嵌入式三维高速雕刻机速度控制算法的研究.pdf

主题 数控系统软硬件技术 T o p ics S o f t wa r e a n d H a r d wa r e T e ch n o l o g y o f C N C S y s t e m 嵌入式三维高速雕刻机速度控制算法的研究 庞牧野 李 辉 李松松 李有端 电子科技大学空天科学技术研究院 四川 成都 6 1 0 0 5 4 成都大华盛意科技发展有限公司 四川 成都 6 1 0 0 5 4 摘要 采用改进的圆弧转接法减小转接点处的连接角度从而提高转接点处的雕刻速度 使整体的加工速度 得到提高 为防止转接点处速度过快而导致短轴 电动机过冲 以电动机矩频特性为依据并通过多段 预读方式 判断电动机速度跳变转接点 经指数减速方式降低转接点处的过高速度 使电动机加工此 转接点时运行平稳 经实际加工证明 在保证插补运算时间要求的情况下 实现 了轨迹的连续平稳 加工 较之传统的速度控制方式效率平均提高 1 2 关键词 连续加工微小线段速度控制 中图分类号 T H1 2 3 文献标识码 A St u d y o n t h e s p e e d co n t r o l me t h o d f o r t h r e e d i me n s i o n a l h i g h s p e e d e n g r a v in g ma ch in e b a s e d o n e mb e d d e d s y s t e m P A N G Mu y e 善 L I H u i L I S o n g s o n g L I Y o u d u a n I n s t it u t e o f A s t r o n a u t ics a n d A e r o n a u t ics U n iv e r s it y o f E l e ct r o n i c S cie n ce a nd Te ch n o l o g y o f Ch in a Ch e n g d u 61 0 0 5 4 CHN C h e n g d u D a h u a S h e n g y i S cie n ce T e ch n o l o g y D e v e l o p m e n t C o L t d C h e n g d u 6 1 0 0 5 4 C HN A b s t r a ct A n im p r o v e d a r c in s e r t in g me t h o d i s u s e d t o i n cr e a s e t h e t u r n in g v e l o ci t y b y r e d u ce d j u n ct io n a n g l e S O t h a t t h e wh o l e ca v in g v e l o cit y g e t in cr e a s e d T c p r e v e n t t h e v e l o cit y o f s h o r t a x is mo t o r o v e r s h o o t in g a c co r d in g t o t h e n a t ur a l ch a r a ct e r is t ic o f s t e p mo t 0 r a l o o k a h e a d f e e d r a t e p l a n n in g me t h o d is u s e d t o r e s t r ict t he f r e qu e n cy h o pp i n g r a t e b y in d e x d e ce l e r a t i n g t o g e t t h e s h o r t a x i s mo t o r s mo o t h r u n n in g T h e r e s u l t s i nd i ca t e t ha t t h e p r o p o s e d me t h o d ca n a ch ie v e t he p u r p o s e o f in cr e a s i n g t h e ca v in g v