一种四轴纳米控制系统的制作方法

1.本发明属于数控机床控制技术领域，尤其涉及一种四轴纳米控制系统。


背景技术：

2.在机器人技术领域中,多轴联动运动控制器是目前最为广泛应用的自动化控制装置,在工业制造、医学治疗等领域都得到了应用并且分工趋向精细化。例如，用于复合机床的多通道五轴联动数控系统已经多年在中国国际机床展览会(cimt)上展出。
3.在纳米级控制方面，中国发明专利公开cn107219821a提出六轴联动机器人曲线插补算法及纳米级运动控制系统，该发明具有集成度高、操作简单、管理方便的优点，可以实现很高的加工速度及连续微小程序段的高速加工，能真正实现6轴、5轴的实时联动以及全6轴切向弯刀插补。
4.然而，发明人发现，现有技术采用上述四轴、五轴或者六轴控制结构时，都是采用统一的交流电源对不同轴控制平台执行单一的静态控制。以四轴联动控制系统为例，四轴(x-y-z-θ)几乎同时处于工作状态，带了较大的系统干扰量；单一的静态交流量控制，还会给纳米级的精密运动过程带来谐波干扰。此外，不同的轴向控制(例如x-θ/y-θ)其实是存在关联的，现有技术并未考虑到电压供电控制基于这种关联性进行调节和反馈。
5.因此，现有技术的多轴联动运动控制器需要改进，尤其是在应用于纳米级运动对象的多轴控制(例如喷头与纺丝过程)时，其精度有待进一步提高。


技术实现要素：

6.为解决上述技术问题，本发明提出一种四轴纳米控制系统，所述四轴纳米控制系统包括四轴运动控制平台，所述四轴运动控制平台包括第一x轴控制平台、第二y轴控制平台、第三z轴控制平台以及第四θ轴控制平台。
7.作为更具体的技术方案，所述第一x轴运动平台用于控制第一目标对象在x轴方向上的加速度和牵引速度。
8.所述第二y轴安装在所述x轴上，用于调节不同的多个第二目标对象之间的间距；
9.所述第三z轴控制平台用于控制第三目标对象在z轴方向上运动；
10.所述第四θ轴安装在所述第二y轴上，用于辅助所述第一x轴和所述第二y轴改变运动方向；
11.其中，所述第一x轴控制平台和所述第四θ轴控制平台由第一电压源供电，所述第二y轴控制平台和第三z轴控制平台由第二电压源供电。
12.作为一个具体的硬件实现，所述第三z轴控制平台为高精度小行程运动控制平台，用于控制目标对象在垂直方向上运动，所述目标对象包括喷头；
13.所述第二y轴控制平台为高精度运动平台，所述第二目标对象包括纳米纤维纺丝；
14.所述第一x轴控制平台为直线电机；
15.所述第四θ轴控制平台为转动轴控制平台。
16.作为更具体的例子，所述第一x轴控制平台配置以气动直线轴承为导轨的直线电机。
17.上述基础，本发明的进一步改进的技术方案在于：所述第一电压源为直流电压源，所述第二电压源为交流电压源，并且所述第一x轴控制平台和所述第四θ轴控制平台由第一电压源供电的供电电压、所述第二y轴控制平台和第三z轴控制平台由第二电压源供电的供电电压随着工作状态的改变，在一定范围内自适应调节，并满足预设的调节条件。
18.作为上述改进的具体技术手段，所述预设的调节条件包括：
19.所述第一电压源以直流输出电压v
x
向所述第一x轴控制平台供电，以直流输出电压v
θ
向所述第四θ轴控制平台供电，所述直流输出电压v
x
和直流输出电压v
θ
满足如下条件：
[0020][0021][0022]
其中，v为所述第一电压源的最大输出电压，smax为所述第一x轴运动平台在x方向上的最大行程，scur为第一目标对象在x方向当前的实时行程。
[0023]
所述第二电压源以交流输出电压uy向所述第二y轴控制平台供电，以交流输出电压uz向所述第三z轴控制平台供电，所述交流输出电压uy和交流输出电压uz满足如下条件：
[0024][0025]
其中，phaseuy为交流输出电压uy的最大相位差，phaseuz为交流输出电压uz的最大相位差，phaseu
max
为所述第二电压源最大可输出交流电压的最大相位差；fuy、fuz分别为交流输出电压uy、交流输出电压uz的频率，单位为赫兹。
[0026]
作为本发明的再一个改进方案，在上述技术方案中，不同的轴控制平台具有不同的控制精度。
[0027]
具体的，所述第三z轴控制平台用于控制目标对象在z轴方向上以微米级距离运动；
[0028]
所述第一x轴运动平台用于控制第一目标对象在x轴方向上以纳米级距离运动；
