（机械电子工程专业论文）基于pci总线的焊接机器人多轴运动控制器设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 焊接机器人是提高生产效率，改善焊接质量的重要工具。而多轴运动控制器 是焊接机器人控制系统的核心，其性能直接影响焊接机器人的工作性能和焊接质 量。针对目前市场上的控制器开放性差、扩展性差等缺点，结合焊接机器人工作 性能的要求，本文设计了开放式的多轴运动控制器，可以实现机器人六关节的协 调控制和精确的轨迹控制，并具有良好的实时控制性能，较高的运动控制精度， 和良好的可升级性和可扩展性，因此在一定程度上提高了焊接机器人的性能 本文对运动控制技术中的插3 1 、算法和加减速控制进行了论述，对二维空间的 直线插补和圆弧插补算法，u n r b s 插3 1 、算法，直线加减速，指数加减速，s 曲 线加减速进行了理论研究；并结合本课题对交流伺服系统的控制方法加以研究， 为多轴控制器的硬件和软件设计提供的理论指导。 通过对多轴运动控制器常用的设计方案分析比较后，本文最终确定了多轴运 动控制器的“d s p + c p l d + p c i ”的硬件结构。p c i 总线具有一系列优点，能满足 运动控制器与p c 机大量的数据交换要求；d s p 作为多轴运动控制器的核心，在 数据处理方面具有优越的性能，可以实现复杂的运动轨迹规划和先进的控制算 法；由于硬件组成上使用了复杂可编程逻辑阵歹r j ( c p l d ) ，使该硬件系统集成度 更高，可靠性更好，也便于多轴控制器的开发和扩展。 在软件方面，对基于w i n d o w s2 0 0 0 操作系统环境下w d m 驱动程序的结构 特点和运行机制进行了分析，运用d r i v e r s t u d i o 驱动集成开发环境，编写了多 轴运动控制器的驱动程序，对p c i 驱动程序的开发方法和关键技术进行了论述， 并给出驱动程序的调试方法和安装过程。 关键词：焊接机器人，多轴运动控制器，d s p ，p c i 总线，w d m 驱动程序 i i a b s t r a c t aw e l d i n gr o b o ti sa ni m p o r t a n tt o o lt oi n c r e a s ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n d i m p r o v et h eq u a l i t yo fw e l d i n g a n dm u l t i - a x i sm o t i o nc o n t r o l l e r i st h ec o r eo f w e l d i n gr o b o t sc o n t r o ls y s t e mw h o s ef u n c t i o n sd i r e c t l yi m p a c to n t h ep e r f o r m a n c eo f t h ew e l d i n gr o b o t a i m i n ga tt h es h o r t c o m i n go fp o o ro p e na n de x p a n s i b i l i t yo nt h e c u r r e n tm a r k e ta n di n t e g r a t i n gp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so ft h ew e l d i n gr o b o t ，t h i s a r t i c l ed e s i g n a l lm u l t i a x i sm o t i o nc o n t r o l l e rw h i c hw i l la c h i e v es i x - j o i n t c o o r d i n a t i o no ft h er o b o ta n dp r e c i s et r a j e c t o r yc o n t r o l ，w h e ni th a sag o o dr e a l - t i m e c o n t r o lp e r f o r m a n c e ，h i g hp r e c i s i o nm o t i o nc o n t r o l ，a n dg o o de x p a n s i b i l i t y s o ，t oa c e r t a i ne x t e n t ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h ew e l d i n gr o b o tw i l lb ei m p r o v e d i n t h i sp a p e lt h ei n t e r p o l a t i o na l g o r i t h ma n dp r o c e s s i n gd e c e l e r a t i o nc o n t r o li n m o t i o nc o