e l o cit y wh i l e e n s u r in g t h e t ime de ma n d o f i n t e rpo l a t io n a l g o r i t h m Co mp a r e d t o t he t r a di t io n a l s p e e d co n t r o l me t h o d t h is me t h o d i ncr e a s e s t h e ca v in g e ffi ci e n cy b y 2 Ke y wo r ds Co n t i n u o u s Ma ch i n in g Micr o l in e S e g me n t Mo t i o n Co nt r o l 随着社会经济 文化的进步 人们对美的追求也不 断提高 在此背景下 数控雕刻机的应用越来越广泛 雕刻的图形也 日趋复杂 目前市场上主流的数控雕刻 机的加工文件通常由 C A M工具 软件通过直线拟合生 成 图形越复杂微小线段越多 如按照传统 的速度控 制方法 势必造成电动机频繁地加 减速 影响加工效 率 如一味追求速度 的提升而忽略微小线段处的转接 关系 则又会导致电动机运转不平稳甚至无法正常运 转 近年来国内对速度控制算法的改进做了诸多研究 和尝试 如 吕强等人提 出的圆弧连接法 J 将转接点 处通过圆弧拟合方式减小转接处 的过渡角 从而提高 转接处的速度 盖荣丽等根据微小线段间直线 的拐角 角度 各轴的最大加速度等 因素动态 自整定拐角处的 ZU I I O 连接速度 徐志明等人提出的高速 自适应前瞻插补 算法 可根据 当前加工路径处 的实际情况 自适应地 决定前瞻的路径段数 并 以此为依据决定起点 和终点 进给速度 王广炎等人对发送 脉冲做 均匀化 处理 以保证电动机的平稳运行 实际的数控雕刻系统会因 机械结构 执行电动机以及控制平 台的差异而对控制 算法有不同的要求 本文在前人研究成果 的基础上 根据 自身平 台的特性 结合前人对速度控制的研究 提 出了一种高速平稳复合式速度控制算法 提高 了拐点 处的过渡速度以及 电动机的平稳性 1 速度控 制准则 的建立 以前的速度控制算法虽然简单易行 但 由于缺少 对执行电动机的特性以及插补算法长短轴的牵连性考 主题 数控系统软硬件技术 虑 造成实际雕刻时对短轴带来 冲击 甚至在某些特殊 数据处会产生短轴丢步的情况 新的速度控制算法综 合考虑这两点因素 提出了一套速度控制准则 以约束 加工行 进速度 1 1 非连接 点处速 度控 制准则 由于加 的文件数据为 C A M工具软件采用粗插 补直线拟合而成 所 以在非连接点处 电动机可依据插 补关系 以直线加减速运动方式带动主轴运动 J 目 前国内步进 电动机加减速控制方法主要包括 以下几 种 直线型加减速速度曲线 指数型加减速速度曲线和 s型加减速速度曲线 考虑到实际情况的要求 以及各 控制算法的优劣 采用了指数型加减速控制方法 此 方法符合电动机的固有规律 加减速过程快速且平稳 较 S型控制方法在实现上相对简单易行 满足嵌入式 雕刻系统对电动机控制在时间上的要求 考虑到执行 电动机为步进式且大部分算法在基于 A R M9内核 的 处理器上运算 采用运算较为简单的数字积分插补法 D D A插补法 进行插补 此插补方法基于线条 的几 何关系 采用步进式的脉冲发送方式 符合步进电动机 的控制要求 1 2连接点 处速度控 制准 则 根据步进电动机的机械特性 存在极限启动频率 停止时的惯性作用 以及运行 时的频率突变上 限等 需要考虑的因素 如果启动频率超过 或者在运行过 程中脉冲的频率变化超过 了突变上限 8 j 步进 电动 机要发生失步现象 如果运行至终点时突然停止 则由 于陨性作用 会发生过冲现象 由于步进电动机的误 差会随着运行的增加而累加 因此要在速度控制 中避 免上述情况的发生 依据 D D A插补方式 以双轴或者 多轴中的长轴作为插补基准轴 短轴则跟随长轴的变 化而变化 如在实际运行 中只考虑长轴的速度变化 忽 略了短轴的速度突变情况 则会大大降低雕刻 的精度 甚至无法完成雕刻 以图 1为例 已知最大编程进给 速度为 脉冲当量为 艿 则此时单轴最高频率为 v 8 1 设短轴与长轴 比例为 0 0 0 1 假设此时长 