[0029]
所述第二y轴运动平台用于调节不同第二目标对象之间的间距，所述间距为纳米级至微米级之间。
[0030]
接下来，基于上述硬件结构简单概述本发明的技术方案的基本工作流程。
[0031]
其中，该四轴纳米控制系统包括人机交互输入装置，用于输入初始控制参数，初始输入为第一目标对象的初始水平面坐标以及每个第二目标对象在垂直和水平方向的角度坐标。
[0032]
该四轴纳米控制系统包括坐标转换装置，可基于坐标转换将所述初始水平面坐标以及所述角度坐标转换为x-y-z轴各自的初始运动位移量。
[0033]
然后，所述四轴纳米控制系统基于所述x-y-z轴各自的初始运动位移量、x-y-z轴各自的最大位移量以及当前运动时间，确定所述第一x轴和所述第二y轴改变运动方向的时间节点，基于所述时间节点，启动所述第四θ轴控制平台。
[0034]
所述该四轴纳米控制系统还包括反馈信息收集器，所述反馈信息收集器采用环形收集栈实现。
[0035]
在这个过程中，第一x轴控制平台以预设频率反馈第一目标对象在x方向当前的实时行程值至所述反馈信息收集器，同时，第二y轴控制平台也以所述预设频率同步反馈多个第二目标对象多个第二目标对象之间的间距值至所述反馈信息收集器。
[0036]
其中，所述预设频率大于5000次/分。
[0037]
所述反馈信息收集器将所述收集的反馈信息发送至所述第四θ轴控制平台，以使得所述第四θ轴于辅助所述第一x轴和所述第二y轴改变运动方向。
[0038]
本发明的技术方案，在已有的多轴多通道纳米数控系统基础上，分别对不同轴的控制平台采用不同的电压控制，并且基于水平轴(x轴或y轴)的方向改变来启动θ轴，改变了现有的θ轴一直处于工作状态的做法，降低了系统干扰量；同时，电压控制值基于当前各轴的运动位移量参数或者交流状态参数进行动态调节，避免了可能的谐波干扰的同时，实现了动态反馈。由此，本发明可实现更智能化的纳米级四轴运动控制，例如喷头与纺丝过程的自动化纳米级四轴运动控制。
[0039]
本发明的进一步优点将结合说明书附图在具体实施例部分进一步详细体现。
附图说明
[0040]
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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0041]
图1是本发明一个实施例的一种四轴纳米控制系统的主体结构示意图；
[0042]
图2是本发明一个实施例的一种四轴纳米控制系统的具体硬件实现结构示意图；
[0043]
图3是本发明一个实施例的一种四轴纳米控制系统的控制方法的实施例流程图；
[0044]
图4是本发明另一个实施例的一种四轴纳米控制系统的控制方法的实施例流程图。
具体实施方式
[0045]
下面，结合附图以及具体实施方式，对发明做出进一步的描述。
[0046]
图1是本发明一个实施例的一种四轴纳米控制系统的主体结构示意图。
[0047]
在图1中，所述四轴纳米控制系统包括四轴运动控制平台，所述四轴运动控制平台包括第一x轴控制平台、第二y轴控制平台、第三z轴控制平台以及第四θ轴控制平台。
[0048]
具体的，所述第一x轴运动平台用于控制第一目标对象在x轴方向上的加速度和牵引速度；
[0049]
所述第二y轴安装在所述x轴上，用于调节不同的多个第二目标对象之间的间距；
[0050]
所述第三z轴控制平台用于控制第三目标对象在z轴方向上运动；
[0051]
所述第四θ轴安装在所述第二y轴上，用于辅助所述第一x轴和所述第二y轴改变运动方向。
[0052]
作为更具体的实施例，所述第三目标对象和所述第一目标对象可以相同，所述第
二目标对象可以是多个。
[0053]
作为示例，所述第三目标对象和所述第一目标对象可以是喷头，所述第二目标对象为静电纺丝。
[0054]
作为一个说明，所述四轴纳米控制系统可以参照现有技术已有的dasen 20数控系统进行各轴控制系统的搭建。dasen 20数控系统本身包含第一通道的五轴联动数控系统和第二通道的四轴联动控制系统，并且第二通道可以独立配置。dasen 20数控系统的相关控制结构可参见相关现有技术，例如如下文献：
[0055]
[1]李刚.用于复合机床的多通道五轴联动数控系统dasen20[j].世界制造技术与装备市场,2008(03):85-87.
