CN102896446B - 海上石油平台精密切割控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海上石油平台高效精密切割控制系统，基于PC和DSP运动控制卡群的结构形式，主要包括PC内加工过程控制模块、拓扑结构设定模块、加工代码加载模块，加工参数设置模块，DSP运动控制卡内通信解释模块、状态与错误管理模块、参数管理模块、坐标系统定义模块、缓存区管理模块、运动控制模块、译码模块、插补模块、微插补模块，误差补偿模块以及独立模块同步脉冲与错误控制模块等。针对海上石油平台钢结构加工的特点，可实现多轴、多坐标系统、多运动控制卡同步控制，可根据机械拓扑构型快速重构控制系统拓扑结构且加工代码具有可重用性，可修正工件的装夹误差和形状误差，定位精确，可满足大尺度精度比的要求。

Description

海上石油平台精密切割控制系统

技术领域

本发明涉及一种管材切割控制系统领域，尤其涉及一种海上石油平台多几何体相贯高效精密切割控制系统。

背景技术

随着海洋工程、舰船和潜艇内部管路制造、机场和大型体育场馆建设、大型桥梁建设等飞速发展，钢结构应用日益广泛，海上石油平台由于其恶劣的工作环境，巨大的尺寸结构，复杂的内部搭接方式，代表了钢结构领域的最高水平。海上石油平台在自身超大跨度结构条件下要求高海况持续作业、13级风浪时不解脱、风暴自存等高要求，因而海洋石油平台钢结构在强力区域采用节点由多个具有不同几何形状如板、管、锥、环管等的金属构件相贯而成的复杂结构，且苛求复杂多几何体相贯切割的制造精度和加工质量。由于节点之间的跨度大，具有典型大尺度精度比特点，因此必须采用满足大跨度精密切割技术才能满足对平台可靠性、强度以及疲劳寿命的高要求。另外，从钢结构生产角度来看，钢结构生产量虽然巨大，但呈现明显的多品种、小批量和客户化的特点，这种动态市场需求对现有的切割控制系统提出了巨大的挑战。

结合海上石油平台钢结构的加工特点，满足海上石油平台钢结构加工的控制系统必须同时具备以下特点：一是具备多机床/机器人(一般不少于12轴联动)协调同步运动的能力，海上石油平台钢结构结合处多几何体相贯，在钢结构的两端形成复杂的空间结合面，必须使用多轴联动同时控制割炬的位置和姿态才能同时完成两端复杂结合面的加工。二是能适应不同的机械构型，由于钢结构生产具有多品种、小批量和客户化的特点，加工装置的机械构型也会随加工任务而改变，可能单独采用专用机床，或单独采用六自由度串联式关节机器人，也可能两者同时采用，专用机床内部构型多样，机器人的关节参数也可能不一样，所以控制系统内部的拓扑结构必须能根据机械构型的不同而快速重构。三是相同的加工任务，加工代码与机械构型无关。四是要实现精密加工运动满足大尺度精度比的要求。海上石油平台钢结构的跨度通常很大，而尺寸精度要求又很高，所以控制系统不但自身要能实现大范围精确的轨迹运动，而且要能对工件的装夹误差和形状误差做出补偿。

以上特点的实现主要依赖于海上石油平台切割控制系统运动控制的能力。运动控制系统可以分为专用运动控制系统和开放式运动控制系统两大类。专用运动控制系统针对专门的运动控制领域开发，自身限制较多，如结构封闭、兼容性差，已很难满足现代工业和社会发展的需要。开放式运动控制系统，由于其开发性，自1987年提出以来，则显示出强大的生命力。目前开放式控制器的标准主要有美国的OMAC(Open Modular Architecture Controller)、欧洲的OSACA(Open System Architecture for Control within Automation)和日本的OSEC(Open System Environment for Controller Architecture)。上海石油平台钢结构的加工，由于其多品种、小批量和客户化的特点，非常适合采用开放式运动控制系统。

