（机械电子工程专业论文）非标数字装备通用控制器运动控制技术研究.pdf

摘要 本文围绕非标数字装备通用控制器的运动控制技术，从非标数字装备运动控制系统 的体系结构、操作机运动学分析、轨迹生成等方面进行了研究。结合非标数字装备对通 用控制器的需求，分析了通用控制器软硬件结构；比较现有的运动控翎体系缩构，提邂 了基于p c i 0 4 的分布式运动控制体系结构；利用沪h 法建立工业现场大量应用的非标数 字装备操作机运动学模型，并利用代数法进行了求解，基于动态链接库技术编写了运动 学正反解动态链接库，用户对模型的选择与输入的d h 参数作为参数传递给运动学函数， 使得运动学模型与特定的操作机分离；分析了轨迹生成的关节空间法和直角坐标空间 法，对加减速控制技术进行了分析比较，提出了基予三次样条函数的通用插补算法。本 文为进一步研究基于p c i 0 4 的非标数字装备运动控制系统软、硬件设计提供了一个总体 框架；实现了运动学模型的通用化，提高了编程效率；为加减速控制方式的选择提供指 导，为非标数字装备通用控制器的插补器软硬件设计提供了理论依据。 关键谲：非标数字装备逶用控制器运动控制轨迹生成 a b s t r a c t t h em o t i o nc o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r eo fn o n s t a n d a r dn u m e r i c a le q u i p m e n t s ，a n a l y s i so f k i n e m a t i c sf o rm a n i p u l a t o r s ，a n dt r a c eg e n e r a t i o nw e r er e s e a r c h e dr o u n dt h ea l l p u r p o s e c o n t r o l l e ro fn o n s t a n d a r dn u m e r i c a l e q u i p m e n t s c o m b i n i n gw i t ht h er e q u i r e m e n to f n o n s t a n d a r dn u m e r i c a le q u i p m e n t sf o ra l l p u r p o s ec o n t r o l l e r , t h es t r u c t u r e so fs o f t w a r ea n d h a r d w a r eo fa l l - p u r p o s ec o n t r o l l e rw e r ea n a l y z e d c o m p a r i n gw i t ht h ee x i s t i n gm o t i o nc o n t r o l s y s t e ms t r u c t u r e ，t h ed i s t r i b u t i n gm o t i o nc o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r eb a s e do np c i 0 4w a sp u t f o r w a r d t h ep a r a m e t e ri n p u tk i n e m a t i c sm o d e l sf o rn o n s t a n d a r dn u m e r i c a le q u i p m e n t s m a n i p u l a t o r sw e r ee s t a b l i s h e db yt h ed e n a v i t h a r t e n b e r gm e t h o d ，a n dt h ei n v e r s ek i n e m a t i c s w a sg a i n e db yt h ea l g e b r am e t h o dt h a tw a s p u tf o r w a r db yp a u le ta 1 n ed i r e c tk i n e m a t i c s a n di n v e r s ek i n e m a t i c sw e r ep r o g r a m m e dt od y n a m i cl i n kl i b r a r yf u n c t i o n s t h ec h o i c eo f m o d e l sa n dt h ed - hp a r a m e t e r si n p u tb yu s e rc a nb et r a n s f e r r e dt ot h ed y n a m i cl i n kl i b r a r y f u n c t i o n sa sf u n c t i o np a r a m e t e r n ej o i n ts p a c em e t h o da n d r i g h t - a n g l es p a c em e t h o do ft r a c e g e n e r a t i o na n da c c e