CN101846993B

CN101846993B - 一种工艺参数关联数据流的实时控制方法

Info

Publication number: CN101846993B
Application number: CN 200910106162
Authority: CN
Inventors: 江俊逢
Original assignee: 江俊逢
Current assignee: Jiangxi promising new energy Polytron Technologies Inc
Priority date: 2009-03-23
Filing date: 2009-03-23
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2029-03-23
Also published as: CN101846993A

Abstract

本发明公开了一种工艺参数关联数据流的实时控制方法，包括以下步骤：1)PC系统根据用户程序构建多维关联数据流分布矩阵，包括多轴数据流和参数数据流；2)PC系统根据多轴数据流和进给速度计算出时间值，并将该时间值加入多维关联数据流分布矩阵，并进行格式化；3)PC系统将格式化多维关联数据流分布矩阵送给可编程数据流控制器；4)可编程数据流控制器将时间值写入速度定时器，将多轴数据流和参数数据流写入数据流驱动器；5)可编程数据流控制器按照速度定时器的设定，以给定的操作速度，控制数据流驱动器将多轴数据流和参数数据流发送给执行机构。本发明简化了对关联数据流的实时控制，简化了工艺参数的实时控制与加减速控制。

Description

一种工艺参数关联数据流的实时控制方法

技术领域

本发明涉及计算机数字控制领域，具体是涉及工艺参数的一种关联数据流的实时控制方法，以及关联数据流的动态同步方法。

背景技术

所谓数字化就是将模拟量离散为“0”与“1”的数据流。所谓数字设备就是对输入数据流进行数字处理以产生所需要的结果。因而，从数据流的观点来看，任何数字设备都是数据流的合成装置。数字电视将视频与音频的多维数据流合成为图像与声音协调一致的画面，数控机床将X、Y、Z轴的多维数据流合成为运动轨迹，等等。对于多维数据流，在每个时序点上，如果数据流之间的“0”“1”信息是相互依存的，这种耦合关系称之为时序关联性，其“0”“1”分布则称之为该多维数据流在该时序点的状态。相互之间具有时序关联性的多维数据流称之为关联数据流。上述视频与音频的多维数据流和X、Y、Z轴的多维数据流都是关联数据流。

现有数控系统采用时间分割法（又称数字增量法）进行插补迭代控制，插补是其最重要的实时任务。公式

e_r＝(TF)²/(8r)

描述了逼近误差e_r与进给速度F和插补周期T、圆弧半径r之间的关系。该公式指出，逼近误差e_r与进给速度F和插补周期T的平方成正比。插补速度和插补精度成为现有数控系统最重要的技术指标，因而，提高插补速度是现有数控系统的首要优化目标。该公式说明，实时操作系统的插补周期作为系统时钟，“大权独揽，小权不放”，一竿子插到底，设计、施工全包，而且是“边设计，边施工”。

这样一来，时间被插补周期锁定，成为一个系统参数，使得时间不是一个可控的外部变量，而是一个系统参数，导致现有数控系统变成一个强实时的高度刚性的非开放式系统，使工艺参数的实时控制和加减速控制复杂化。

多维关联数据流的实时控制是极富创造性的技术挑战。

1、在现代制造业中，工艺参数的实时控制涉及智能化，是必须解决的关键技术。工艺参数的实时控制实质上是一个多维关联数据流的实时控制问题。

2、加减速控制是高速高精度数控设备中必须具备的基本技术。加减速控制实质上就是进给速度的实时控制。在现有数控系统中，时间被插补周期锁定，成为一个系统参数，导致加减速控制的复杂化。

3、对伺服驱动器的动态时滞进行实时控制以实现伺服驱动的动态同步是高速高精度数控设备中必须解决的关键技术。在进给伺服系统中，各轴的动态性能不同从而所产生的动态时滞不同，对轮廓精度导致重大影响。对于两轴系统，现有数控系统采用耦合控制处理两轴同步问题。对于多轴系统，如何实施多时滞补偿，是目前研究与应用的难题。对于数字控制而言，时间控制本来是最简单的，但时滞补偿却不能使用最简单的时间控制，导致这一悖论的原因也是时间被锁定为系统时钟。