经文献检索发现，目前提出的基于PC+单DSP运动控制卡形式的开放式运动控制系统很多，如何帅在其硕士论文《基于DSP和FPGA的四轴运动控制卡的研究与开发》提出的一种四轴运动控制卡。但是现有的由这类运动控制卡构成的切割控制系统不能满足海上石油平台钢结构加工的要求。首先，这类运动控制卡可联动轴数有限，一般最多不超过8轴，且不可以扩展。其次，这类运动控制卡的都是在线性空间内直接对轴的运动进行插补。这种方式有两个缺点，一是加工代码生成模块需要知道加工机构的机械构型与各部件尺寸，才能将三维空间直角坐标系内的点转换到轴空间内。生成的加工代码与机械构型有密切的关系，机械构型改变时，加工代码也要随之改变，加工代码不具有唯一性、不可以重复使用。操作人员在查看加工代码时，也不能直观的看出加工点在三维空间直角坐标系中的位置。二是三维空间直角坐标系下的运动要用轴空间内的短直线插补来拟合，不仅增加了插补数据量，也存在拟合误差的问题。另外，此类控制系统不具有工件安装误差、形状误差补偿功能。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种海上石油平台多几何体相贯高效精密切割控制系统。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种海上石油平台多几何体相贯高效精密切割控制系统。

为实现上述目的，本发明提供了一种海上石油平台多几何体相贯高效精密切割控制系统，包括以下模块：PC中的模块有人机交互模块、加工参数设置模块、加工过程控制模块、拓扑结构设定模块、加工代码加载模块、系统状态监视模块、运动轨迹显示模块、应用程序接口模块；DSP运动控制卡内的模块包括通信解释模块、初始化模块、状态与错误管理模块、参数管理模块、坐标系统定义模块、缓存区管理模块、运动控制模块、译码模块、插补模块、微插补模块，误差补偿模块；加工机构中的模块包括轴驱动与电机模块、激光定位测距模块；以及独立模块同步脉冲与错误控制模块。本研究在现有的开放式控制系统PC+单DSP结构形式的基础上，提出了PC+DSP运动控制卡群的结构形式。为满足海上石油平台钢结构加工中多轴联动，多机床/机器人联动的要求，提出了多轴、多坐标系、多运动控制卡同步控制的方法。为满足加工中机械构型的变化，提出了数控系统拓扑结构快速重构的方法，加工代码中的坐标都在三维空间直角坐标系内描述，针对不同的机械构型，加工代码可重用。为满足海上石油平台钢结构大尺度精度比的要求，提出了微插补和工件误差补偿的方法。整个系统具有高效精密的特点。

本发明是通过以下技术方案实现的：总体上采用了PC+DSP运动控制卡群的结构。PC上处理与海上石油平台型材切割相关的业务逻辑。DSP运动控制卡群由若干块功能结构完全相同的DSP运动控制卡组成。PC内，人机交互模块接收用户的输入，通过加工过程控制模块和加工参数设置模块控制加工过程、改变加工参数。加工代码加载模块从加工过程控制模块接收加载指令，通过通信接口，从系统外部模块加工代码生成存储模块加载加工代码。加载后的加工代码经过拓扑结构设定模块的校验和加工参数设置模块对缺省参数补全后经过应用程序接口模块分散下载到各个DSP运动控制卡的缓存区管理模块中。拓扑结构设定模块通过系统外部模块商空间拓扑优化模块设定控制系统的拓扑结构。系统状态监视模块通过应用程序接口模块从各个DSP运动控制卡的状态与错误管理模块中获取并显示系统的状态。运动轨迹显式模块根据加工过程控制模块的的指令从系统状态监视模块中获取当前系统的位值姿态值及当前加工代码行数显示割炬(焊枪)运动轨迹。应用程序接口模块向PC上的所用模块提供DSP运动控制卡群的功能接口。若干块所述相同DSP运动控制卡通过PC总线以及通信解释模块组合成DSP运动控制卡群DSP运动控制卡内，通信解释模块与PC上应用程序接口模块配合，通过总线接口以约定的通信方式和通信编码建立PC与DSP运动控制卡群的通信。初始化模块为DSP运动控制卡内各个模块提供初始化服务。状态与错误管理模块维护系统状态、接受各模块提交的错误信息并采取相应的措施。缓存区管理模块从通信解释模块接受指令，根据坐标系统定义模块的设置，为每一个坐标系统分配加工代码缓存区，调整缓存区的大小。坐标系统定义模块根据拓扑结构设定模块通过通信解释模块传递的指令，定义坐标系统。运动控制模块根据坐标系统定义模块输入的坐标系统定义和参数管理模块输入的运动参数，初始化译码模块、插补模块、微插补模块，使能运动标志。参数管理模块接收通信解释模块的指令，设置系统参数，包括I/O电平，轴接口的形式。译码模块、插补模块、微插补模块在同步脉冲与错误控制模块提供的同步脉冲作用下分别周期性的执行译码、插补、微插补过程。同步脉冲与错误控制模块也可以接收和设置各DSP运动控制卡状态与错误管理模块的错误状态。译码模块从缓存区管理模块中提取加工代码，解释后作为插补模块的输入，插补模块执行插补过程后获得轴增量，输入到微插补模块，微插补模块中对轴增量进行细分插补，完成伺服更新。误差补偿模块，通过轴接口利用激光定位测距模块获得的测量值对加工代码中坐标点处的误差进行补偿。伺服更新的值通过轴接口输出到轴驱动与电机模块。多电机的协同运动作用在由加工机床、机器人及公共运动部件组成的加工机构上是机构完成特定的加工运动。加工机构运动部件的位移量由激光定位测距模块测量并通过轴接口返回到微插补模块中。