l e r a t i o n d e c e l e r a t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g yw e r ea n a l y z e d t h eu n i v e r s a l i n t e r p o l a t i o na r i t h m e t i cb a s e do nt h r i c es p l i n ef u n c t i o nw a sa d v a n c e d t h ed i s s e r t a t i o n p r o v i d e sac o l l e c t i v ef r a m ef o rm o r er e s e a r c ho ft h ed e s i g no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r eo f m o t i o nc o n t r o ls y s t e mo fn o n s t a n d a r dn u m e r i c a le q u i p m e n t s t h ea l l p u r p o s ek i n e m a t i c s m o d e li so b t a i n e d ，a n dt h ee f f i c i e n c yo fp r o g r a m m ei s i m p r o v e d n ed i s s e r t a t i o n a l s o p r o v i d e sf r a m e so fr e f e r c n c ef o rt r a c eg e n e r a t i o n k e yw o r d s ：n o n s t a n d a r dn u m e r i c a le q u i p m e n t ，a l l - p u r p o s ec o n t r o l l e r , m o t i o nc o n t r o l ， 7 切c eg e n e r a t i o n 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和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津理工大堂或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同意对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：玄j 扔滔- 签害日期：秒咿年厂月罗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津理工大学有关保留、使用学位论文 的规定。特授权天津理工夫学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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文谭者签名：虱斫勰- 导师签名： 丢童方 签窖日期：2 口孵1 月f 罗鸯签字日期：耐年，月够纣 第一章绪论 第一章绪论 今天的运动控制系统，经历了各个领域里的巨大变革。控制的概念已经渗透到机械、 电子、仪器仪表等领域中，已使得运动控制系统中存在广泛的控制功能的可选择性。最 终组合成满足人们需要的、具体的运动控制系统。今天的运动控制，涉及信息传递、信 号测量、内部功率的控制，以及系统输出性能的补偿。这些都需要通过对组成系统的主 要部件仔细考虑并使之发挥作用来完成。这就是我们今天运动控制技术的任务。 1 1 1 1 课题来源 1 1 1 课题背景 本课题来源于天津市应用基础及前沿技术研究计划重点项目：非标数字装备通用控 制器关键技术及实用系统研究( 编号为0 7 j c z d j c 0 9 3 0 0 ) 。 1 1 2 目的意义 随着工业生产自动化水平的不断提高，各行各业普遍对适合自己行业特点的自动化 专机或自动化生产线产生巨大需求，这些专机和生产线的基本特点是：采用控制电机驱 动、通过传感器实时检测运行状态和环境信息，由计算机进行统一控制与协调，对现场 中大量的开关量输入输出，则采用p l c 进行控制，这些专机、生产线连同数控机床、 工业机器人一起，统称为数字控制装备，简称数字装备。由于对数控机床、通用工业机 器人的研究已成熟且已实用化、标准化，可称之为标准数字装备。除此之外，其他各类 自动化专机、生产线、检测设备则可称为非标准数字装备，简称非标数字装备。 制造业是国民经济的基础产业，制造业的水平高低是衡量一个国家工业发达程度的 重要标志，而制造装备又是制造业的技术根本。大力发展先进的制造装备己成为世界各 国的最重要的几大技术战略之一，先进制造技术已经是参与国际竞争与进行产品革新的 一种重要手段。非标数字装备作为工业中大量应用的制造装备，对于非标数字装备自动 化水平的发展，将会带来巨大的经济和社会效益。 运动控制技术是先进制造技术的基础，要发展先进制造技术必须重视运动控制技术 的发展。运动控制装景以其特有的灵活性和优秀的运动轨迹控制能力使许多工业生产设 备焕发勃勃生机。 