本申请人的在先专利申请的《计算机数字控制系统数据流关联控制方法与体系结构》（中国专利申请号：2007101243304.9,申请日：2007年10月29日）提出了一种数据流关联控制(Data-stream Related Control，简称DRC控制)的控制方法与体系结构。数据流关联控制将工艺参数的实时控制转化为数据流的时序关联性，也就是将开关视为虚拟坐标轴，相应的参数值视为该虚拟坐标轴的坐标值，将轨迹运动和工艺参数的实时控制统一起来，将工艺参数的实时控制转化为多轴多参数联动，从而将复杂的多轴多参数联动的插补迭代控制问题转化为PC系统中的一个数学问题。数据流关联控制使时间回归为独立的外部变量，为多维关联数据流的实时控制提供了强有力的技术手段。但是该技术方案在解决关联数据流的终点同步问题上还需要进一步改进。

发明内容

为此，本发明提出一种工艺参数关联数据流的实时控制方法，对包括工艺参数、加减速在内的多维关联数据流进行实时控制。

本发明以时间作为基本变量，称之为增量步进法。增量步进可视为脉冲步进之推广，只是在每次操作中，发送的进给量不是一个进给当量，而是若干个进给当量。显然，数据流的发送速度决定了进给速度。增量步进法调整数据流的发送速度以控制进给速度。

本发明涉及到的硬件平台为PC系统，软件平台为图形界面操作系统、CAD/CAM系统、通信系统等支持下的控制信息制造平台，用于生成多轴多参数联动的关联数据流并传送给可编程数据流控制器，由可编程数据流控制器完成关联数据流的实时控制。

本发明提出的这种增量步进法通过以下技术方案实现。

这种工艺参数关联数据流的实时控制方法包括以下步骤：①PC系统根据用户程序构建多维关联数据流分布矩阵，所述多维关联数据流分布矩阵包括多轴数据流和参数数据流；②PC系统通过所述的多轴数据流和用户程序给定的进给速度计算出时间值，并将该时间值加入所述的多维关联数据流分布矩阵，并进行格式化；③PC系统生成DCFS文件，将格式化多维关联数据流分布矩阵送入可编程数据流控制器；④可编程数据流控制器设定系统参数和I/O接口参数，将格式化多维关联数据流分布矩阵中的时间值写入速度定时器，将坐标数据流和参数数据流写入数据流驱动器；⑤可编程数据流控制器打开启动定时器，以速度定时器设定的操作速度，通过接口电路，将坐标数据流发送给进给伺服系统，将参数数据流发送给控制工艺参数的开关装置。

进一步的，所述步骤⑤后还包括以下动态时滞补偿步骤：⑥可编程数据流控制器接收执行结构的反馈信息，计算每个坐标轴的数据流的动态时滞，以动态时滞最大的坐标轴为基准，计算该坐标轴的动态时滞与其他坐标轴的动态时滞之差，将差值写入启动定时器。

还包括静态时滞补偿步骤：在步骤②中以静态时滞最大的坐标轴为基准，PC系统计算该坐标轴的静态时滞与其他坐标轴的静态时滞之差；在步骤④中可编程数据流控制器用状态指令将所述静态时滞差值写入启动定时器。

本发明与现有技术对比所具有的有益效果是：

1、增量步进法使得时间回归为独立的外部变量，从而在关联数据流的控制中，任何工艺参数都视为虚拟坐标轴，并与坐标轴联动，成为PC系统中的多轴多参数联动的规划问题，工艺参数的实时控制与多轴联动一样，都转化为PC系统中的数学问题，简化了工艺参数的实时控制；采用增量步进法，加减速控制简化为对速度定时器的时间常数进行实时控制，简化了加减速控制。

2、采用增量步进法，根据进给伺服系统的时滞，可编程数据流控制器可实时修正启动定时器的时间常数，进行所谓时间补偿。可编程数据流控制器可实时检测多维关联数据流的时滞，实时调节启动定时器的时间常数，对动态时滞进行实时控制。这就使耦合控制、多轴同步得以简化，显著改善进给伺服系统的整体性能并提高轮廓精度。

附图说明

图1是具体实施方式的结构示意图；

图2是具体实施方式中可编程数据流控制器的功能模块图；

图3是具体实施方式中增量步进法的流程图。

具体实施方式

如图1所示的一种对关联数据流进行实时控制的计算机控制系统的体系结构，包括PC系统01、通过现场总线02与PC系统01连接的可编程数据流控制器03、由开关系统07和送给进给伺服系统08构成的执行机构06。进给伺服系统08包括多组智能驱动器及其驱动的伺服电机。可编程数据流控制器03通过通常的I/O接口05与开关系统07连接，通过可编程I/O接口04与智能驱动器连接。

数据流控制器03采用本申请人的在先专利申请《一种可重构I/O芯片》（中国专利申请号：200920129919.5,申请日：2009年2月18日）中提出的可重构I/O芯片。