轴处于最高频率状态且匀速运行 根据 D D A插补关 系 此时短轴频率 近似等于f m 0 l O 下一条微小线 段短轴与长轴比例为 0 0 1 1 负号表示此时短 轴反向 根据 D D A插补此时短轴的理论频率 近似 等于 0 则对于短轴来说频率变化率近似可 以看 作 f ro l 0 一0 I 2 若此 超过了极限跳变频率 较为轻微的超调会 48 使电动机产生撞击声音 严重 时则 导致 电动机丢步 而如果太过谨慎 则在微小线段繁多的阶段 由于短轴 的频繁变化而导致 电动机频繁启停 因此速度控制的 基本准则为 在保证各轴电动机不发生频率跳变超过 极限频率变化率的前提下 尽可能地保持高速运转 对 频率跳变过大的线段进行减速处理 以达到 电动机平 稳运转的目的 图1 短轴速度突变 短轴方向相反 2 高速平稳速度控制算法 通过速度控制准则 对加工数据进行线段划分 在 必要的地方制约长轴的速度或通过圆弧拟合方式将短 轴的速度变化分散到各个拟合线段 中 达到快速平滑 过 渡的 目的 图2 线段预读处理流程图 1等 一 u 1 年 帚 b 期 2 1 减 速点 预判方式 采用多段预读方式 以速度控制准则为基准 在线 段划分即算法的预处理阶段判断各轴 的速 度变化情 况 对各拐点处的速度进行分析限制 在频率产生较大 突变的地方实施适 当处理 以达到平稳连续加工的 目 的 如图2所示 每读入一行数据都对各轴 的频率变 化情况进行预算及判定 若短轴频率的变化 A U大于极 限频率变化率 则通过设置特殊标志位的方式通知主 程序在此线段 处进行适 当线段重拟合处理或减速处 理 以确保下条线段频率 突变程度 厂 降低至极 限以 下 此多段预读方式对系统的存储能力及计算能力有 一 定 要 求 本 系 统 采 用 基 于 A R M 9 2 0 T 内 核 的 s 3 c2 4 4 0处理器 核心频率 4 0 0 M Hz 采用 5级流水线 提供 4 4 0 MI P S 每秒 百万条指令 运算 能力 搭 配 6 4 MB R A M 设定 2 MB的预存堆栈 采用多线程处理方 式 在实际加工中不存在任何加工停滞感 2 2 速度 处理方 式 一 般的速度处理方式是通过细微 的调整轨迹或是 通过某些数学手段 计算出可行的电动机运行速度 借鉴前人的手段并考虑到具体系统执行 电动机 的特 性 分两种情况进行讨论 1 两条微小线段矢量夹角 0 2 0 9 0 且短 轴同向 图3 图3 短轴反向相同 如式 2 所示 此处 短轴 的变化频率超 出了极限 跳变频率 采用改进 的圆弧转接法 以多步拟合过渡 在保证一定转接速度的情况下将短轴的频率变化分散 到拟合线段中 较之原 圆弧转接法 在改进 的圆弧法 中 考虑执行电动机为步进式的前提下 忽略原速度限 制中的加速度限制条件 适当提高了转接点处 的加工 速度 设 E 表示轨迹间转接处总允许误差 E 表示插入 圆弧的半径允许误差 0 0 2 B C分别为两线段 与 拟合圆弧的切点 A BI l A CI d 圆弧半径 R 则根据 LU等 l 0 主题 数控系统软硬件技术 l o p i cs S o f t wa r e a n d H a r d wa r e l e ch n o lo g y o f c 祀 S y s t e m 几何关系可得 d co s O d t a n 0 E 3 考虑数控雕刻机对误 差的要求不太高的情况下 取等号条件即可 得 r 2 4 从而得圆弧半径 R d t a n 0 5 考虑各速度限制条件 为保证转接处速度频率变 化分散到多个插补周期 内 可得 1 T 2 R co s 0 6 当插入圆弧半径较小时 考虑到圆弧半径误差 限 制 可得 2 2 R T 1一 1一E R 7 另外需考虑到设定加工速度的限制要求 可得 3 V 8 取 m in V V V 再由f v 6可得转接圆弧起 点 B处 的转接频率 即需要减速降至的频率 2 短轴方向异向 图 1 理论上来说为保证短轴 电动机不发生较 大的冲 击 短轴应该在运行至 B处时停止 再由 曰到 C进行 新一轮插补 但实际上步进电动机本身存在起跳频率 即短轴电动机可以从 值直接启动或停止 不必降 低为 0 设两条线段各 自夹角分别 为 0 0 则根据 D D A插补关系 从 点运行至 B点处时为保证短轴频 率为 则此处长轴频率 