运动控制技术是推动新的技术革命和新的产业革命的关键技术。运动控制器是在以 数字信号处理器d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 为代表的高性能高速微处理器及大规模可 编程逻辑器件的基础上发展起来的。运动控制器以其特有的灵活性和优秀的运动轨迹控 制能力使许多工业生产设备焕发出勃勃生机。可以说，只要有伺服电机应用的场合就离 第一章绪论 不开运动控制器，运动控制器将成为未来数控系统的核心。随着自动化技术的进一步发 展，运动控制器( 步进、交流、直流) 的应用已走出机械加工行业，越来越多地应用于航 天、食品加工、机床、产业制造、材料输送设备、医疗器械、半导体测试及加工、测试 及测量、纺织机械等其它工业自动化设备控制场合。 2 , 3 1 运动控制技术是实现先进制造设备与工艺的关键技术之一。目前，世界上工业发达 国家已借助其先进的运动控制技术实现了其制造设备与工艺的现代化。我国制造设备与 工艺水平整体不高，与工业发达国家有较大差距。研究开发可与国外名牌产品竞争的国 产化运动控制系统并实现产业化是振兴我国数字装备产业的关键。 和国外相比，我国的运动控制器生产厂商十分有限，大部分企业使用的运动控制器 依赖进口，据不完全统计，我国每年从美国进口的运动控制产品的费用约6 0 0 0 万元。 国内仅有的一些运动控制器厂商，很多因为技术等原因难以形成产品来支撑进一步开 发，只有少数公司，如固高、力鼎等，能提供出较成熟的产品。 1 2 运动控制技术的国内外研究现状 自2 0 世纪8 0 年代初期，通用运动控制器已经开始在国外多个行业应用，尤其是 在微电子行业的应用更加广泛。而当时运动控制器在我国的应用规模和行业面很小，国 内也没有厂商开发出通用的运动控制器产品。目前，国内的运动控制器生产厂商提供的 产品大致可以分为3 类：t 2 1 第一类是以单片机或微处理器作为核心的运动控制器，这类运动控制器速度较慢， 精度不高，成本相对较低。在一些只需要低速点位运动控制和对轨迹要求不高的轮廓运 动控制场合应用。 第二类是以专用芯片( a s i c ) 作为核心处理器的运动控制器，这类运动控制器结构比 较简单，但这类运动控制器大多数只能输出脉冲信号，工作于开环控制方式。这类控制 器对单轴的点位控制场合是基本满足要求的，但对于要求多轴协调运动和高速轨迹插补 控制的设备，这类运动控制器不能满足要求。由于这类控制器不能提供连续插补功能， 也没有前瞻功能( l o o ka h e a d ) ，特别是对于大量的小线段连续运动的场合如模具雕刻， 不能使用这类控制器。另外，由于硬件资源的限制，这类控制器的圆弧插补算法通常都 采用逐点比较法，插补的精度也不高。 第三类是基于p c 总线的以d s p 和f p g a 作为核心处理器的开放式运动控制器。 这类开放式运动控制器以d s p 芯片作为运动控制器的核心处理器，以p c 机作为信息 处理平台，运动控制器以插卡形式嵌入p c 机，即“p c + 运动控制器”的模式。这样将 p c 机的信息处理能力和开放式的特点与运动控制器的运动轨迹控制能力有机地结合在 一起，具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确、通用性好的特点。这类 运动控制器通常都能提供多轴协调运动控制与复杂的运动轨迹规划、实时的插补运算、 误差补偿、伺服滤波算法，能够实现闭环控制。由于采用f p g a 技术来进行硬件设计， 方便运动控制器供应商根据客户的特殊工艺要求和技术要求进行个性化的定制，形成独 第一章绪论 特的产品。 以运动控制卡为例，它是一种基于工业p c 机、用于各种运动控制场合( 包括位移、 速度、加速度等) 的上位控制单元。运动控制卡的出现主要是为了满足新型数控系统的 标准化、柔性、开放性等要求。此外，在各种工业设备、国防设备、智能医疗设备等的 自动化控制系统的研制和改造中，急需一个运动控制模块的硬件平台，p c 机在各种工业 现场的广泛应用也促使配备相应的控制卡以充分发挥p c 机的强大功能。运动控制卡都配 有开放的函数库供用户在d o s 或w i n d o w s 系统平台下自行开发、构造所需的控制系统。 因而这种结构开放的运动控制卡能够广泛地应用于制造业中设备自动化的各个领域。这 种运动控制模式在国外自动化设备的控制系统中比较流行，运动控制卡的制造也形成了 一个独立的专门行业，美国d e l t a t a ud a t as y s t e m 公司推出的p m a c 系列伺服控制卡比较 有代表性。p m a c p c 以m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 0 0 1 为微处理器，主频2 0 3 0 m h z ，4 0 6 0 l f s 轴的伺服更新率，3 6 位位置范围，1 6 位d a c 输出分辨率，可以完成直线或圆弧插补，s 曲线加速和减速，3 次轨迹计算、样条计算。利用d s p 强大的运算功能实现卜8 轴多轴实 时伺服控制。从市场需求来看，以美国d e l t a t a ud a t as y s t e m 公司的p m a c ( 8 轴) 系列 卡为例，在全球的销量超过4 5 0 0 0 套，应用于数控机床、医疗器械、工业机器人等需要 高精度位置控制领域。