n t r o lw i l lb ed e s c r i b e da n dm a k eat h e o r e t i c a lr e s e a r c hi nt e c h n o l o g yo ft h e e x p o s i t i o ns p a c eo nt h et w o d i m e n s i o n a ll i n e a ri n t e r p o l a t i o na n d c i r c u l a ri n t e r p o l a t i o n a l g o r i t h m ，u n r b si n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m ，l i n e a ra c c e l e r a t i o n a n dd e c e l e r a t i o n ， a c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o ni n d e x ，t h es c u r v ea c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o n a n d t h ea r t i c l es t u d i e st h ea cs e r v os y s t e mc o n t r o lm e t h o df o rp r o v i d i n gt h e o r e t i c a l g u i d a n c et oh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h em u l t i a x i sc o n t r o l l e r a f t e ra n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gs o m ec o m m o nd e s i g n so fm u l t i 。a x i sm o t i o n c o n t r o l l e r , f i n a l l y , t h ep a p e rd e t e r m i n e st oa d o p tt h e ”d s p + p c i + c p l d ”h a r d w a r e s t r u c t u r eo fm u l t i a x i sm o t i o nc o n t r o l l e r p c ib u sh a san u m b e ro fa d v a n t a g e st om e e t t h em o t i o nc o n t r o l l e ra n dp c r e q u i r e m e n t si nl a r g ea m o u n t so fd a t ae x c h a n g e ；d s p a st h ec o r eo fm u l t i a x i sm o t i o nc o n t r o l l e r , w i t hr e m a r k a b l ep e r f o r m a n c ei n d a t a p r o c e s s i n g ，i sa b l et or e a l i z ec o m p l e xp r o g r a m m i n g i nm o v e m e n tt r a c k sa n da d v a n c e d c o n t r o la r i t h m e t i c c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i ca r r a y s ( c p l d ) u s e di n h a r d w a r e s t r u c t u r en o to n l ym a k e si th i g h e ri nh a r d w a r es y s t e mi n t e g r a t i o na n db e t t e r i n r e l i a b i l i t ya n df a c i l i t a t e st h ed e v e l o p m e n ta n de x p a n s i o no f m u l t i a x i sc o n t r o l l e r i nt e r m so fs o f t w a r e ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c sa n d o p e r a t i n gm e c h a n i s m so fw d m d r i v e rb a s e do nt h ew i n d o w s2 0 0 0o p e r a t i n gs y s t e m e n v i r o n m e n t ，d e s c r i