1 t a n 0 J 9 又从 B点处运行时 为保证短轴起跳频率为 则 此处长轴频率 f q t a n O 2 1 0 取 m i n A 即为此拐点 处长轴需要降低 到 的频率 3 实验验证 在某数控雕刻系统 中 采用新速度控制算法加工 如图 4所示轨迹 加工参数设定 加速度 a 5 0 0 ram S 最大进给速度 3 0 0 0 ra m rai n 电动机起 跳频率 图4 雕刻 曲线轨迹 举例 1 0 0 0 H z 轨迹间转接处总允许误差 E 2 m 插 入圆弧的半径允许误差 E 0 9 m 插补周期 1 I l l S 轨迹数据 相对坐标 见表 1 表 1 序号 X mm m m l 8 O 2 8 3 6 3 6 6 4 7 2 2 5 7 2 2 6 2 8 6 7 6 8 一1 2 8 6 8 1 2 9 2 2 1 0 2 4 0 8 1 1 4 4 8 通过原系统 中的速度控制算法与新速度控制算法 在各拐点处的速度进行对比 可看出在不同拐点处的 转接速度有了大幅度的提升 具体对 比如表 2 表 2 序号 原速度频率 H z 新速度频 Hz 1 1 o o O O 7 4 2 4 4 3 2 1 0 0 o o 8 6 8 7 0 7 3 1 0 0 O O 6 0 6 0 5 6 4 2 4 0 8 6 2 1 o o 0 0 0 5 1 o 0 0 0 3 4 6 7 7 8 6 1 0 0 0 0 4 1 81 3 1 7 2 3 4 7 1 1 o o 0 O 8 0 o o o 8 2 6 3 4 5 9 1 o o O 0 2 5 8 8 2 8 1 O 1 4 0 5 9 5 5 61 8 7 3 l 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 两轴 电动机实际运行 的速度变化 Ma t l a b仿真如 图5 图6 其中虚线部分代表短轴速度变化 原速度控制算法只是简单地将各微小线段按照矢 量夹角进行分组 当夹角小于 2 0 时 则划分为同一分 组 在此分组内按照单轴调速模式 对长轴进行升速 匀速 减速 的简单速度控制 而短轴则 由 D D A插补关 系跟随运动 此方法虽然在某些地方 如 1 2 3 5 6 8 9拐点处 可控制长轴对短轴带来的频率变化冲击 但也造成了电动机的频繁启停 大幅降低了加工效率 而且在 4 7拐点处 由于矢量夹角未大于 2 0 此处长 轴不做任何减速处理 而相对短轴则 由于随动的影响 产生了较大的频率变化冲击 短轴电动机有明显 的撞 击声 新的速度控制算法通过圆弧过渡法和对起跳频 率的把握 大幅提高了拐点处的连接速度及连接平滑 度 可看到在拐点 1 2 3 5 6等处 的电动机频率较原 来的低起跳频率 1 0 0 H z 有 了明显提升 通过新 的算 法 加工一个 4 7 0 0 0余行数据的文件的实际运行时间 由原先的 3 5 m in减少到 2 2 rain 效率提升 3 7 1 4 图5 原速度控制算法两轴速度变化曲线 4结语 图6 新速度控制算法两轴速度变化曲线 本文通过对步进 电动机频率变化 的分析 提 出一 种速度控制准则 依据该准则 采用多段预读的方式对 加工数据进行预处理 通过圆弧转接法和起跳频率控 制法 有效提高了拐点处的转接速度 减小了短轴的频 率跳变程度 目前该方法已应用于成都某数控雕刻机 控制系统中 参考文献 1 吕强 张辉 杨开明 等 数控连续 加工中提高轨迹 段转 接速度的方 法研 究 J 1 制造技术与机床 2 0 0 8 7 7 9 8 3 uI I耳 弗0删 主题 数控系统软硬件技术 T o p ics S o f t w a r e a n d H a r d wa r e T e ch n o l o g y o f C N C S y s t e m 基于 X e n o ma i的嵌入式数控系统实B J I生研究 曹玉华 游有鹏 南京航 空航天大学机电学院 江苏 南京 2 1 0 0 1 6 摘要 针对现有 L in u x系统实时性不足的特点 分析了实时性改造原理 采用了 L i n u x X e n o ma i构架的实 时性改造方案 并根据 系统任务实时性强弱规划了系统软件模块 最后 完成 了对系统实时性能的实 际测量 结果表明 