著名的哈勃望远镜镜面就是用p m a c 系列轴卡系统来控制研磨 的。我国上海磁悬浮列车高架钢梁的设计，需要使用六轴控制卡进行加工。国内相应的 产品也已出现，如成都步进电机有限公司的d m c 3 0 0 系列卡已成功地应用于数控打卡机、 汽车部件性能试验台等多种自动化设备上。 特别值得注意的是近年来随着通用控制技术的不断进步和完善，通用运动控制器作 为一个独立的工业自动化控制类产品，已经被越来越多的产业领域接受，并已达到一个 令人瞩目的市场规模。根据a r c 近期的一份研究，世界通用运动控$ 1 j ( g e n e r a lm o t i o n c o n t r o lg m c ) 市场已超过4 0 亿美元，并有望在未来5 年内综合增长率达到6 3 。今天 的通用运动控制器具有运动规划、多轴插补、连续插补、电子齿轮与电子凸轮、比较输 出、探针信号锁存等功能，基于计算机标准总线的运动控制器仍是市场的主流，但是基 于网络嵌入式运动控制器会有很大发展。基于计算机标准总线的通用运动控制器主要是 板卡结构，采用的总线大都为i s a 、p c i 。嵌入式p c 的运动控制器会有较好的市场前景。 由于s o m ( s y s t e mo nm o d u l e ) 和s o c ( s y s t e m o nc h i p ) 技术的快速发展，嵌入式p c 运动 控制器获得了良好的发展，其产品可将在p c 上开发的应用系统不加任何改动就可以很 方便地移植过来。作为用户，他们仅仅开发跟具体项目有关、相对独立的人机界面就可 以了。由于嵌入式p c 的运动控制平台具有标准p c 的接口功能，用户不需要再购买工 业p c 就能很方便地组成他们自己的系统。这种嵌入式运动控制器既提高了整个系统的 可靠性，也使系统更加简洁和高度集成化，是一种开放式的控制器。 4 1 由于开放式控制系统能够大力推动数控机床、机器入、测量装置以及制造系统的自 动化，带来巨大的经济效益和社会效益，主要工业国家的官方和民间机构都投入大量的 人力和物力发展开放结构的控制系统。 例如，美国空军在“下一代控制器 ( n e x tg e n e r a t i o nc o n t r o l l e r ，简称n g c ) 计划 中首先提出开放体系结构的控制器概念。并把它定义为：在竞争环境中允许多个制造商 第一章绪论 销售可以相互交换和相互操作的模块。自1 9 9 6 年开始，美国几个大的科研机构对n g c 计划分别发表了相应的研究内容，如美国国际标准研究院提出了“e m c ( 增强型机床控 制器) ：由美国通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司提出和研制了“o m a c ( 开放式、模 块化体系结构控制器) ”，其目的是用更开放、更加模块化的控制结构使制造系统更加具 有柔性、更加敏捷。该计划启动后不久便公布了一个名为“o m a c a p t 的规范，并促 成了一系列相关研究项目的运行。 欧洲在e s p r i t 科技发展计划中，专门设立了自动化系统控制器的开放系统结构 ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o l sw i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m s ，简称o s a c a ) 项目。 它的目标是开发与系统供应商无关的开放式控制系统的标准，它受到欧洲数控系统厂商 和机床制造上的支持。它的基本技术措施是，将控制功能进行递阶分解后成为功能单元， 如运动控制、运动控制管理、坐标控制、逻辑控制等。 日本通产省设立了开放式控制器推动部( j a p a n e s eo p e np r o m o t i o ng r o u p ，简称 j o p ) ，下设开放式控制器技术委员会( o p e nc o n t r o l l e rt e c h n i c a lc o m m i t t e e ，简称o c t c ) ， 致力于为最终用户、机床制造商、控制系统供应商、软件供应商和系统集成商提供工业 控制器的标准平台。o c t c 的应用程序接口规定了接口协议，使软件模块能够在控制器 内交换信息。 我国在“九五 期间，对开放式控制器就进行了研究。航天数控集团和华中数控集 团都先后推出了开放式数控平台。 由于国际还还缺少统一的开放式数控系统的体协结构标准，各研究机构和数控系统 厂商由于技术基础，研究水平的不同，形成了不同开放性方向。许多数控系统供应商提 供软件集成的开放接口，但对通过编程接口的数据传送模式没有统一的定义，还没有达 到应用软件能够“即插即用”的程度。 从1 9 9 6 年开始，美国、欧洲和日本就不断讨论建立统一标准的问题。目前，已经 对“全球人机界面应用程序( g l o b a lh m ia p i ) 达成初步协议。因为它与数控技术和信 息技术迅速发展的关系比较宽松，容易实现标准化。借助统一的全球人机界面应用程序 的数据模型和服务模型，就有可能实现在不同的编程和运行环境中实现不同控制系统的 协同性，使即插即用成为现实。1 3 】 1 3 运动控制技术的发展趋势 运动控制技术的发展将随着运动控制系统软硬件的发展和不断改善而得到进一步 的发展。