以下对本发明方法做进一用步说明，具体内容如下：

若干块所述相同DSP运动控制卡通过PC总线以及通信解释模块组合成DSP运动控制卡群；在DSP运动控制卡群的基础上，实现多轴、多坐标系统、多机床(机器人)联动。

人机交互模块，其作用是接受用户的输入并向用户反馈系统的输出。用户的输入会分解到系统各个模块，系统的输出也是由系统各个模块的输出组成。

加工过程控制模块，其作是接受人机交互模块输入的用户指令控制加工过程。加工过程的控制主要包括通过加工代码加载模块控制加工代码的加载，加工代码描述了加工过程中机构的运动、输入输出动作；通过应用程序接口模块控制加工过程的启动、暂停、恢复、停止、空走、前进、后退；通过运动轨迹显示模块控制加工轨迹的显示。

拓扑结构设定模块，其作用是根据系统外部模块拓扑结构优化模块的优化结果设定控制系统的拓扑结构，拓扑结构设定模块将系统的拓扑结构分解成多个独立坐标系统后，这些坐标系统被分配至各个DSP运动控制卡中。控制系统的拓扑结构包括加工机构各运动单元的相对运动关系，运动单元的几何尺寸，运动单元的组合形式。坐标系统描述了规划空间到轴空间的转换关系，规划空间是指割炬在工件坐标下描述的位置和姿态空间，轴空间由各关节轴的运动构成。坐标系统包含的这种转换关系根据运动单元的相对运动关系，运动单元的几何尺寸由DH法建模或旋量建模求得。在控制系统内部以函数的形式表示。每一个运动单元的组合在逻辑上对应一个坐标系统，在机械结构上则对应一台多轴专用加工机床或一台多轴串联关节式机器人。拓扑结构设定模块将系统的拓扑结构分解成多个独立坐标系统后，这些坐标系统被分配至各个DSP运动控制卡中。

加工代码加载模块，其作用是根据加工过程控制模块的指令从加工代码系统外部模块加工代码生成存储模块中导入描述加工任务的加工代码。加工代码在三维空间直角坐标系下描述。三维空间直角坐标系可以是机床坐标系，机器人基座坐标系或者工件坐标系。加工代码中包含了坐标系统的信息。为保证加工代码的准确性，需要通过拓扑结构设定模块的信息，对加工代码进行校验。加工代码在三维空间直角坐标系下以样条的形式描述割炬或工件的位置姿态，加工代码中出现的坐标系统必须与拓扑结构设定模块中的坐标系统一致。校验完成后的加工代码按照拓扑结构设定模块中对坐标系统的定义，以坐标系统为区分，分散下载到各个DSP运动控制卡中的缓存区管理模块。