b e h o wt ou s ed r i v e r s t u d i od r i v e ni n t e g r a t i o nd e v e l o p e n v i r o n m e n t st ow r i t ed r i v e r so ft h em o v e m e n tc o n t r o l l e r , a l s od i s c u s st h ec r u c i a l t e c h n o l o g i e si nd e v e l o p i n gm e t h o d so fp c id r i v e r s a tt h es a m et i m e ，t h ed r i v e r s p e c i f i cd e b u g g i n gm e t h o d sa n dt h ei n s t a l l a t i o np r o c e s sh a v eb e e np r e s e n t e d k e yw o r d s ：w e l d i n gr o b o t ，m u l t i a x i sm o t i o nc o n t r o l l e r , d s p , p c ib u s ，w d md r i v e r i i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿态堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：琴踢d 任 签字日期：硼年6 月加同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解澎姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：罗磷l j 伍 导师签名： 签字日期：2 ( ) 0 8 年6 月7 0 日 签字日期：沪易月f 易同 浙江大学硕上学位论文 致谢 致谢 值此论文完成之际，自己的硕士研究生学习也即将告以段落，很庆幸能在浙 江大学这样的高等学府求知和生活，回顾这段走过的时日，可以说行色匆匆，却 也体会到了收获的喜悦，其中有太多的人需要感谢。 首先，我要感谢我的导师朱世强教授，他的踏实与严谨，睿智与干练引领我 进入了一个新的人生境界。朱老师丰富的理论知识和研究经验，以及对科研项目 的整体把握能力和科学有效的思维方式，使我受益匪浅。从课题的选择到项目的 最终完成，朱老师始终给予我细心的指导和不懈的支持，在此谨向朱老师致以诚 挚的谢意和崇高的敬意。 感谢我在浙江大学机械与能源工程学院学习期间，给予我教诲的老师们，是 他们孜孜不倦地教导，使我掌握了众多的专业知识，提高了分析问题，解决问题 的能力，为论文的撰写打下了良好的基础。 感谢我远方的父母，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，二老永远 健康快乐是我最大的心愿。 感谢实验室的刘松国、刘华山、王会方、吴剑波等师兄弟和师妹闫莎莎对我 的支持和帮助，尤其是博士生刘华山和硕士生吴剑波对我论文的完成给予了极大 的帮助，对他们所付出的辛勤劳动，我致以诚挚的谢意。 感谢师兄弟陈光、程永伦、李江波、孙杰在工作和生活上给予的关心和帮助。 感谢机电0 6 硕士班的全体同学，特别是寝室室友贾凤昌、马晓亮、葛朝平 几个兄弟，朝夕相处的两年将成为我人生中一段美好的回忆。 此外，我要特别感谢我的女朋友张扬，感谢她对我在生活上无微不至的关心 和在学业上的鞭策和鼓励，感谢她陪我度过的所有快乐的时光。 最后，衷心感谢所有关心、指导、帮助和批评过我的人! 罗利佳 2 0 0 8 年6 月于求是园 浙江大学硕十学位论文绪论 1 绪论 工业机器入技术是当今世界最引入瞩目的高新产业之一。许多国家都把发展 工业机器人作为高技术领域的战略目标列入国家发展计划，其中日本发展最为迅 猛，拥有量占全世界机器人总数的5 0 左右，一直保持“机器人王国”的地位 除日本外，美国、俄罗斯和西欧一些国家的机器人产业也发展得很快。在亚洲， 韩国的机器人产业发展迅速，现排名世界第5 位；而日本、韩国和新加坡的机器 人密度居世界第1 3 位，包揽了前三名【m l 。 我国工业机器人起步于2 0 世纪7 0 年代初期，在高技术发展的推动下，随着 改革开放方针的实施，我国机器人技术的发展得到政府的重视和支持，至今也有 了很大的发展。已基本上掌握了机器人的设计制造技术，控制系统硬件和软件设 计运动学与轨迹规划，也开发了一些不同类型的机器人f 2 1 。但总的说来，由于我 国机器人技术发展的时间较短，无论是一般制造业还是汽车制造业，其机器人的 使用密度都非常低，所拥有的机器人数量同工业发达国家的平均水平相比都还具 有相当大的发展空间。 我国企业为增强制造业的竞争能力，提高装备水平和自动化水平，使用机器 人进行焊接作业是促进企业科技进步、改善企业形象、提高产品质量，实现用高 新技术改造传统产业的重要手段。因此，我国焊接机器人市场前景广阔、发展潜 力巨大。