[0056]
[2]唐堂.面向复合加工的数控系统多轴多通道控制技术的研究[d].中国科学院研究生院(沈阳计算技术研究所),2014.
[0057]
此外，[3]《第十一届中国国际机床展览会(cimt2009)国产数控系统展品综述》对此也有详细介绍，《中国机床工具工业年鉴》[4]也持续更新。
[0058]
因此，本发明对此不作展开说明。
[0059]
本发明的上述控制系统可以应用于喷头与纺丝过程的自动化纳米级四轴运动控制，此时，一个示意性的实施例如下：
[0060]
z轴为高精度小行程运动平台，用于带动喷头的垂直运动。x轴为直线电机，配上雷尼绍高精度光栅尺，精度高，高速高加速度，解决近场纺丝过程中因设备加速度小，在停顿处出现鞭动现象的问题，为纺丝过程中提供一个高加速度和高牵引速度，保证直线度和纤维质量；y轴为高精度丝杠运动平台，安装在x轴上，用于保证相邻两根丝线的间距；θ轴是一个高精度转动轴，安装在y轴上，用于辅助y轴和x轴在更换运动方向顺利进行而不会出现鞭动。绝缘支撑板安装在θ轴上，用于隔绝和屏蔽周围电场对纺丝过程的干扰。上述部分结构可见于已有的现有技术文献。
[0061]
然而，现有技术采用上述四轴控制结构时，都是采用统一的交流电源对不同轴控制平台执行单一的静态控制，四轴(x-y-z-θ)几乎同时处于工作状态，带了较大的系统干扰量；单一的静态交流量控制，还会给纳米级的精密运动过程带来谐波干扰。
[0062]
此外，不同的轴向控制(例如x-θ/y-θ)其实是存在关联的，现有技术并未考虑到电压供电控制基于这种关联性进行调节和反馈。
[0063]
基于此，本发明的各个实施例进行了多方面的改进。
[0064]
参见图1，其中，所述第一x轴控制平台和所述第四θ轴控制平台由第一电压源供电，所述第二y轴控制平台和第三z轴控制平台由第二电压源供电。
[0065]
同时，所述四轴纳米控制系统还包括反馈信息收集器，第一x轴控制平台以预设频率反馈第一目标对象在x方向当前的实时行程值至所述反馈信息收集器，同时，第二y轴控制平台也以所述预设频率同步反馈多个第二目标对象多个第二目标对象之间的间距值至所述反馈信息收集器。
[0066]
所述反馈信息收集器将所述收集的反馈信息发送至所述第四θ轴控制平台，以使得所述第四θ轴于辅助所述第一x轴和所述第二y轴改变运动方向。
[0067]
所述反馈信息收集器采用环形收集栈实现。
[0068]
所述环形收集栈包括内环栈和外环栈，下面结合环形栈的优点，以更好的理解本
申请各个实施例的创造性。
[0069]
栈的结构为“后进先出”，环形栈则可以确保“数据溢出”。
[0070]“后进先出”的数据存储方式，可以确保所述反馈信息收集器发送至所述第四θ轴控制平台的反馈信息永远是最新的(最近一次或者最近一批次)，符合实际情况；而环形栈的采用，则使得开发者无需关注当前数据库存储了多少反馈信息，环形栈不会溢出加上先进先出的策略，很好的确保了反馈信息的存储完整性和实时最新性。
[0071]
作为进一步的改进，所述环形栈包括预定大小的内环栈和外环栈；当所述内环栈和所述外环栈之一满栈时，所述反馈信息收集器将所述收集的反馈信息发送至所述第四θ轴控制平台。
[0072]
其中，所述预设频率大于5000次/分。
[0073]
所述反馈信息收集器将所述收集的反馈信息发送至所述第四θ轴控制平台后，启动所述第四θ轴于辅助所述第一x轴和/或所述第二y轴改变运动方向。
[0074]
所述第一x轴的运动方向包括正向运动和反向运动；
[0075]
所述第二y轴的运行方向包括缩短间距和增加间距。
[0076]
在具体硬件结构上，参见图2，所述第三z轴控制平台为高精度小行程运动控制平台，用于控制目标对象在垂直方向上运动，所述目标对象包括喷头；
[0077]
所述第二y轴控制平台为高精度运动平台，所述第二目标对象包括纳米纤维静电纺丝；
[0078]
所述第一x轴控制平台为直线电机；
[0079]
具体的，所述第一x轴控制平台为以气动直线轴承为导轨的直线电机。