加工参数设置模块，其作用是根据人机交互模块的输入设置本发明系统的加工参数。加工参数包括切割方式(火焰切割、等离子切割、空走)，各种切割方式下的切割速度，引入线的长度与形式，穿孔延时的时间。

系统状态监视模块，其作用是通过应用程序接口模块监视系统的状态。系统的状态包括各轴正负限位、报警信号，各轴位置值，当前正在执行加工代码的加工代码的行数。

运动轨迹显示模块，其作用是根据系统状态监视模块提供的各轴位置值，当前正在执行加工代码的加工代码的行数显示割炬(焊枪)相对与工件的位置和姿态。

应用程序接口模块，其作用是将DSP运动控制卡中各模块提供的功能以动态链接库函数的形式提供给PC上的各个模块使用。

通信解释模块，其作用是与PC上应用程序接口模块配合，通过总线接口以约定的通信方式和通信编码建立PC与DSP运动控制卡群的通信。约定的通信方式是指PC与DSP之间采用双口RAM进行数据交换。每块DSP运动控制卡分配一段私有地址和一段公共地址。公共地址的作用是PC可以向多块DSP运动控制卡同时发送命令，提高通信效率。约定的通信编码包括两部分，一部分命令编码，大小为2字节；另一部分为命令附加参数，大小为4字节。命令编码以二进制表示，单个或多个连续比特代表一个特定的意义，可以以树状形式区分所用的命令类型，第一层节点包括立即命令、缓存命令，第二层节点包括轴命令、非轴命令，第三层节点包括参数命令、运动指令。附加参数可以解释为整形也可以解释为浮点形，由具体命令决定。

初始化模块，其作用是为DSP运动控制卡内各个模块提供初始化服务。

状态与错误管理模块，其作用是维护DSP运动控制卡的系统状态、接受各模块提交的错误信息并采取相应的措施。DSP运动控制卡系统状态包括限位触发标志、驱动器报警标志、运动标志、译码进行中标志、各轴的速度、位置、各坐标系统的合成速度、当前坐标。DSP运动控制卡的错误形式包括，轴运动失败，译码中出现的实时错误，其他DSP运动控制卡出错。采取的措施主要包括记录错误信息，停止运动，向同步脉冲与错误控制模块发送错误产生信号。

参数管理模块，其作用是管理运动控制卡内部的参数。控制卡内部的参数包括运动速度、加速度、加减速形式、限位、零位的触发电平。

坐标系统定义模块，其作用是结合拓扑结构设定模块在DSP内部提供一种坐标系统的定义方式。这种定义方式是指拓扑结构设定模块中以二进制机器码函数的形式描述坐标系统的定义，坐标系统定义模块则负责在DSP内部开辟一块内存空间，记录该空间的首地址作为坐标系统定义的函数地址，二进制汇编函数下载到DSP后记录在该地址后。DSP中其他模块只要调用该函数地址就可以实现规划空间到轴空间的转换。

运动控制模块，其作用是结合同步脉冲与错误控制模块控制运动控制卡内部的运动过程，包括运动的开始、暂定、恢复、停止。运动控制卡内部运动都是在坐标系统下描述的。单一DSP运动控制内坐标系统可能不止一个。当DSP收到PC通过总线接口发过来的多坐标系统同步运动命令时，运动控制模块根据坐标系统定义模块和参数管理模块初始化每个坐标系统的译码模块、插补模块、微插补模块，使能运动标志。PC打开同步脉冲与错误控制模块中的同步脉冲后，实际运动开始。

缓存区管理模块，其作用是为各个坐标系统开辟缓存区，存储各个坐标系统下的加工代码。

译码模块，其作用是将加工代码解释成插补模块可以使用的形式。译码模块在同步脉冲与错误控制模块产生的同步译码脉冲作用下，依靠DSP中断机制周期性的执行。在每个译码周期内，译码模块从缓存区管理模块中提取加工代码，加工代码以约定的命令格式存储在缓存区管理模块中。每次提取加工代码中的一行，一行可以包含若干条命令。