本实验室就是在此背景下，自主研发了“钱江一号”弧焊机器人，但目 前还是采用外购的多轴运动控制器，因此自主研发多轴运动控制器是实现焊接机 器人国产化的重要环节。 1 2 运动控制器概述 运动控制器是通过对以电机驱动的执行机构等设备进行运动控制，以实现预 定动轨迹目标的装置。可以说，只要有伺服电机应用的场合就离不开运动控制器， 它以其特有的灵活性和优异的运动轨迹控制能力使许多工业生产设备焕发出勃 浙江人学硕l ：学位论文 绪论 勃生机。随着自动化技术的进一步发展，运动控制器( 步进、交流、直流) 的应用 已经走出机械加工行业，越来越多地应用于其它工业自动化设备控制，如电子机 械、化工设备、航空航天、国防装备等诸多行业。 运动控制器是p c 机与电机驱动器之间的桥梁，工业p c 机加上运动控制 器再配以适当的f o 接口卡与驱动部分连接起来，在硬件上就构成了完整的控 制系统如图1 1 所示。当配以运动控制器的驱动程序后，该系统就可以按照要 求运动了。 图1 1p c 机+ 运动控制器构成的开放式控制系统 1 2 1 运动控制器的分类 运动控制器的分类可谓五花f - j 种类繁多，按总体结构主要分为【6 1 ：基于总 线的运动控制器、独立式运动控制器及网络运动控制器。基于总线的运动控制器 是利用现有的硬件和操作系统，结合用户开发的运动控制应用程序来实现的。对 基于总线的运动控制器，根据总线形式的不同，又细分为：i s a 、p c i 0 4 、p c i 等 类型；独立式运动控制器，它将控制器、i o 口、通信接口、操作界面封装在一 个机壳内。伺服更新和i o 等由内部软件来完成。这种控制器无法提供基于总 线运动控制器那样灵活的通信和操作界面，而且集成到大型系统比较困难；网络 运动控制器是由一个运动控制器和一个驱动控制器组装在一起构成的。它既有独 立运动控制器的优点，同时又能通过很多方法和协议将多个伺服驱动控制器连接 在一起，进行协调控制。 根据被控制的对象来分，可分为步进电机运动控制器、伺服电机运动控制器 和既可对步进电机进行控制又可对直流或交流伺服电机进行控制的运动控制器。 1 2 2 运动控制器的实现方案 运动控制器根据实现控制的方法不同，大多数控制方案由如下几种方案之一 2 浙江大学硕卜学位论文绪论 为核心来实现叼： ( 1 ) 基于计算机标准总线的运动控制器，它是把具有开放体系结构，独立于计 算机的运动控制器与计算机相结合构成。这种运动控制器大都采用d s p 或微机 芯片作为c p u ，可完成运动规划、高速实时插补、伺服滤波控制和伺服驱动、 外部i o 之间的标准化通用接1 = i 功能，它开放的函数库可供用户根据不同的需求， 在d o s 或w i n d o w s 等平台下自行开发应用软件，组成各种控制系统。 ( 2 ) s o f t 型开放式运动控制器，它提供给用户最大的灵活性，它的运动控制软 件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部i o 之间的标准 化通用接口。用户可以在w i n d o w s 平台和其他操作系统的支持下，利用开放 的运动控制内核，开发所需的控制功能，构成各种类型的高性能运动控制系统， 从而提供给用户更多的选择和灵活性。 ( 3 ) 嵌入式结构的运动控制器，这种运动控制器是把计算机嵌入到运动控制器 中的一种产品，它能够独立运行。运动控制器与计算机之间的通信依然是靠计算 机总线，实质上是基于总线结构的运动控制器的一种变种。对于标准总线的计算 机模块，这种产品采用了更加可靠的总线连接方式( 采用针式连接器) ，更加适合 工业应用。在使用中，采用如工业以太网、r s 4 8 5 、s e r c o s 、p r o f i b u s 等现 场网络通信接口联接上级计算机或控制面板。嵌入式的运动控制器也可配置软盘 和硬盘驱动器，甚至可以通过i n t e r n e t 进行远程诊断。 1 2 3 运动控制器的国内外研究现状 目前，国外一些著名的大公司已经开发出了一些运动控制器，其中有代表性 的产品有【o 】：美国n i 公司开发了p c i 7 3 4 4 p x i 7 3 3 4 f w - 7 3 4 4 系列的多轴运 动控制器；德国m o v t e c 公司的d e c 4 t 、d e c 4 d a 是基于p c 机、用于步 进电机和数字伺服电机的运动控制器，可4 轴联动，具备直线和圆弧插补功能； 美国d e l t at a ud a t as y s t e m s 公司生产的p m a c ( p r o g r a mm u l t i p l ea x i s c o n t r o l l e r ) 控制器。该产品使用m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 2 为核心c p u ，伺服 周期快达5 5 微秒。每块卡可以控制的轴数多达3 2 轴，并且可以通过多块控制器 链接的方式控制更多的轴。运动控制器厂家提供了各种控制功能，除了直线、圆 弧、空间曲线插补、加减速曲线、三次样条插补、p i d 前馈滤波器等控制算法外， 浙江大学硕十学位论文 绪论 还提供了电子齿轮( e g b 娘) ，电子凸轮( e c a m ) 等特殊的运动控制功能，可以分 别模拟齿轮的定比例变速功能和凸轮的变速功能。