CN101436058A - 并联/混联机床传感器输入故障的容错纠错方法及其控制装置 - Google Patents

Abstract

该发明属于并联/混联机床传感器输入故障的容错、自动纠错方法及其控制装置。其方法包括：加工运行及检测参数输入，故障判定及故障传感器的容错和自动纠错；其控制装置包括PC机，闪储器及随机存取存储器，FPGA逻辑运动控制器，数模转换器，伺服驱动器，用于获取反馈信息的传感器。本发明具有在传感器运行过程中发生突发性故障时可进行在线自维修，实现容错并自动纠错，确保系统正常运行，从而有效提高了并联/混联数控机床运行的效率及安全性和可靠性，避免因传感器出现突发性故障而造成质量或安全性事故等特点。克服了背景技术存在的传感器一旦发生故障，轻则造成位置、速度控制的精度降低，重则发生安全事故等弊病。

Description

并联/混联机床传感器输入故障的容错纠错方法及其控制装置

技术领域

本发明属于机械制造技术领域中的机械加工用数控机床，特别是一种针对并联机床及混联机床传感器输入故障的容错和自动纠错方法，以及为实现其容错和纠错方法所用控制装置。

背景技术

在申请号为200810046309的专利文献中，公开了一种《机械系统可重构的混联机床及重构和容错纠错方法》，该混联机床在中心腿及各周边腿上均采用两套完全相同的传动系统，其中一套作为冗余传动系统；当运行中的驱动装置一旦出现突发性故障时，冗余传动系统自动替换故障传动系统、以确保系统连续、稳定运行，从而克服了单传动系统存在的缺陷；同时，在中心腿与动平台之间增设一锁定装置、并将原中心腿及各周边腿内采用的丝杆螺母传动机构改设为齿轮齿条传动机构，当并联闭链机构中无论哪条腿中的传动系统都出现突发性故障时，以便将其转变成从动腿，从而可实现并联闭链机构的重构。该发明虽然在并联闭链机构的机械系统出现突发性故障时可进行在线自动维修，避免机床运行中因突发性故障而造成质量或安全性事故等优点，但却不能克服并联/混联机床在并联闭链机构运行中当传感器发生故障时存在的问题。要实现对位置、速度的精确控制，就必须通过高精度的传感器对这些物理量进行检测，将检测结果转换成数字量，反馈给控制器，通过控制器对这些数据进行处理，处理的结果作为控制量对伺服电机进行控制，从而实现闭环控制。所以检测用传感器加上反馈环节是伺服电机闭环控制系统的重要组成部分。现有并联机床/混联机床的位置、速度控制采用PID(比例积分微分)控制，它根据位置、速度传感器的检测信息形成对位置、速度形成的闭环控制。由于PID控制器本身不具备容错、数椐重构等功能，在此控制闭环中，如果传感器一旦发生故障，将导致传感器无输出或输出结果不正确，轻则造成位置、速度控制的精度降低，重则造成并联机床及混联机床的失控，导致严重的安全事故；因此，现有的并联扩混联机床在运行过程中仍存在缺乏对传感器故障的容错及自动纠错能力等缺陷。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术存在的缺陷，研究设计一种并联/混联机床传感器输入故障的容错纠错方法及其控制装置，以便在传感器出现突发性故障时，通过系统内的切换和重构实现容错及自动纠错、进行在线自维修，确保其正常运行，从而达到有效提高并联及混联机床运行的安全性和可靠性，避免因突发性故障造成重大损失等目的。

本发明的解决方案是针对三自由度1PT+3TPS型并联/混联机床的周边三条腿为驱动腿，中心腿为从动腿，各驱动腿及从动腿上均安装有传感器，在工作过程中，将由任意两条周边腿与中心腿的传感器测量值及三条周边腿传感器的测量值组成4组(4选3组合)检测数据，作为反馈信号输入控制器，用于对机床并联闭链机构的运行状态进行监、控；若反馈信号中有3组数据同时出现异常(即由各组传感器实测值所获取的刀具轨迹值与设定的刀具运行轨迹值之间的偏差超出设定范围)，表示有一传感器出现故障，则可利用空间闭链机构约束，由其余三条腿上传感器的检测值间接计算出故障传感器的应测值，并采用现场可编程门阵列(FPGA)运动控制器中的数据重构单元重新计算得到该故障传感器的应测值，将该计算值替代故障传感器输出的错误值，而将故障传感器的原检测(异常)值舍弃，从而实现对传感器故障的容错和自动纠错。因此，本发明方法包括：