插补模块，其作用是在由所述同步脉冲与错误控制模块提供的周期性的插补同步脉冲驱动下，利用所述译码模块提供的译码信息完成加工代码两点之间数据点的插补并通过所述坐标系统定义模块提供的坐标系统定义将数据点坐标从规划空间转换到轴空间。插补所在空间为位姿空间。插补也是周期性的执行。周期由同步脉冲与错误控制模块提供的插补同步脉冲的周期决定。每次执行一次插补，获得规划规划空间内的一个位置、姿态值。该值通过坐标系统定义转换为轴空间的值，即各轴的位置值。

微插补模块，其作用是在由所述同步脉冲与错误控制模块提供的周期性的微插补同步脉冲驱动下，对所述插补模块获得的各轴位置值进行不同形式的细分插补并完成伺服更新。微插补过程也是周期性的执行。插补周期与伺服更新周期一致。该周期由同步脉冲与错误控制模块提供的微插补同步脉冲保证。对于具有复杂的轴空间系统，如六关节串联式机器人，插补运算的计算量很大，为保证DSP内其他模块的计算时间，必须取较大插补周期。为满足伺服系统的稳定性，同时提高伺服系统的定位精度，伺服更新周期固定且很小。由于插补周期和伺服周期不匹配，所以伺服系统无法直接利用插补运算的结果。微插补模块可以解决这个问题。微插补模块根据插补周期与伺服更新周期的比值，对插补模块获得的轴位置进行细分插补。当细分数较少时，采用线性细分插补；当细分数较大时，根据轴位置增量两端的速度和位置值，进行三次多项式细分插补，提高微插补的精度。

误差补偿模块，其作用是利用空走运动时激光定位与测距模块的测量值对工件装夹误差、形状误差进行补偿。在大跨度结构条件下，工件会因为装夹产生空间位置偏差，工件自身也存在形状误差，若直接按理想位置、理想形状切割，切割过程中割炬枪口到工件表面的距离会偏离设定值，会降低切割的质量与加工精度。本发明中，激光传感器固定在割炬的安装座上，割炬在不点火的情况下空走一遍，误差补偿模块利用激光传感器的测量值，计算出加工代码中每个坐标点处的补偿值，该补偿值以加工代码的行号为索引记录在误差补偿模块的缓存区内。实际加工时，将误差补偿值叠加到相应行加工代码坐标点上，按补偿后的加工代码坐标点运动。

同步脉冲与错误控制模块，其作用是通过其自身发出的多种不同周期的同步脉冲信号同步多块所述DSP运动控制卡内的运动，并接受各所述DSP运动控制卡运动过程中产生的错误脉冲，对所述DSP运动控制卡群进行整体错误控制。同步脉冲与错误控制模块在各运动控制模块完成开始运动初始化并使能运动标志后，根据PC的指令，为译码模块、插补模块、微插补模块提供不同周期的同步脉冲。在同步脉冲的作用下，分散在各DSP运动控制卡内的运动将同步执行。在运动过程中，如果某块DSP运动控制卡产生运行错误，该卡内部的状态与错误管理模块将相应的错误标志置位，停止运动，并向同步脉冲与错误控制模块发送信号脉冲，同步脉冲与错误控制模块收到该信号脉冲后，向DSP运动控制卡群内所有的成员发送错误外部中断信号，各成员卡内部的状态与错误管理模块利用该信号设置外部错误标志位，停止运动。

轴驱动与电机模块，其作用是驱动与电机相连的各机械轴完成直线或旋转运动。

激光定位与测距模块，其作用是测量轴的位置、定位工件的位置。测量轴的位置时，激光传感器安装在空间固定位置上，测量移动轴的位置。海上石油平台钢结构尺寸变化很大，采用激光测量轴的位置可以补偿直线导轨的误差，与光栅尺相比，测量系统柔性提高，成本降低。定位工件的位置，激光传感器固定在割炬的安装座上，按加工代码对工件进行扫描，获得工件表面的位置值，提供给误差补偿模块使用。