今后的伺服系统，其发展趋势是高性能化、小型化、软件化、网络化和对环境 的更加适应性。首先，执行机构将通过在伺服电机中使用高性能永久磁性材料，改进磁 场构造，优化绕线技术和冷却技术；伺服电机本体的性能将通过采用新工艺和新结构， 在缩小体积的同时进一步加大输出转矩，在优化其输出效率和提高性能上发展。其次， 伺服控制器的性能将在硬件上采用高速c p u 、a s i c 、i p m 等智能功率器件、图形用户 接口( g u i ) 等硬件环境；在软件上采用新的控制理论，提高运算速度和控制精度，在 第一章绪论 抗干扰、低噪声等方面进行改善，以弱化对环境的要求。检测反馈装置将在分辨率、多 功能上大幅提高，并使速度和位置检测器件更加小型化、多功能化。传感器的发展趋势 是智能化、微型化、低功耗、集成化、多功能化和无线化。在电机伺服和系统控制器中 使用超大规模集成电路，使更多的硬件结构软件化，并使用网络化技术将驱动部分、运 动部分、上位部分和主计算机通过网络连接，构成一个整体的系统解决方案，通过网络 高速传输数据，进行整体一元化管理，使机械调整、故障诊断更加简单、可靠，甚至通 过i n t c r n e t 进行异地管理、控制和维护。 归纳起来，运动控制技术的发展主要有以下3 个方面：【4 l 1 数字化 从运动控制系统的发展过程可以得到以下结论：基于以d s p 控制器构成运动控制 系统可满足任意场合的需要，是运动控制技术一个重要的发展方向。运动控制器从最初 的单片机或微处理器作为核心的运动控制器和以专用芯片( a s i c ) 作为核心处理器的运 动控制器发展到今天的基于p c 总线的以d s p 和f p g a 作为核心处理器的开放式运动控 制器，运动控制技术也由面向传统的数控加工行业专用控制技术而发展为具有开放结 构、能结合具体应用要求而快速重组的先进运动控制技术。 2 网络化 微处理器的发展，使数字控制器简单而又灵活，同时为联网提供了可能。随着系统 规模的扩大和系统复杂性的提高，单机的控制系统越来越少，取而代之的是大规模的多 机协同工作的高度自动化的复杂系统，这就需要计算机网络的支持，传动设备及控制器 作为一个节点联到现场总线或工业控制网上，实现集中的或分散的生产过程的实时监 控。 3 智能化 借助数字和网络技术，智能控制已经深入到运动控制系统的各个方面，例如：模糊 控制、神经网络控制、解耦控制等，各种观测器和辨识技术应用于运动控制系统中，大 大地改善了控制系统的性能，为控制系统走向复杂的多层的网络控制提供了可能。 纵观自动化技术的发展，可以看到，运动控制技术总的发展方向是高精度、高速度。 随着伺服产品逐渐成熟，控制的精度越来越高，产品可靠性越来越好。但目前产品的应 用和集成仍是运动控制技术的难点。另外，由于我国特殊的市场需求，一些其它的专用 运动控制系统也会越来越多。例如图像伺服控制的专用运动控制器，力伺服的专用运动 控制器等。根据用户的应用要求进行客制化的重构，设计出个性化的运动控制器将成为 市场应用的一大方向。 1 4 运动控制中的关键技术 随着各领域内科学技术的不断发展，使得运动控制技术不再是用电子装置对机械的 简单控制，而是包含了机械工程、电子工程、控制工程、计算机科学以及智能仪表技术 的相互交叉和融合的技术，如图2 4 所示。 1 1 第一章绪论 图2 4 运动控制技术的构成 由此可见，运动控制技术是在传统技术的基础上，与一些新兴技术相结合而发展起 来的，涉及到机械技术、电子技术、控制技术、计算机软硬件技术以及信息技术等。运 动控制中的关键技术可以归纳为6 个方面：伺服传动技术、精密机械技术、检测传感技 术、自动控制技术、计算机与信息处理及实际系统总体技术，从而形成了多学科技术领 域综合交叉的技术密集型系统工程。 1 伺服传动技术 伺服传动技术是直接执行操作的技术，伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装 置或部件，对系统的动态性能、控制质量和功能具有决定性的影响。常见的伺服驱动方 式有直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机等。由于变频技术的进步，交流伺服驱动 技术取得了突破性进展，为运动控制系统提供出高质量的伺服驱动装置，极大地推动了 运动控制技术的发展。 2 精密机械技术 机械技术是运动控制的基础。机械技术的着眼点在于如何与运动控制的技术相适 应。与一般的同类型机械相比，运动控制系统中机械部分的精度要求更高，要有更好的 可靠性及可维护性，同时要有更新颖的结构，要求零部件模块化、标准化、规格化等。 也就是说，在运动控制系统的产品中，对机械本体和机械技术本身都提出了新的要求， 这种要求的核心就是精密机械技术，要求继续结构减轻质量、缩小体积、提高刚性、提 高精度、改善性能、提高可靠性。 3 检测传感技术 传感与检测装置是系统的感受器官。它与信息系统的输入端相连，并将检测到的信 息输送到信息处理部分。检测传感是实现自动控制、自动调节的关键环节，它的功能越 强，系统的自动化程度就越高。另外，为提高产品的性能、扩展功能，通常需要对机械 进行实时控制、监视、安全检查等，以提高其自动化和智能化的程度，这些都要通过检 测传感手段来实现。