A.控制和监测参数信号输入：根据待加工工件的形状要求，通过PC机将加工运行参数存入闪储器(FLASH)内，该参数同时经控制器中的插补运算单元处理后将结果送入PID控制单元用于对伺服电机进行控制；将三条周边腿传感器及中心腿传感器的在线检测值按4选3的组合方式组成4组反馈参数输入控制器中的计数单元，并将结果一路经缓冲器输入PID控制单元对伺服电机进行PID控制，另一路在中心控制单元的控制下作为检测值输入随机存取存储器(RAM)；以对并联闭链机构的运行状况进行在线控制和监测；

B.故障判定：当由A步骤所得4组反馈参数与输入闪储器中对应的运行参数通过检测与隔离单元进行比较，若有3组参数出现异常时，表示系统中某一传感器发生故障；同时根据当其中某一传感器的检测值均出现在三组反馈参数中，则判定该传感器为故障传感器；

C.故障传感器的容错纠错：当由B步骤确定出故障传感器后，通过另一组所属三个传感器的检测值通过控制器中的数据重构单元，计算出故障传感器的应测值，并在检测与隔离单元的控制下通过缓冲器将故障检测值舍弃，以该应测值替换、用于对故障传感器所对应的伺服电机进行控制，从而实现对故障传感器的容错和纠错。

所述故障传感器包括传感器本身故障或其电路传输故障、或传感器探头因物理障碍所致异常输出。

实现传感器输入故障的容错纠错方法所用的控制装置，包括用于通讯的PC机，控制器，数模转换器，伺服驱动器，用于获取反馈信息的传感器，关键在于其控制装置还包括闪储器(FLASH)，随机存取存储器(RAM)，而所采用的控制器为现场可编程门阵列(FPGA)逻辑控制器；PC机与该逻辑控制器内的通讯单元连接，闪存器及随机存取存储器分别与逻辑控制器的中心的控制单元连接，逻辑控制器内的PID控制单元的输出端与数模转换器连接、并通过伺服驱动器与伺服电机连接，而传感器则分别与各伺服电机的输出端及逻辑控制器内的计数单元的输入端连接。

上述现场可编程门阵列逻辑控制器内包括中心控制单元，用于通讯的通讯单元，用于插补计算的插补运算单元，用作PID控制的PID控制单元，用于处理反馈信号的计数单元，用于将反馈参数与输入闪储器中对应的运行参数进行比较的故障检测与隔离单元、以及将该故障检测值进行隔离的处理的缓冲单元，用于计算故障传感器应测值的数据重构单元。而所述传感器为位移传感器或速度传感器、或加速度传感器。

本发明由于采用现场可编程门阵列逻辑(FPGA)控制器作为对三自由度1PT+3TPS型并联/混联机床的的运动控制器，利用其具有的并行计算能力和可动态重构的特点，通过将FPGA内部逻辑资源的重新配置，对并联及混联机床运行进行动态监控；当机床传感器出现故障时，则利用其余正常工作传感器的测量值自动计算出故障传感器的应测值并进行在线数椐重构，以确保系统正常运行，避免因传感器发生故障带来的严重后果。因而，本发明具有在传感器运行过程中发生突发性故障时，可进行在线自维修，对传感器故障容错并自动纠错、确保系统正常运行，从而有效提高了并联/混联数控机床运行的效率及安全性和可靠性，避免机床运行中因传感器出现突发性故障而造成质量或安全性事故等特点。克服了背景技术存在的如果传感器一旦发生故障，将导致传感器无输出或输出结果不正确，轻则造成位置、速度控制的精度降低，重则造成并联机床及混联机床的失控而导致严重的安全事故等弊病。

附图说明

图1.为本发明控制装置结构示意图(方框图)；

图中：1.PC机，2.现场可编程门阵列(FPGA)逻辑控制器，3.闪储器(FLASH)，4.随机存取存储器(RAM)，5.数模转换器，6.伺服驱动器，7.传感器，8.并联/混联机床，8-1.伺服电机。