用户只需要进行简单的设置就 可以完成这些功能。在一些速度跟随的场合，比如输送、印刷、定长裁减生产线 上，这些功能给用户带来了极大的方便。 我国在运动控制器产品开发方面相对落后，大多是在国内推广国外生产的运 动控制器产品。目前国内也有部分公司开发出了自己的运动控制器【0 1 ：深圳固 高、深圳摩信是国内较早( 2 0 世纪9 0 年代晚期) 从事独立开放式运动控制器的厂 家，推出了一些通用的运动控制器。如固高的g t 系列运动控制器、摩信的 m c t 8 0 0 0 系列运动控制器；长沙力鼎科技有限公司的m c 系列3 轴模拟电压控 制编码器反馈型运动控制器，4 轴有无反馈脉冲输出型运动控制器；南京顺康 数码科技有限公司的m c 6 0 1 4 a 使用了带插补功能、可以控制4 个电机的d s p 运动控制芯片，适用于p c 机i s a 总线的线路板；成都步进机电有限公司的 m p c 0 1 和m p c 0 2 系列3 轴步进或数字式伺服控制运动控制器。 1 2 4 目前运动控制器的不足 虽然国外的运动控制器产品在性能方面具有许多优势，但它们也具有很多不 足之处，尤其是应用于机器人的运动控制器，其不足主要表现在以下几方面： ( 1 ) 开放性差：很多控制器局限于“专用计算机、专用机器人语言、专用微处理 器”的封闭式结构，封闭的控制器结构使其具有特定的功能、适应于特定的环境， 不便于对系统进行扩展和改进。( 2 ) 软件独立性差：软件结构及其逻辑结构依赖 于处理器硬件，难以在不同的系统间移植。( 3 ) 容错性差：由于并行计算中的数 据相关性、通讯及同步等内在特点，控制器的容错性能变差，其中一个处理器出 故障可能导致整个系统的瘫痪。( 4 ) 扩展性差：由于结构的封闭性，难以根据需 要对系统进行扩展，如增加传感器控制等功能模块。( 5 ) 缺少网络功能。 国内运动控制器的差距主要体现在控制算法和二次开发平台的易用性方面， 此外，国内的运动控制器可控轴数相对国外较少，在多轴联动能力上还有很大不 足，插补功能不够强大，在总线上多为i s a 总线，只有个别高端产品采用p c i 、 i i s b 总线。 浙江大学硕上学位论文 绪论 1 2 5 运动控制器的发展趋势 传统的运动控制系统经过几十年的市场竟争，其技术被少数几家专业制造商 所垄断，并且随着现代科学技术的进步，传统的运动控制系统由于其自身的特性 限制，封闭式结构、控制软件的兼容性差、容错性和可靠性不高、缺少网络功能 等，已不能满足现代工业和社会发展的要求【7 】开放式结构运动控制器是2 1 世 纪运动控制技术的主要研究内容，有可互换性、可伸缩性、可移植性、互操作性、 可扩展性等特性。开放式运动控制器与传统的运动控制方法相比，有以下显著特 征：( 1 ) 能方便地与机床、机器人等被控设备联接；( 2 ) 一个运动控制器从硬件上 可以实现一到多个坐标轴的位置、速度和轨迹伺服控制，软件上具有完善的轨迹 插补、运动规划和伺服控制功能；( 3 ) 结构形式模块化，以方便地相互组合，建立 适用不同场合、不同功能需求的控制系统；( 4 ) 由它采用开放化的技术，有维护、 扩展、升级方便等特剧1 4 j 。 1 3 课题来源及研究内容 1 3 1 课题的来源 浙江大学机电所机器人实验室已经成功研制出焊接机器人( 钱江一号) ，这 是国内少有的完全自主设计、自主开发并实用化的工业机器人。然而，“钱江一 号”机器人的多轴运动控制器仍然是依赖进口，这在某种程度上削弱了该机器人 的竞争力，成为进一步发展的一个严重制约。本课题就是以我们的多年研究工作 为基础，以多轴运动控制器的国产化为目标，来攻克焊接机器人国产化的最后一 个“堡垒”。本课题得到浙江省面上项目的支持，项目名称：基于d s p 的工业机 器人多轴运动控制器研制，编号：2 0 0 8 c 2 1 g 2 0 1 0 1 0 5 。 1 3 2 课题的研究目的和意义 课题研究的目的在于：开发一套能够与自动焊接机器人相配套的多轴运动控 制器，该多轴运动控制器应具有良好的实时控制性能和较高的运动控制精度，能 够一定程度上提高整套焊接系统的效率，同时该多轴运动控制器应该易于操作， 浙江人学硕i j 学位论文 绪论 易于升级和扩展，并能支持用户二次开发，同时也能适用于除了焊接机器人之外 其它的数控加工装置。 课题研究的意义在于：( 1 ) 作为焊接机器人系统重要的组成部分，设计出于之 相配套的专用的多轴控制控制系统，可以克服因为采用外购控制器而造成焊接机 器人本体与多轴运动控制系统集成度不高的缺陷，同时可根据焊接机器人的实际 需要从底层对运动控制器的功能进行修改和扩充，从而可以极大的提高系统的兼 容性和焊接机器人工作性能；( 2 ) 设计出易于使用，功能完善，性能优越，成本 较低的多轴运动控制器，可以在一定程度上可以打破国外厂商的技术壁垒，对于 实现焊接机器人本地化和多轴运动控制的国产化也具有重要意义。 1 3 3 课题的研究内容 ( 1 ) 多任务高速实时控制器的软硬件系统设计 构建以高速d s p 为核心并具有标准p c i 通讯接1 ：1 的硬件实时平台以满足机 器人多轴运动控制器实时性要求。