因此，检测传感技术是运动控制系统安全运行于提高产品质量的有 力保证，检测传感的关键元件是传感器，它相当于入的感觉器官，是将被测量变换成系 统可识别的、与被测量有确定对应关系的有用电信号的一种装置。传感器将力、位移、 速度、加速度、温度等物理量转化为电量输入到系统，并作为相应的控制信号。检测精 度的高低将直接影响系统性能的好坏，现代工程技术要求传感器能快速、精确地获取信 息，并能经受各种严酷环境的考验。传感器应具有功能范围广，精度高，动态响应好， 第一章绪论 灵敏度高，分辨率高，抗干扰能力强和可靠性高等特点。与计算机技术相比，传感器的 发展显得缓慢，难以满足技术发展的需要。不少运动控制系统不能达到满意的效果或无 法实现设计要求，其关键原因在于没有选持好合适的传感器。因此，加强对传感器的研 究对于运动控制技术的发展具有十分重要的意义。 4 自动控制技术 自动控制技术范围很广，主要包括：基本控制理论，在此理论指导下，对具体被控 装置或控制系统进行分析、综合与控制器的设计；通过系统仿真来调节控制器参数，以 达到所要求的系统运行的性能指标。由于控制对象种类繁多，所以自动控制技术的内容 极其丰富，如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、模糊控制、自校正、最优控制、 示教再现等。随着技术的不断进步，自动控制技术越来越多地与计算机控制技术联系在 一起，成为运动控制中十分重要的关键技术。在运动控制技术中，自动控制技术主要解 决如何提高产品的控制精度、加工效率，提高设备的有效利用率等问题，其主要技术关 键在于现代控制理论在机电控制技术中的工程化与实用化，精确控制模型的建立以及具 有优化参数的控制的获得等。计算机动态仿真技术的发展，实现了在建立实际控制系统 之前就能通过对精确的系统模型的仿真控制，预见系统的功态性能，为正确选择控制系 统的优化参数提供了方便。 5 计算机与信息处理技术 信息处理技术包括信息的输入、交换、存取、运算、判断决策和输出等技术，它包 括计算机及外围设备、微处理机、运动控制板或可编程序控制器( p l c ) 、接口技术。因 此信息处理技术与计算机技术是密切相关的。计算机技术包括计算机的软件和硬件技 术，网络与通信技术，数据技术等。接口技术是系统总体技术中一个重要方面，它是实 现系统各部分有机连接的保证。接口包括电气接口、机械接口、人机接口。电气接口 实现系统问电信号连接；机械接口则完成机械与机械部分、机械与电气装置部分的连接： 人一机接口提供了人与系统间的交互界面。在运动控制中，计算机信息处理部分对整个 系统的正常运行起着关键的作用，信息处理部分相当于人的大脑，指挥整个系统的运行。 信息处理是否正确、及时，直接影响到系统工作的质量和效率，这就要提高信息处理速 度、运行的可靠性和抗干扰能力。因此，计算机应用及信息处理技术己成为促进运动控 制技术发展的最活跃的因素。 6 系统总体技术 运动控制技术不是几种技术的简中叠加，而是通过系统总体设计使它们形成一个有 机整体。系统总体技术就是以整体的概念组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目 标出发，将总体分解成相互有机联系的若干功能单元，找出能完成各个功能的技术方案， 再将各个功能与技术方案组合成方案组进行分析、评价、优选的综合应用技术。总体技 术包括机电一体化机械的优化设计、c a d c a m 技术、研究和解决各组成部件之间功能上 的协调，可靠性设计及价值工程等。显然，即使各部分技术都已掌握，其性能、可靠性 都很好，如果整个系统不能很好地协调，它也仍然不能正常、可靠地运行，可见系统总 体技术的重要性。深入了解系统内部结构和相互关系，把握系统与外部的联系，对于系 统设计和产品开发十分重要。 第一章绪论 上述运动控制中的关键技术，它们的综合使用产生了工业机器人、数控机床等典型 运动控制系统。运动控制技术是一种复合技术，它需要很多部门、产业的配合与支持， 才能取得满意的结果。因此，我们既要对运动控制系统的各项相关技术进行全面、深入 的了解，又要能从系统工程的概念入手，通过系统总体设计来使各个相关技术形成有机 的结合，并注意研究和解决技术融合过程中所产生的新问题。 1 。5 本文的主要研究内容 本文围绕着非标数字装备通用控制器的运动控制，在分析、建立非标数字装备通用 控制器的运动控制体系结构的基础上，从通用控制器的运动控制方案设计着手：建立非 标数字装备操作机运动学模型，并对基于嵌入式系统的插补技术进行了研究。 本文共分五章，各章内容简介如下： 第一章：介绍运动控制技术的研究意义，综述运动控制技术的现状和发展趋势及其 关键技术，并提出本论文的研究内容及结构框架。 第二章：比较现有的运动控制体系结构，并结合非标数字装备对通用控制器结构需 求的分析，提出了基于p c i 0 4 的分布式运动控制体系结构。 第三章：利用d h 法建立非标数字装备操作机运动学模型；利用动态链接库技术编 写了运动学正反解函数库。 第四章：分析了轨迹生成的关节空间法和直角坐标空间法；对加减速控制技术进行 了分析比较；提出了基于三次样条函数的通用插补器，并进行了仿真。 第五章：总结本文的研究工作，并对今后进一步的研究和开发提出自己的见解。 