[0080]
所述第四θ轴控制平台为转动轴控制平台。
[0081]
所述第一电压源为直流电压源，所述第二电压源为交流电压源，并且所述第一x轴控制平台和所述第四θ轴控制平台由第一电压源供电的供电电压、所述第二y轴控制平台和第三z轴控制平台由第二电压源供电的供电电压随着工作状态的改变，在一定范围内自适应调节，并满足预设的调节条件。
[0082]
作为上述改进的具体技术手段，所述预设的调节条件包括：
[0083]
所述第一电压源以直流输出电压v
x
向所述第一x轴控制平台供电，以直流输出电压v
θ
向所述第四θ轴控制平台供电，所述直流输出电压v
x
和直流输出电压v
θ
满足如下条件：
[0084][0085][0086]
其中，v为所述第一电压源的最大输出电压，smax为所述第一x轴运动平台在x方向上的最大行程(位移)，scur为第一目标对象在x方向当前的实时行程(位移)。
[0087]
对于y轴来说，也存在同样的条件控制：
[0088]
[0089][0090]
其中，u
max
为第二电压源最大可输出交流电压幅值，dist
max
为多个(例如两个)第二目标对象之间的最大间距，dist
cur
为多个(例如两个)第二目标对象之间的当前间距。
[0091]
x轴发生方向变化，包括x轴正向位移到最大位移量smax，此时，方向应该从正向切换为反向；或者x轴反向位移到最大位移量smax，从反向切换为正向；
[0092]
y轴发生方向变化，则可以判断当前间距dist
cur
是否达到最大dist
max
，如果达到最大，则需要从初始值开始，即从最大开始缩小，一直到最小值；或者，判断当前间距是否达到最小，如果达到最小，则需要从初始值(最小值)开始，开始增大，一直到最大值。
[0093]
所述第二电压源以交流输出电压uy向所述第二y轴控制平台供电，以交流输出电压uz向所述第三z轴控制平台供电，所述交流输出电压uy和交流输出电压uz满足如下条件：
[0094][0095]
其中，phaseuy为交流输出电压uy的最大相位差，phaseuz为交流输出电压uz的最大相位差，phaseu
max
为所述第二电压源最大可输出交流电压的最大相位差；fuy、fuz分别为交流输出电压uy、交流输出电压uz的频率，单位为赫兹。
[0096]
在上述技术方案中，不同的轴控制平台具有不同的控制精度。
[0097]
具体的，所述第三z轴控制平台用于控制目标对象在z轴方向上以微米级距离运动；
[0098]
所述第一x轴运动平台用于控制第一目标对象在x轴方向上以纳米级距离运动；
[0099]
所述第二y轴运动平台用于调节不同第二目标对象之间的间距，所述间距为纳米级至微米级之间。
[0100]
接下来，基于上述硬件结构简单概述本发明的技术方案的基本工作流程，即参见图3和图4。
[0101]
在图3中，该四轴纳米控制系统包括人机交互输入装置，用于输入初始控制参数，初始输入为第一目标对象的初始水平面坐标以及每个第二目标对象在垂直和水平方向的角度坐标。
[0102]
该四轴纳米控制系统包括坐标转换装置(系统)，可基于坐标转换将所述初始水平面坐标以及所述角度坐标转换为x-y-z轴各自的初始运动位移量。
[0103]
然后，所述四轴纳米控制系统基于所述x-y-z轴各自的初始运动位移量、x-y-z轴各自的最大位移量以及当前运动时间，确定所述第一x轴和所述第二y轴改变运动方向的时间节点，基于所述时间节点，启动所述第四θ轴控制平台。
[0104]
具体的，若判断出x轴或者y轴发生方向变化，则启动第四θ轴控制平台。
[0105]
x轴发生方向变化，包括x轴位移到最大位移量，此时，方向应该从正向切换为反向；或者从反向切换为正向，这个节点可以基于x-y-z轴各自的初始运动位移量、x-y-z轴各自的最大位移量以及当前运动时间，结合已有的运动速度和加速度计算确定；
[0106]
y轴发生方向变化，则可以判断当前间距是否达到最大，如果达到最大，则需要从初始值开始，即从最大开始缩小，一直到最小值；或者，判断当前间距是否达到最小，如果达
