平转轴电机3执行平转动运动，通过第二伺服放大器31和第二编码器33和平转轴电机32的闭环控制实现精确地位置控制，从而满足运动精度要求。当然，对于不进行闭环控制的平转轴组件3，平转轴组件3还可以只包括平转轴电机32和第二伺服放大器31。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。