第二章菲标数字装备运动控制系统体系结构 第二章非标数字装备运动控制系统体系结构 本章从系统设计入手，对非标数字装备运动控制系统进行研究：分析非标数字装备 通用控制器的总体设计；结合现有运动控制系统体系结构，提出基于p c i 0 4 的非标数字 装备运动控制系统的结构模型，为进一步研究基于p c i 0 4 的非标数字装备运动控制系统 软、硬件设计提供一个总体框架。 2 1 非标数字装备通用控制器 非标数字装备主要由被控对象、数字传感器、电机一驱动系统、运动控制卡以及 p c i 0 4 等几部分组成。运动控制是以机械运动为主要生产方式，以电机为主要控制对象 的快速、高精度的控制。运动控制与常规自动控制的不同之处在于其目的是为了完成一 定的高精度的快速控制任务。为了达到上述目的，需要专门的或比常规控制系统性能要 求更高的元件与技术。在各种先进技术不断发展的今天，运动控制系统已经发展为控制 系统中的一个子系统。 由于非标数字装备结构和配置形式的多样化，很难有一种控制器能够适合所有非标 数字装备的要求，只能通过具有开放式结构的通用控制器平台，由非标数字装备开发者 自行配置硬件和软件来实现。因此，研究具有开放式结构的高性能通用控制器平台，必 将推动我国装备自动化水平的提高，同时带动相关产业的发展。 2 1 1 通用控制器硬件结构 通用控制器是根据指令以及传感信息控制非标数字装备完成一定的动作或作业任 务的装置，它是非标数字装备的心脏，决定了非标数字装备性能的优劣。通用控制器采用 分布式控制系统，以p c i 0 4 板作为上位机，多轴运动控制卡与p l c 作为下位机，利用 p c i 0 4 总线进行通讯，基于p c i 0 4 的控制器具有组合安装灵活的特点，易于实现硬件的 模块化搭建。1 5 】方便用户根据具体情况，对硬件进行模块化选择。通用控制器硬件结构 如图2 1 虚线中部分。 第二章非标数字装备运动控制系统体系结构 2 1 2 通用控制器软件模块 图2 - 1 控制器硬件结构 通用控制平台软件系统采用开放式控制结构模块化设计，通过应用程序接口可使第 三方软件嵌入控制系统的核心部件，使用户更具灵活性和主动性，易于开发出适合我国 国情的应用软件环境。通用控制平台软件模块如图2 2 所示。 图2 - 2 通用控制器软件模块 彩麓 手持式 l 触摸屏卜+ jp c i 0 4 扳；j + ： 编程器 彩g 船叠? 知磁懑 r 一 hh 8 | i 数据采集卡 。运动# 制卡i 。 ili p l c 。aaj 高高高。j r 么一 外部 外部 传 传传 设备 操作 感 感 感 控制 开关 器 器 器 z 匦圈囵匦塑囵匦塑囵 第二章非标数字装备运动控制系统体系结构 2 2 非标数字装备运动控制系统体系结构 现有运动控制系统，从计算机结构、控制方式来划分，可分为以下几种1 6 ，7 i ： 1 单c p u 结构、集中控制方式 用一台功能较强的计算机实现全部控制功能。在早期的机器人中，如h e r o i ， r o b o t - i 等，就采用这种结构，但控制过程中需要许多计算( 如坐标变换) ，因此这种控 制结构速度较慢。 2 二级c p u 结构、主从式控制方式 一级c p u 为主机，担当系统管理、机器入语言编译和人机接口功能，同时也利用它 的运算能力完成坐标变换、轨迹插补，并定时地把运算结果作为关节运动的增量送到公 用内存，供二级c p u 读取；二级c p u 完成全部关节位置数字控制。这类系统的两个c p u 总线之间基本没有联系，仅通过公用内存交换数据，是一个松耦合的关系。对采用更多 的c p u 进一步分散功能是很困难的。日本于7 0 年代生产的m o t o m a n 机器人( 5 关节，直 流电机驱动) 的计算机系统就属于这种主从式结构。 3 多c p u 结构、分布式控制方式 目前，普遍采用这种上、下位机二级分布式结构，上位机负责整个系统管理以及运 动学计算、轨迹规划等。下位机由多c p u 组成，每个c p u 控制一个或几个关节运动，这 些c p u 和主控机联系是通过总线形式的紧耦合。这种结构的控制器工作速度和控制性能 明显提高。多c p u 系统针对具体问题而采用功能分布式结构，即每个处理器承担固定任 务。目前世界上大多数商品化机器人控制器都是这种结构。 单c p u 结构、集中控制方式虽然结构简单，但难以满足大量实时计算和高速进给脉 冲分配等工作，不能保证实时性；二级c p u 结构、主从式控制方式虽然比集中控制单c p u 结构的性能有所提高提高，但难以保证高速运动中所需的精度指标；分布式多c p u 结构 有很好的软硬件扩展性，能够满足高速高精度的要求。由此可见，非标数字装备运动控 制系统宜采用分布式多c p u 结构。 非标数字装备运动控制系统采用p c i 0 4 总线进行通讯，分为管理规划级、协调级和 现场级等三级，如图2 3 所示。p c i 0 4 板具备人机界面、编程接口、轨迹规划、运动分 析、运动综合以及软件粗插补等功能，以w i n d o w sc e 为操作系统，使其功能任务在实 时环境下运行。运动控制卡以d s p + f p g a 为核心，接收上位机传来的命令或数据进行相 应的处理，如i 0 控制、精插补、位置控制等。驱动域一般为功率放大器和伺服电机。 第二章非标数字装备运动控制系统体系结构 直线运动笛卡尔 圆周运动坐标位置 上 。- r 轨迹规划p c i 0 4 板 工 用户域) 运动学逆解运动学正解 j l 上 。