图2是本具体实施方式中采用可重构I/O芯片构建的可编程数据流控制器（PDC）的功能模块图。

可重构I/O芯片通过DMA控制器9与随机存储器8连接，在微处理器7的控制下与随机存储器8交换数据。

可编程数据流控制器包括微程序控制器1、与微程序控制器1连接的数据流缓存器3、与数据流缓存器3连接的数据流驱动器4、与微程序控制器1和数据流驱动器4连接的功能寄存器2、与微程序控制器1和数据流驱动器4连接的交叉开关5、与交叉开关5连接的I/O端口6。

数据流驱动器4有4个，每个包括16个独立的16位移位寄存器和一个16位输入/输出锁存器。数据流缓存器3为FIFO缓存器，相应地划分为4个区，每个区设置专用移位指令，构成4个软移位寄存器矩阵。在微控制器的1的控制下数据流驱动器4从FIFO缓存器3中读取数据流并通过交叉开关5发送给I/O端口6，或在微控制器的1的控制下数据流驱动器4从I/O端口6通过交叉开关接收数据。数据流驱动器4和FIFO缓存器3构成4个海量的数据流驱动器。

功能寄存器2用于设定接口参数，包括以下寄存器：由比特率寄存器、比特数寄存器、启动定时器和速度定时器构成的移位操作控制器，循环寄存器，收发寄存器，状态寄存器，连接寄存器，编址寄存器。

各个功能寄存器2的功能如下：

16个比特率寄存器，设定相应的移位寄存器在每次数据传输操作中的比特率；

16个比特数寄存器，设定相应的移位寄存器在每次数据传输操作中数据传输的比特数，即数据流驱动器发送/接收的信息量，在脉冲方式下每次操作发送/接收1比特信息，在增量方式下每次操作发送或接收若干字节的信息；

16个启动定时器，设定相应的移位寄存器的数据传输操作的启动；

16个速度定时器，设定相应的移位寄存器的数据传输操作的速度；

16个循环寄存器，设定相应的移位寄存器的数据流的循环发送的次数；

1个收发寄存器，设定相应的移位寄存器的左移/右移，对应数据流的发送/接收；

1个状态寄存器，设定相应的移位寄存器的激活/休眠状态；

1个连接寄存器，设定FIFO缓存器与数据流驱动器的连接；

1个编址寄存器，设定数据流驱动器的编址模式。

上述功能寄存器2、FIFO缓存器3和数据流驱动器统一编址，所述数据流驱动器还可按列编址。

1个釆用FPGA构建的交叉开关，设定数据流驱动器的输入和输出与I/O端口的连接。

微程序控制器1采用FPGA技术且固化了相关的微控制程序，包括软移位寄存器矩阵的8条专用移位指令和功能寄存器的I/O接口参数设置指令；所述微程序控制器运行微控制程序。

如图3所示，工艺参数关联数据流的实时控制方法包括下述步骤。

（1）用户程序形成之后，PC系统根据用户程序，离线完成多轴多参数联动规划，生成多维关联数据流分布矩阵。关于生成多维关联数据流分布矩阵，本申请人的在先专利申请《计算机数字控制系统数据流关联控制方法与体系结构》（中国专利申请号：2007101243304.9,申请日：2007年10月29日）中的多轴多参数联动规划已经说明。

这里以数控系统中常见的空间曲线为例说明，P为工艺参数，由函数P=g(x,y，z)确定。进给速度为F=h(x,y，z)，包括常量与加减速曲线。PC系统通过多轴多参数联动规划，将曲线离散为逼近折线∑Li，每条折线Li的终点坐标记为（Xi,Yi,Zi）；将进给速度F离散为（Fxi,Fyi,Fzi）。以C表示折线Li中的主动轴，C=X、Y、Z；对逼近折线∑Li生成工艺参数P对主动轴的数据流分布矩阵∑P_C，构建多维关联数据流即3轴1参数联动的4维数据流分布矩阵∑（Xi,Yi,Zi,P_C）；对于数字增量型的数据流，Xi、Yi、Zi为坐标值增量，对于脉冲增量型的数据流，Xi、Yi、Zi为脉冲当量。

（2）PC系统算出时间值：Txi=Xi/Fxi，Tyi=Yi/Fyi，Tzi=Zi/Fzi，生成3轴4参数联动的7维数据流分布矩阵∑（Xi,Yi,Zi,P_C，Txi,Tyi,Tzi）并将其格式化。

（3）PC系统生成I/O分配程序，将I/O分配程序编译成DCFS文件（数据控制流文件，Data Control Flow Interface Specification，简称DCFS文件），并通过现场总线传输给可编程数据流控制器。DCFS文件中包括由伺服型运动指令构成的关联数据流、由开关型运动指令构成的控制流、系统参数与I/O接口参数。