此构架完全可以满足嵌入式数控系统的实时性要求 关键词 数控技术嵌入式 L in u x X e n o ma i 实时性 中图分类号 T P 3 1 9 文献标识码 A R e s e a r c h o n r e a l t ime o f e mb e d d e d CNC s y s t e m b a s e d o n Xe n o ma CAO Yu h u a YOU Yo u p e n g C o l l e g e o f M e ch a n ica l a n d E l e ct r ica l E n g in e e r i n g N U A A N a n j in g 2 1 0 0 1 6 C HN Ab s t r a ct Owin g t o l a ck o f r e a l t ime i n t h e p r e s e n t Li n ux s y s t e m t h is p a p e r a n a l y z e d t h e p r in ci p l e o f r e a l t ime t r a ns f o r ma t i o n a n d a d o p t e d t h e r e co ns t r u ct io n s ch e me ba s e d o n t h e s t r u ct u r e Li n u x Xe n o ma i Th e p a p e r a l s o p r o j e ct e d t h e s y s t e m s o ft w a r e m o d u l e s a cco r d in g t o t h e r e a l t im e s t r e n g l h o f t h e t a s k s F i n a l l y t h is p a p e r co mp l e t e d t h e a ct u a l me a s u r e me n t o f t h e r e a l t ime p e rfo r ma n ce in t h e s y s t e m Th e r e s ul t s s h o w t ha t t hi s a r chi t e ct u r e ca b f u l l y me e t t h e r e a l t i me r e q u ir e me n t s o f t h e e mb e d d e d C NC s y s t e m Ke y wor ds CNC Emb e d d e d Lin u x Xe n o ma i Re a l t i me 新一代数控系统的模块化 集成化 小型化要求 使得嵌入式数控 系统成为一个重要的发展和研究方 向 所谓的嵌入式系统是 以应用为 中心 软硬件可裁 减的 适用于对功能 可靠性 成本 体积 功耗等综合 性能严格要求的计算机系统 而嵌人式数控 系统则兼 备 了嵌入式技术和数控技术的优势 一种典型的嵌人 式数控系统是以 嵌入式处理器 运动控制器 的结构 形式 嵌入式处理器完成对整个系统总体控制 是数 控系统软件运行 的平 台 运动摔制器完成对机床的直 接控制 并接收机床的反馈信息 随着数控系统功能的 H益强大以及高性能嵌入式 处理器 的不断推出 对系统所需 的任务管理平台和底 层驱动平台的要求逐渐提高 这就使得将操作系统引 入到嵌入式系统中成为必然的趋势 利用操作系统不 2 盖荣丽 林浒 微小 直线段 的动态 自整定插 补算法 J 信 息与 控 制 2 0 0 9 8 5 0 1 5 0 4 3 徐志明 冯 进 汪永生 等 连续微小路径 段的高速 F i适 应前睽捅 补算法 J 制造技术与机床 2 0 0 3 1 2 2 0 2 3 4 施群 于小椿 步进俐服 系统高效插补控 制算法研究 J 电气传动 2 0 0 5 3 5 3 3 0 3 5 5 何 波 罗磊 胡俊 等 高速数控 J IJ l i e 轨迹 拐角的速度平滑 力 法 J 上海交通大学学报 2 0 0 8 4 2 1 8 3 8 6 6 叶佩青 赵慎 良 微小线段的连续 插补控制算 法研究 J 巾同机 械 工程 2 0 0 4 1 5 1 5 1 3