图2.为本发明具体实施方式并联闭链机构空间座标示意图；

图中：A₁、A₂、A₃、O₁：虎克铰，B₁、B₂、B₃：球铰，I₁、I₂、I₃：周边腿移动副，I₄.中心腿移动副；α为动平台绕X₁轴的旋转角度，β为动平台绕Y₁轴的旋转角度。

具体实施方式

本实施方式的控制装置中：控制器2采用型号为SPARTAN-3的现场可编程门阵列(FPGA)逻辑器件并通过内部逻辑资源的重新配置，组成包含中心控制单元、通讯单元、插补运算单元、PID控制单元、数据重构单元、故障检测与隔离单元、计数单元、缓冲单元在内的控制器；闪储器(FLASH)3型号为Am29LV160D，随机存取存储器(RAM)4采用型号为HY57V641620HG的同步动态随机存取存储器，数模转换器5型号为AD7564，伺服电机8-1型号为MSMA042A1G，与之配套的伺服驱动器6型号为MSDA043A1A，传感器7采用型号为CN65M121759的光电编码器。

本实施方式对传感器故障的容错和自动纠错方法，以在混联机床仿真运行为例：机床中各周边腿和中心腿上的传感器均为位移传感器，其余参数如下：各周边腿在固定平台及动平台上的铰支座距对应平台中心的距离(半径)分别为R＝300mm，r＝150mm，棱锥高为h＝70mm，刀具长为L＝30mm，机床固定平台到工作台的距离为H＝800mm，；加工半径为100mm的平面圆弧，加工起点为(200，0，86.6025)，加工终点为(-200，0，86.6025)，附图2为本实施方式并联闭链机构空间座标示意图；其方法如下：

A.首先根据上述加工要求，由PC机1将运行参数输入闪存器3，同时交由插补运算单元处理后送入PID控制单元，其输出控制信号经数摸转换器5转换后通过伺服驱动器6控制伺服电机8-1的运行；由各传感器7检测所得的4组反馈值，输入计数单元处理后，送入PID控制单元用于对伺服电机8-1的反馈控制，同时，该反馈数据被存入随机存取存储器4中；

B.在t＝30秒时对传感器7-1引入突发性误差，故障检测与隔离单元通过比较此时刻闪存器3中的给定参数与随机存取存储器4中的反馈参数，因传感器7-1的检测值同时出现在三组异常反馈参数中，检测与隔离单元则判定传感器7-1出现故障；

C.在由B步骤检测出传感器7-1出现故障时，即通过故障检测与隔离单元向缓存单元发出隔离指令，同时，中心控制单元启动数据重构单元进行数据重构处理，本实施方式数据重构单元按下述方法自动进行数据重构：

附图2中：O-X₀Y₀Z₀表示固定坐标系，O₁-X₁Y₁Z₁表示动坐标系，α是动平台绕X₁轴的旋转角度，β是动平台绕Y₁轴的旋转角度；其中：

固定平台上铰链点在固定坐标系中的坐标为：

A₁＝(a₁，b₁，0)^T   A₂＝(a₂，b₂，0)^T   A₃＝(a₃，b₃，0)^T

动平台上铰链点在动坐标系中的坐标为：

B₁＝(c₁，d₁，h)^T   B₂＝(c₂，d₂，h)^T  B₃＝(c₃，d₃，h)^T

动平台上铰链点在固定坐标系中的坐标为：

$\mathrm{Bi}=\left[\begin{array}{c}{B}_{\mathrm{ix}}\\ B_{\mathrm{iy}}\\ B_{\mathrm{iz}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ l_4\end{array}\right]+\mathrm{Rot}(Y,\mathrm{\β})\mathrm{Rot}(X,\mathrm{\α})\left[\begin{array}{c}{c}_i\\ d_i\\ h\end{array}\right](i=\mathrm{1,2,3})$

$=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ l_4\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\β}& \sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\\ 0& \cos \mathrm{\α}& -\sin \mathrm{\α}\\ -\sin \mathrm{\β}& \sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{c}_i\\ d_i\\ h\end{array}\right]---\left(1\right)$

$=\left[\begin{array}{c}{c}_i\cos \mathrm{\β}+d_i\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}+h\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\\ d_i\cos \mathrm{\α}-h\sin \mathrm{\α}\\ -c_i\sin \mathrm{\β}+d_i\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}+h\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}+l_4\end{array}\right]$