同时，研究利用c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 作电机控制硬件扩展，并完成硬件接i = l 问的高速逻辑联接，并对与本硬件系统相 适应的高速实时并行算法的软件系统进行研究和设计。 ( 2 ) 高精度多轴联动控制方法研究 针对机器人控制中所涉及到的多轴联动，研究相应的并行实时控制算法，对 各个电机的控制进行任务划分，任务通信，任务组合，任务映射，实现多轴联动 的同步性和协调性，避免各轴之间的干涉、耦合等问题。现有的d s p 芯片由于 本身资源有限，无法在一块d s p 芯片上完成对多轴的控制。为保证多轴控制器 能够控制6 个电机，本课题组还将就基于c p l d 硬件编程的电机控制模块扩展和 多轴联动并行算法进行研究。 ( 3 ) 高精度的轨迹插补算法 针对一般的轮廓控制加工系统在插补二次曲线或三次曲线时，用直线和圆弧 插补进行拟合逼近处理存在分段多、光顺性差、精度低以及加工速度慢的缺点， 研究利用多次b 样条曲线等先进插补方法，使得整个插补过程在控制精度内平 稳快速。本课题针对的是六自由度的多轴焊接机器人控制，因此对于多轴交叉耦 合控制的专项研究也成为高精度轨迹插补算法中的重点研究内容。 浙江大学硕士学位论文 绪论 ( 4 ) 标准p c i 接口通讯实现 为使本课题所研制的多轴运动控制器具有通用性和高实时性，我们将采用标 准p c i 接口与工业机器人主控制器进行通讯。其中p c i 底层驱动和协议的编写 是本课题的主要研究重点。 1 4 本章小结 本章首先介绍了课题的背景，然后重点介绍了运动控制器的分类、发展现状、 实现方案，同时指出了目前所用的多轴运动控制器的不足和运动控制器的发展趋 势，并结合本课题的实际要求，提出了本课题的研究内容及要达到的技术指标。 浙江大学硕士学位论文运动控制器中的运动控制关键技术研究 2 运动控制器中的运动控制关键技术研究 2 1 运动控制技术概述 运动控制是为了使运动部件达到预期的运动轨迹、速度、加速度和力等运动 参数。一般地，运动控制系统主要由运动控制器、驱动器、执行器、传动部件和 被控运动部件构成 在运动控制系统中，按机械运动的轨迹分类，可分为点位、直线、轮廓控制、 同步运动控制等【1 2 l 。( 1 ) 点位控制又称为点到点控制，其特点是仅对终点位置有 要求，与运动的中间过程即运动轨迹无关。( 2 ) 直线控制又称为平行控制，这类 运动除了控制点到点的准确位置之外，还要保证两点之间移动的轨迹是一条直 线，而且对移动的速度也要进行控制。( 3 ) 轮廓控制又称为连续轨迹控制，这类 运动能够对两个或两个以上运动坐标的位移及速度进行连续相关的控制，因而可 以进行曲线或曲面的运动。可以通过直线、圆弧插补、n u r b s 曲线插补等实现。 现代数控机床及机器人绝大多数具有两个坐标或两个坐标以上联动的功能，如6 轴焊接机械手，其运动可以给定在空间的任意方向。( 4 ) 同步运动控制，为多个 轴之间的运动协调控制，可以是多个轴在运动全过程中进行同步，也可以是在运 动过程中的局部有速度同步，相应的运动控制器的控制算法常采用自适应前馈控 制，通过自动调节控制量的幅值和相位，来保证在输入端加一个与干扰幅值相等、 相位相反的控制作用，以抑制周期干扰，保证系统的同步控制。 运动控制系统还可以分为开环控制系统、半闭环和闭环控制系统【1 1 】。在开环 电气运动控制系统中，执行电机通常是步进电机，由于没有位置控制和校正控制， 位移精度取决于步进电机的步距角及传动机构的精度等；其优点是控制简单。在 闭环、半闭环电气运动控制系统中，执行电机通常是直流伺服电动机或交流伺服 电动机，系统具有位移测量和位置比较环节。由于增加了反馈和校正控制，控制 精度比开环系统高；但其控制复杂，控制不当，甚至引起振荡。通过编码器将电 机的位置信号反馈到控制系统可构成半闭环系统，如果将光栅尺等测量的实际位 置作为反馈即可构成闭环系统。 浙江人学硕上学位论文运动控制器中的运动控制关键技术研究 2 2 运动控制中的插补技术研究 运动控制系统中，为了满足按照执行部件运动的要求来实现轨迹控制常采用 - - j j , , 段直线或圆弧去拟合运动轨迹( 也有需要抛物线和高次曲线拟合的情况) ， 这种拟合方法就是“插补”。插补的实质就是数据点的密化。插补的任务是根据 运动轨迹的要求，在轮廓起点和终点之间计算出若干个中间点的坐标值，每个中 间点计算所需时间直接影响系统的控制速度，而插7 1 、中间点坐标值的计算精度又 影响到系统的控制精度。因此，插补的速度和精度是运动系统控制的重要指标 插补方法经过多年的发展已形成了众多的门类，一般依据系统控制方式的不 同将插补方法分为两大类1 1 3 - 1 5 】：基准脉冲插补和数据采样插补。基准脉冲插补是 用于开环控制系统的插补方法，每次插补结束仅向各运动坐标轴输出一个控制脉 冲，各坐标仅产生一个脉冲当量或行程的增量。脉冲序列的频率代表坐标运动的 速度，而脉冲的数量代表运动位移的大小；数据采样插补适用于闭环、半闭环以 直流和交流伺服电机为驱动装置的位置采样控制系统，在目前的检测和运算技术 还不能较快的实现插补一步检测修正一次的情况下，通常采用时间分割的思想。 整个插补过程划分为粗插补和精插补两个阶段。