本发明与现有技术相比，提供了一套完善的海上石油平台多几何体相贯高效精密切割控制系统。本研究系统基于PC+DSP运动控制卡群的结构形式，针对海上石油平台钢结构加工的特点，具有以下优点：可实现多轴、多坐标系统、多运动控制卡同步控制，进而实现多机床/机器人联动，联动轴数可达32轴(在电气特性允许的条件下还可扩展)；可根据机械拓扑构型快速重构控制系统拓扑结构；加工代码在三维空间直角坐标系描述，具有可重用性，且没有拟合误差；可修正工件的装夹误差和形状误差，定位精确，可满足大尺度精度比的要求。

附图说明

图1是本发明切割控制系统的示意框图；

图2是本发明切割控制系统加工装置示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

如图1所示，系统采用PC+DSP运动控制卡群的结构。PC中的模块有人机交互模块、加工参数设置模块、加工过程控制模块、拓扑结构设定模块、加工代码加载模块、系统状态监视模块、运动轨迹显示模块、应用程序接口模块；DSP运动控制卡内的模块包括通信解释模块、初始化模块、状态与错误管理模块、参数管理模块、坐标系统定义模块、缓存区管理模块、运动控制模块、译码模块、插补模块、微插补模块，误差补偿模块；加工机构中的模块包括轴驱动与电机模块、激光定位测距模块；以及独立模块同步脉冲与错误控制模块。DSP运动控制卡群有四块结构功能完全相同的DSP运动控制卡组成，每块DSP运动控制卡最多实现8轴联动，总共最多可实现32轴联动。

图2是加工机构装置图。图2中的装置包括两台6轴串联式关节机器人5、9，公共旋转轴1，公共移动轴6，割炬3、7，激光测距传感器4、8、10以及待加工工件2。机器人5、9安装在公共移动轴上，在工件两端同时加工，可根据加工位置点移动。待加工工件为圆管，圆管固定在公共旋转轴上，做旋转运动。

具体实施过程如下：

首先，人机交互模块接受用户的输入并向用户反馈系统的输出。用户的输入会分解到系统各个模块，系统的输出也是由系统各个模块的输出组成。

然后，加工过程控制模块，接受人机交互模块输入的用户指令控制加工过程。加工过程的控制主要包括通过加工代码加载模块控制加工代码的加载，加工代码描述了加工过程中机构的运动、输入输出动作；通过应用程序接口模块控制加工过程的启动、暂停、恢复、停止、空走、前进、后退；通过运动轨迹显示模块控制加工轨迹的显示。

然后，拓扑结构设定模块接收人机交互模块输入的用户指令根据系统外部模块拓扑结构优化模块的优化结果设定控制系统的拓扑结构。系统的拓扑结构包括加工机构各运动单元的相对运动关系，运动单元的几何尺寸，运动单元的组合形式。在控制系统内部，系统拓扑结构表示为若干独立的坐标系统。坐标系统描述了规划空间到轴空间的转换关系。规划空间是指割炬和工件在三维空间直角坐标系下描述的位置和姿态空间。轴空间由各关节轴的运动构成。坐标系统包含的这种转换关系根据运动单元的相对运动关系，运动单元的几何尺寸由DH法建模或旋量建模求得。在控制系统内部以函数的形式表示。每一个运动单元的组合在逻辑上对应一个坐标系统，在机械结构上则对应一台多轴专用加工机床或一台多轴串联关节式机器人。拓扑结构设定模块将系统的拓扑结构分解成多个独立坐标系统后，这些坐标系统被分配至各个DSP运动控制卡中。本实施例中，系统拓扑结构被分成5个独立的坐标系统，机器人5对应一个坐标系统，描述了割炬3在机器人5基座坐标系下的位姿空间到机床轴空间的转换，机器人9对应另一个坐标系统，描述了割炬7在机器人9基座坐标系下的位姿空间到机器人轴空间的转换，公共旋转轴对应第三个坐标系统，描述了工件在机床坐标系下的位姿空间到旋转轴轴空间的转换。公共移动轴对应第四、第五个坐标系统，分别描述了工件坐标系下机器人5基座坐标系与机器人9基座坐标系的位姿空间到公共移动轴轴空间的转换。这五个坐标系统分别被分配到四块不同的运动控制卡中，前三个坐标系统分配到三块不同运动控制卡，最后两个坐标系统分配到剩下的一块运动控制卡中。