周边腿7-2、7-3的长度用铰支座中心A_i，B_i的坐标表示，其闭链机构的约束方程为：

|A_i-B_i|²＝l_i ²         i＝2，3         (2)

因传感器7-1出现故障，测量值为异常值，则由(2)式得：

l₂ ²＝(c₂cosβ+d₂sinαsinβ+hcosαsinβ-a₂)²+

(d₂cos-hsinα-b₂)²+                           (3)

(-c₂sinβ+d₂sinαcosβ+hcosαcosβ+l₄)²

l₃ ²＝(c₃cosβ+d₃sinαsinβ+hcosαsinβ-a₃)²+

(d₃cosα-hsinα-b₃)²+                          (4)

(-c₃sinβ+d₃sinαcosβ+hcosαcosβ+l₄)²

其中：因周边腿7-2、7-3及中心腿7-4的长度l₂、l₃、l₄为测得的正确值，通过式(3)和(4)得出α、β，并代入式(1)即得B₁点在固定坐标系中的位置坐标向量，再由式|A₁-B₁|²＝l₁ ²可得l₁，l₁即为故障传感器当前的应测值，数据重构单元将该应测值送入PID控制单元以代替故障传感器的检测值对伺服电机进行PID控制，从而实现对传感器7-1故障的容错和自动纠错，确保了机床的正常运行。

Claims (5)

1.并联/混联机床传感器输入故障的容错纠错方法，其方法包括：

A.控制和监测参数信号输入：根据待加工工件的形状要求，通过PC机将加工运行参数存入闪储器内，该参数同时经控制器中的插补运算单元处理后将结果送入PID控制单元用于对伺服电机进行控制；将三条周边腿传感器及中心腿传感器的在线检测值按4选3的组合方式组成4组反馈参数输入控制器中的计数单元，并将结果一路经缓冲器输入PID控制单元对伺服电机进行PID控制，另一路在中心控制单元的控制下作为检测值输入随机存取存储器；以对并联闭链机构的运行状况进行在线控制和监测；

B.故障判定：当由A步骤所得4组反馈参数与输入闪储器中对应的运行参数通过检测与隔离单元进行比较，若有3组参数出现异常时，表示系统中某一传感器发生故障；同时根据当其中某一传感器的检测值均出现在三组反馈参数中，则判定该传感器为故障传感器；

C.故障传感器的容错纠错：当由B步骤确定出故障传感器后，通过另一组所属三个传感器的检测值通过控制器中的数据重构单元，计算出故障传感器的应测值，并在检测与隔离单元的控制下通过缓冲器将故障检测值舍弃，以该应测值替换、用于对故障传感器所对应的伺服电机进行控制，从而实现对故障传感器的容错和纠错。

2.按权利要求1所述传感器输入故障的容错纠错方法，其特征在于所述故障传感器包括传感器本身故障或其电路传输故障、或传感器探头因物理障碍所致异常输出。

3.按权利要求1所述并联/混联机床传感器输入故障的容错纠错方法所采用的控制装置，包括用于通讯的PC机，控制器，数模转换器，伺服驱动器，用于获取反馈信息的传感器，其特征在于其控制装置还包括闪储器，随机存取存储器，而控制器为现场可编程门阵列逻辑控制器；PC机与该逻辑控制器内的通讯单元连接，闪存器及随机存取存储器分别与逻辑控制器的中心的控制单元连接，逻辑控制器内的PID控制单元的输出端与数模转换器连接、并通过伺服驱动器与伺服电机连接，而传感器则分别与各伺服电机的输出端及逻辑控制器内的计数单元的输入端连接。

4.按权利要求3所述控制装置，其特征在于所述现场可编程门阵列逻辑控制器内包括中心控制单元，用于通讯的通讯单元，用于插补计算的插补运算单元，用作PID控制的PID控制单元，用于处理反馈信号的计数单元，用于将反馈参数与输入闪储器中对应的运行参数进行比较的故障检测与隔离单元、以及将该故障检测值进行隔离的处理的缓冲单元，用于计算故障传感器应测值的数据重构单元。

5.按权利要求3所述控制装置，其特征在于所述传感器为位移传感器或速度传感器、或加速度传感器。

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