粗插补在每个插补周期内计算出 坐标实际位置增量值，而精插补则在每个采样周期内采样闭环或半闭环反馈位置 增量值及插补输出的指令位置增量值。然后算出各坐标轴相应的插补指令位置和 实际反馈位置，并将二者相比较，求得跟随误差。根据所求的跟随误差算出相应 轴的进给速度，并输给驱动装置，从而完成闭环控制。对于本课题研究的多轴运 动控制器来说，在整个闭环控制系统中它扮演的是精插补器的角色，因此对多轴 运动控制器采用的插补方法进行了分析。 2 2 1 数据采样插补原理 数据采样插补是现代数控机床高、中档c n c 系统及运动控制器常用的插补 算法。它基于粗、精二次插补的原理实现轨迹控制，其中粗插补由上位机焊接机 器人主控程序完成，精插补由多轴运动控制器实现。 数据采样插补的原理如下1 1 1 4 】：设p ) 为参数曲线上任一点的位置矢量， 参数曲线的形式为： 9 浙江人学硕i ：学位论文 运动控制器中的运动控制关键技术研究 p ( “) 一石( “) f + y ( u ) _ + z ( u ) 七 ( 2 1 ) 数据采样插补就是根据用户程序设定的进给速度，将给定轮廓曲线分割为每 一插补周期的进给段，即轮廓步长。每一个插补周期，执行一次插补计算，计算 出下一个插补点动点坐标，从而计算出下一个周期各个坐标进给量，从而得出下 一插补点的指令位置。在本课题中即为在第一个插补周期中，在满足指定的进给 速度要求的同时实时计算出下一插补周期中各轴的运动分量p ；，即 1 阱z x p , - p 4 , + l 他 ( 2 2 ) 式中a t , ；，为第f 个插补周期中的瞬时进给量，也称插补步长。若插补周期为t ， 指令进给速度为f ，则能，= f t 。本课题拟采用数据采样插补中的n u r b s 插 补算法，因此对n u r b s 插补算法进行了较深入的研究。 2 2 2n u r b s 曲线插补算法 n u r b s 是非均匀有理b 样条曲线( n o n u n i f o r mr a t i o n a lb s p l i n e ) 。所谓非 均匀是指其节点参数沿参数轴的分布是不等距的。有理b 样条是指其控制曲线 上的权因子可以取不同的有理数。n u r b s 在c a d c a m 领域有着较为成功的 应用【1 6 】。n u r b s 插补具有程序代码传输量少，进给速度均匀，精确度高、可高 速运行等诸多优点。因此，采用n u r b s 曲线插补算法对提高焊接机器人的轨迹 功能具有重要的意义。 n u r b s 曲线表达式有三种表达形式，通常应用的一种是其有理分式表达形 卉1 1 2 ，1 5 - 1 6 ， 砸) ；攀 ( 2 3 ) 薹m m ，t ) 写成坐标形式即： 1 0 浙江人学硕士学位论文 运动控制器中的运动控制关键技术研究 m t m ) x ) 一等竺 w , n i 上 ) y ”攀 磊m t ) m z ，m ) z ) ；车竺 善m m ) ( 2 4 ) 其中ho = 0 ，1 ，1 ) ，称为权或权因子，分别与控制顶点d ；g = o ，l ，1 ) 相联 系，首末权因子，岷 0 ，其余m 0 以防止分母为零、保留凸包性质及曲线 不致因权因子而退化为一点。d i ( i = 0 , 1 ，刀) 为控制顶点，即x i ，y ，z ，顺序连成 的控制多边形。n 姒 ) ( f = o ，”一，z ) 是由节点失量u = b 。，比1 础+ 。 按德布 尔一考克斯递推公式决定的k 次规范b 样条，其递推公式如下： 州= 嚣跳j n i 上 ) ：尘! l nj 一。 ) + 兰丛生竺卜。 ) ( 2 5 ) u f “一u f 蹦f “+ 1 一“f 规定旦：0 o 给定n u r b s 曲线的控制定点d i g = 0 ，l 咒) ，欲定义一条k 次非均匀有理 b 样条，还必须确定它的节点矢量u = k 。，“。，u n + k + l j 中具体的节点值。为了便 于对曲线在端点的行为有较好的控制，将两端点的重复度取为k + 1 ，通常将曲 线的定义域取为规范参数域：“b 。，“州 l 0 ，1 ，于是，u 。- - u 。= - - u 。= o ， “州= “。+ 2 = z “。+ m ；1 ，需要确定的就只有h ，“2 “。这些内节点。 求取内节点的方法有里森费尔德( r i e s e n f e l d ) 力- 法和哈特利( h a r t l e y ) 一贾德 仃u d d ) 力- 法，前者与曲线次数的奇偶性相关，而后者与曲线次数的奇偶性无关， 可以采用统一的计算公式，而且在计算过程中不考虑对该曲线没有影响的顶点， 浙江大学硕上学位论文 运动控制器中的运动控制关键技术研究 这一点比里森费尔德方法更为合理1 1 3 1 所以采用哈特利一贾德方法计算n u r b s 的节点矢量值，公式如下： 。， u f 一“f l = 高等，i = k + 1 ，尼+ 2 ，l ，薹。，茎? ， 于是有： ( 2 6 ) ”势，也j 。嚣弘m ，川 ( 2 7 ) 其中，为多边形的控制边长，l j = p j - d l ，因此，知道了曲线的控制定点 d 。( i o ，1 ，n ) 便可求得内节点。 