l 一 软件插补器 r li 云 t 动 硬件插补器 控 i 制 专 ，系 ，： 堆 i 运动控制卡 。 l 】：亡可t m l 、l ，j 暑禺， p i d 调节 j d a 转换 l 上 伺服电动机 编码器 嗣豫丑r 孙星璺 i ，i 运动轴l t 宇篓葶- 嚣掌 2 3 本章小结 图2 3 非标数字装备运动控制系统结构 本章分析了非标数字装备通用控制器的总体结构设计，比较现有的运动控制系统， 提出了基于p c i 0 4 的分布式运动控制系统体系结构，为进一步开发运动控制系统软硬件 提供了一个总体框架。 第三章非标数字装备操作机运动学分析 第三章非标数字装备操作机运动学分析 本章对非标数字装备操作机运动学进行了研究，以d e n a v i t h a r t e n b e r g 法建立了非 标数字装备操作机参数化运动学模型。以p a u l 等人提出的代数法求解操作机运动学反 解，并将运动正反解编写成动态链接库函数，用户对模型的选择与输入的d _ h 参数作为 参数传递给函数，使运动学模型与特定的操作机分离，实现了运动学模型的通用化，提 高了编程效率。【8 j 3 1 操作机运动学分析概述p q 2 1 操作机是由若干连杆通过转动或移动关节串联而成，可看成一个开式运动链。开链 的一端固定在基座上，另一端为末端执行器，用以操作物体，完成各种作业。操作机运 动学研究的是各连杆之间运动的几何关系。操作机运动学主要研究两类问题：正向运 动学，即根据各关节变量的值和连杆的几何参数计算末端执行器相对工作站的位姿； 反向运动学，即根据末端执行器的位姿计算相应的关节变量。 为了研究操作机各连杆之间的几何关系，可在每个连杆上固结一个坐标系，然后描 述这些坐标系之间的关系。d e n a v i t 和h a r t e n b e r g p 卅提出了一种通用的方法，用一4 4 的齐次变换矩阵描述相邻两连杆的空间关系，从而推导出“手爪坐标系相对于“参 考系的等价齐次变换矩阵，建立操作机的运动学方程。 3 1 1 连杆参数 1 连杆参数 如图3 - 1 所示，与操作机运动学有关的几何量只有两个： ( 1 ) 连杆的长度仉两关节转轴之间的最短距离，即两轴线之间公共垂线之长 度。当两轴线相交于一点是，以= o ：当两轴线平行时，有无穷多相等的公共垂线长度； 两轴线交错时，只有唯一的公共垂线。所以这样定义连杆长度是唯一的。但是机座及末 端连杆，由于它们只有一个关节，特别的规定它们的长度为0 ，即- - a 。= o 。对于一端 为旋转关节另一端为移动关节的连杆，其长度也规定为零。 ( 2 ) 连杆的扭角倔将同一连杆的任一轴线向另一轴线移动，使之相交，则此 二直线决定一个与连杆q 垂直的平面，此二直线的平面交角就是该连杆的扭角呸。显然 机座杆件和末端杆件的扭角为o 。 色及的下标f = o ，1 ，2 ，刀，是连杆的编号。编号顺序如下：机座f = o ，与机 座相连的连杆i = 1 ，与第1 号连杆相连接的连杆i = 2 ，。比f 号连杆编号小或大的称 第三章非标数字装备操作机运动学分析 f 号连杆的上或下编号连杆。 除机座及末端连杆外，其余每个连杆均有两个关节，f 号连杆与f 1 号连杆相连接的 关节称为f 号连杆的下关节，另一关节称为f 号连杆的上关节。下关节编号为f ，上关节 编号为1 。 i 关节i关节i + p t i 关节i 、 t ， 关节i + lj ， ， d ij q 肾 图3 1 连杆的长度及扭角图3 - 2 关节变量及偏置量 2 关节变量及偏置量 关节变量是指两相邻连杆相对位置的变化量，一般用广义坐标呸表示。当两连杆以 旋转关节相连时，呸为转角谚，当两连杆以移动关节相连时，吼是两者沿关节轴线的相 对线位移d ；。 如图3 2 所示，连杆i 与连杆i - 1 在关节i 处相连。若关节i 是旋转关节，则关节变 量为包。由于连杆i 及连杆i - 1 的杆长a ；及a 一般是不相交的，故两者沿i 号关节轴线 存在一距离，称为连杆的偏置量。若关节i 是移动关节，则关节变量就是d i 。d ；和包都 带正负号。d i 表示a 与轴线i 的交点到a ，与轴线i 的交点间的距离，沿轴线i 测量；岛 表示嘎以与a ；之间的夹角，绕轴线i 由a “到色测量。 d ，和鼠的确定方法如下： ( 1 ) 若关节1 是转动关节，则q 是可变的，称为关节变量，规定倪= o 为连杆1 的 零位。习惯约定d ，= o ； ( 2 ) 若关节1 是移动关节，则d 是可变的，称为关节变量，规定d l = 0 为连杆1 的 零位。习惯约定鼠= 0 。 上面的约定方法对于d 。和见同样适用。 3 1 2 连杆坐标系 为了确定各连杆之间的相对运动和位姿关系，在每一连杆的上关节固结一个坐标 系。与基座( 连杆0 ) 固结的坐标系称基坐标系，与连杆1 固结的坐标系称坐标系 1 ) ， 与连杆i 固结的坐标系称为坐标系 i ) 。 第三章非标数字装备操作机运动学分析 1 用连杆坐标系规定连杆参数 利用连杆坐标系，则连杆参数可以明确地定义为： a i 为从五一，至l z ；沿置测量的距离； q 为从互一，到z ；绕x ；旋转的角度： d i 为从鼍一到鼍沿z 测量的距离； 辞为从x 到鼍绕z f ，旋转的角度。 2 连杆坐标系建立的步骤 对于给定的操作机，它的各个连籽坐标系建立的步骤如下： ( 1 ) 找出并画出各个关节