到最小，则需要从初始值(最小值)开始，开始增大，一直到最大值。这个开始缩小或者开始增大的节点即发生了方向变化，同样可以基于x-y-z轴各自的初始运动位移量、x-y-z轴各自的最大位移量以及当前运动时间，结合已有的运动速度和加速度计算确定。
[0107]
在图4中，示出更具体的控制方法流程如下(图4中未给出步骤标记)：
[0108]
s410：输入第一目标对象的初始水平面坐标以及每个第二目标对象在垂直和水平方向的角度坐标；
[0109]
s420：将所述初始水平面坐标以及所述角度坐标转换为x-y-z轴各自的初始运动位移量；
[0110]
s430：以直流输出电压v
x
向第一x轴控制平台供电；以交流输出电压uy向第二y轴控制平台供电；以交流输出电压uz向第三z轴控制平台供电；以直流输出电压v
θ
向第四θ轴控制平台供电；
[0111]
s440：启动第一x轴控制平台、第二y轴控制平台、第三z轴控制平台；
[0112]
s450：确定所述第一x轴和所述第二y轴改变运动方向的时间节点；
[0113]
s460：调整直流输出电压v
x
、交流输出电压uy、交流输出电压uz、直流输出电压v
θ
；
[0114]
s470：启动第四θ轴控制平台。
[0115]
可以理解，上述过程是一个循环过程，即在步骤s470中，启动第四θ轴控制平台辅助所述第一x轴和所述第二y轴改变运动方向后，即关闭所述第四θ轴控制平台的工作状态，保持待机，然后返回至步骤s450。图4中省略了相关过程的描述，采用省略线段表示。
[0116]
另外，可以看到，步骤s430以直流输出电压v
x
向第一x轴控制平台供电；以交流输出电压uy向第二y轴控制平台供电；以交流输出电压uz向第三z轴控制平台供电；以直流输出电压v
θ
向第四θ轴控制平台供电，是以一个启动电压分别使得第一x轴控制平台、第二y轴控制平台、第三z轴控制平台以及第四θ轴控制平台处于待机状态，后续这个启动电压根据预设调节条件进行调节后，变更为工作电压，才会正式启动第一x轴控制平台、第二y轴控制平台、第三z轴控制平台或第四θ轴控制平台。
[0117]
所述预设的调节条件包括(如前述实施例所述)：
[0118]
所述直流输出电压v
x
和直流输出电压v
θ
满足如下条件：
[0119][0120][0121]
其中，v为所述第一电压源的最大输出电压，smax为所述第一x轴运动平台在x方向上的最大行程，scur为第一目标对象在x方向当前的实时行程。
[0122]
所述交流输出电压uy和交流输出电压uz满足如下条件：
[0123][0124]
其中，phaseuy为交流输出电压uy的最大相位差，phaseuz为交流输出电压uz的最大相位差，phaseu
max
为所述第二电压源最大可输出交流电压的最大相位差；fuy、fuz分别为交流输出电压uy、交流输出电压uz的频率，单位为赫兹。
[0125]
本发明的技术方案，在已有的多轴多通道纳米数控系统基础上，分别对不同轴的控制平台采用不同的电压控制，并且基于水平轴(x轴或y轴)的方向改变来启动θ轴，改变了现有的θ轴一直处于工作状态的做法，降低了系统干扰量；同时，电压控制值基于当前各轴的运动位移量参数或者交流状态参数进行动态调节，避免了可能的谐波干扰的同时，实现了动态反馈。由此，本发明可实现更智能化的纳米级四轴运动控制，例如喷头与纺丝过程的自动化纳米级四轴运动控制。
[0126]
但是，需要注意的是，本发明可以解决多个技术问题或者达到不同层级技术效果，但是并不要求本发明的每一个实施例均解决所有技术问题或者达到所有的技术效果，单独解决某一个或者某几个技术问题、获得一个或多个改进效果的某个实施例同样构成单独的技术方案。
[0127]
此外，本发明未特别声明的结构或者模块或者单元，遵照现有技术的解释。本技术背景技术或者具体实施例部分的引用文献(例如前述文献[1]-[4])，均视为本技术文件公开内容的一部分。