对于三次( 即k = 3 ) n u r b s 曲线，为了便于表达，引入记号v ；u m 一“j ， v ；= “m u ，v ；= 比“3 一“，特别的v ? = 0 ，对于节点失量u ， “i n i ，u i + 1 胁2 嚣2 苛删f 制测触曲线可以表示成下 面的矩阵形式1 1 4 - 1 6 ： 式中： 些喀一望m生hd t咿砸 m r上v 一曲必一 m 一竺性 ，掣渺 浙江人学硕士学位论文 运动控制器中的运动控制关键技术研究 m l lm 1 2m 1 3m 1 4 m 2 1m 笼 m 2 3m 2 4 m 3 lm 3 2m 3 3 m 3 4 聊4 l聊4 2m 4 3m 4 4 一( v ，1 ) 2 v 三，v 3 ： 一3 m 1 1 3 m l l m l l 一( m u + m 。3 + m 1 4 ，一降+ 器 3 m l l m 2 3 一( 3 m 1 1 + 朋3 3 ) 1 + m 1 1 一m 4 3 展开式( 2 8 ) 并整理且令： c o = m l l m 一3 d f 一3 + m 1 2 m 2 d f 一2 + m 1 3 m 一1 d f l + m 1 4 w , d j c l 。m 2 1 w i 一3 d f 一3 + m 2 2 彬一2 d 2 + m 2 3 m l d f l + m 2 4 w i d f c 2 = m 3 1 彬一3 d f 一3 + m 3 2 m 一2 d f 一2 + m 3 3 m l d f l4 - m 3 4 w f l c 3 = m 4 1 w i 一3 d f 一3 + m 4 2 m 一2 d f 一2 + m 4 3 m l d f l + m 4 4 w i d c o2m l l m 一3 + m 1 2 m 一2 + m 1 3 w i l + m 1 4 w i c 12m 2 1 彬一34 - m 2 2 彬一2 + m 2 3 w i 1 + m 2 4 m c 25m 3 l 心一3 + m 3 2 w i 一2 + m 3 3 m 一1 + m 3 4 m c 1 = m 4 1 m 一1 + m 4 ，彬一2 + m 4 3 w i l + 所4 4 w f p，o)=兰二c三差it筹c ，。sfs 1 ，i = 3 ，4 ，z 2 tc 3 to + c l + 。+ 。 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 由于控制点d ；及权因子彬均已知，而m ，仅于节点向量有关，也是确定的。故式 ( 2 1 1 ) 中的各项系数均已知，且与插补点的参数无关，可在插补前一次性求出。 因式( 2 1 1 ) 中i 的取值为3 到1 1 ，所以对整条n u r b s 曲线可计算出的系数共有n 一2 组，在插补中根据插补点所在的位置动态选用相应的系数。 根据样条曲线数据采样插补原理，n u r b s 曲线直接插补过程由两大步骤完 成【1 4 】：三维轨迹空间到一维参变量空间的映射一一参数密化，和一维参数空间 到三维轨迹空间的映射一一轨迹计算。 参数密化即由三维轨迹空间到一维参变量空间的映射，也就是由轨迹空间的 进给步长丝映射到参变量空间以求取参变量增量“及下一参数坐标 1 3 浙江大学硕i ：学位论文运动控制器中的运动控制关键技术研究 比= 比，+ a u ，插补的一个定义就是数据的密化过程。在参数化插补方式下， 数据的密化过程即表现为参数的密化过程。密化过程采用参数迭代算法中的泰勒 展开法： “i + l = “f + t u j + ( ；) “f + d ( 丁2 ) ( 2 1 2 ) 式中：二：到，二：粤l ，r 吒- - t io d。t t - t j d t2 | f 毗 ”1 对于进给速度f o ) ，则有： 荆= 掣= 警瓦d l g 令：石= p ， ) ，y = p ， ) ，z = p ：( “) 二。掣，多；掣，三：掣 d “口“以“ 则：一d u ；! 盟：丝尘一 d t 印( “) d u。矗 、x + y + z d2 u d f ( t ) d t f 2 0 ) x + y y + z z ) j 了2 j 2 亏亏一r 忑了厂一 出2 二2 + y 2 + 三2 占2 + 多2 + 三2 ) z 、x + +z u 十十么， 从而得到二阶的泰勒展开式( 2 1 2 ) 的具体表达形式为： 址f t 2 d f ( t f )( 址f ) z ；石f + y fy f + z fz f ) + l 刮一丽薷z i 一丽2 、 x iyz i 芋一千专茗y 亨、z f + y f + +f +协+ z ) 对于占插补轨迹大部的非加减速阶段，有掣；0 ，故而此时取 矗f 式中：5 , ，= ，( z ) 。t = 互。t ，为插补周期内的进给步长。 对于一般插补过程，一阶泰勒展开既可满足精度要求，此时只需取： 1 4 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 竽玎唾赢 浙江入学硕十学位论文 运动摔制器中的运动摔制关键技术研究 u i + l ；“i + 7 = 亏婪 ( 2 1 9 ) 2 “i + f 乏2 5 亍寿 ( 2 1 9 ) 、x f +