所述PC系统生成I/O分配程序，将I/O分配程序编译成DCFS文件包括以下步骤：

（3·1）生成系统参数表，将系统参数编辑为相应的状态指令；

（3·2）生成I/O接口参数，将I/O接口参数编辑为相应的状态指令；

（3·3）依照控制流，生成开关型运动指令；

（3·4）链接格式化数据流分布矩阵∑（Xi,Yi,Zi,P_C，Txi,Tyi,Tzi），生成伺服型运动指令；

（3·5）生成DCFS文件。

（4）可编程数据流控制器运行DCFS文件中的I/O分配程序，执行状态指令，设定系统参数和I/O接口参数，将Txi,Tyi,Tzi写入各个速度定时器，将∑（Xi,Yi,Zi,P_C）写入数据流驱动器。

（5）可编程数据流控制器将开关型运动指令实时分配发送给开关系统，将伺服型运动指令实时分配发送给进给伺服系统。可编程数据流控制器打开启动定时器，以速度定时器设定的操作速度，通过接口电路，将坐标数据流（Xi,Yi,Zi,）发送给进给伺服系统，将参数数据流∑P_C发送给工艺参数P的开关装置。

（6）执行机构执行运动指令。其中开关系统实现开关装置的逻辑控制并接收、执行参数数据流∑P_C，进给伺服系统接收、执行坐标数据流（Xi,Yi,Zi），从而按方程P=g(x,y，z)对工艺参数P进行实时控制，并按方程F=h(x,y，z)进行包括加减速在内的速度控制，实现X、Y、Z与P、F的联动。

（7）数控设备的时滞补偿，可分为静态时滞补偿和动态时滞补偿。

对于静态时滞补偿，在步骤（2）中，采用下述方法：假设X轴的静态时滞最大，PC系统计算Y轴和Z轴的静态时滞与X轴的静态时滞之差。可编程数据流控制器在步骤（4）中用状态指令将差值△y、△z写入启动定时器。这样在步骤（5）中，可编程数据流控制器开启启动定时器，以速度定时器设定的操作速度发送（Xi,Yi,Zi）时，Yi和Zi将滯后△y和△z，从而实现X、Y、Z关联数据流的静态终点同步。

对于动态时滞补偿，由可编程数据流控制器完成，采用下述步骤：可编程数据流控制器实时接收来自执行机构的反馈信息，求出每个轴的动态时滞τ。如果动态时滞τ的变化在允许范围内，则无须时间补偿。如果动态时滞τ的变化异常，且X轴的动态时滞最大，计算Y轴和Z轴的动态时滞与X轴的动态时滞之差：τy、τz。可编程数据流控制器用状态指令将差值τy、τz写入启动定时器。这样在步骤（5）中，可编程数据流控制器开启启动定时器，以速度定时器设定的操作速度发送（Xi,Yi,Zi）时，Yi和Zi将滯后τy和τz，从而实现X、Y、Z关联数据流的动态终点同步。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种工艺参数关联数据流的实时控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

①PC系统根据用户程序构建多维关联数据流分布矩阵，所述多维关联数据流分布矩阵包括多轴数据流和参数数据流；

②PC系统通过所述的多轴数据流和用户程序给定的进给速度计算出时间值，并将该时间值加入所述的多维关联数据流分布矩阵，并进行格式化；

③PC系统生成DCFS文件，将格式化多维关联数据流分布矩阵送入可编程数据流控制器；

④可编程数据流控制器设定系统参数和I/O接口参数，将格式化多维关联数据流分布矩阵中的时间值写入速度定时器，将多轴数据流和参数数据流写入数据流驱动器；

⑤可编程数据流控制器打开启动定时器，以速度定时器设定的操作速度，通过接口电路，将多轴数据流发送给进给伺服系统，将参数数据流发送给控制工艺参数的开关装置；

所述步骤⑤后还包括以下动态时滞补偿步骤：

⑥可编程数据流控制器接收执行结构的反馈信息，计算每个坐标轴的数据流的动态时滞，以动态时滞最大的坐标轴为基准，计算该坐标轴的动态时滞与其他坐标轴的动态时滞之差，将差值写入启动定时器；

还包括静态时滞补偿步骤：

在步骤②中以静态时滞最大的坐标轴为基准，PC系统计算该坐标轴的静态时滞与其他坐标轴的静态时滞之差；

在步骤④中可编程数据流控制器用状态指令将所述静态时滞差值写入启动定时器。