然后，加工代码加载模块根据加工过程控制模块的指令从加工代码系统外部模块加工代码生成存储模块中导入描述加工任务的加工代码。加工代码在三维空间直角坐标系下描述。加工代码中包含了坐标系统的信息。为保证加工代码的准确性，需要通过拓扑结构设定模块的信息，对加工代码进行校验。加工代码在三维空间直角坐标系下以样条的形式描述割炬或工件的位置姿态，校验加工代码中出现的坐标系统是否与拓扑结构设定模块中的坐标系统一致。校验完成后的加工代码按照拓扑结构设定模块中对坐标系统的定义，以坐标系统为区分，分散下载到各个DSP运动控制卡中的缓存区管理模块。

然后，加工参数设置模块根据人机交互模块的输入设置本发明系统的加工参数。加工参数包括切割方式(火焰切割、等离子切割、空走)，各种切割方式下的切割速度，引入线的长度与形式，穿孔延时的时间。

然后，系统状态监视模块通过应用程序接口模块监视系统的状态。系统的状态包括各轴正负限位、报警信号，各轴位置值，当前正在执行加工代码的加工代码的行数。

然后，运动轨迹显示模块根据系统状态监视模块提供的各轴位置值，当前正在执行加工代码的加工代码的行数显示割炬(焊枪)相对与工件的位置和姿态。

然后，应用程序接口模块将DSP运动控制卡中各模块提供的功能以动态链接库函数的形式提供给PC上的各个模块使用。

然后，通信解释模块作用是与PC上应用程序接口模块配合，通过总线接口以约定的通信方式和通信编码建立PC与DSP运动控制卡群的通信。约定的通信方式是指PC与DSP之间采用双口RAM进行数据交换。每块DSP运动控制卡分配一段私有地址和一段公共地址。公共地址的作用是PC可以向多块DSP运动控制卡同时发送命令，提高通信效率。约定的通信编码包括两部分，一部分命令编码，大小为2字节；另一部分为命令附加参数，大小为4字节。命令编码以二进制表示，单个或多个连续比特代表一个特定的意义，可以以树状形式区分所用的命令类型，第一层节点包括立即命令、缓存命令，第二层节点包括轴命令、非轴命令，第三层节点包括参数命令、运动指令。附加参数可以解释为整形也可以解释为浮点形，由具体命令决定。

然后，初始化模块为DSP运动控制卡内各个模块提供初始化服务。

然后，状态与错误管理模块维护DSP运动控制卡的系统状态、接受各模块提交的错误信息并采取相应的措施。DSP运动控制卡系统状态包括限位触发标志、驱动器报警标志、运动标志、译码进行中标志、各轴的速度、位置、各坐标系统的合成速度、当前坐标。DSP运动控制卡的错误形式包括，轴运动失败，译码中出现的实时错误，其他DSP运动控制卡出错。采取的措施主要包括记录错误信息，停止运动，向同步脉冲与错误控制模块发送错误产生信号。

然后，参数管理模块管理运动控制卡内部的参数。控制卡内部的参数包括运动速度、加速度、加减速形式、限位、零位的触发电平。

然后，坐标系统定义模块结合拓扑结构设定模块在DSP内部提供一种坐标系统的定义方式。这种定义方式是指拓扑结构设定模块中以二进制机器码函数的形式描述坐标系统的定义，坐标系统定义模块则负责在DSP内部开辟一块内存空间，记录该空间的首地址作为坐标系统定义的函数地址，二进制汇编函数下载到DSP后记录在该地址后。DSP中其他模块只要调用该函数地址就可以实现规划空间到轴空间的转换。

然后，运动控制模块结合同步脉冲与错误控制模块控制运动控制卡内部的运动过程，包括运动的开始、暂定、恢复、停止。运动控制卡内部运动都是在坐标系统下描述的。单一DSP运动控制内坐标系统可能不止一个。当DSP收到PC通过总线接口发过来的多坐标系统同步运动命令时，运动控制模块根据坐标系统定义模块和参数管理模块初始化每个坐标系统的译码模块、插补模块、微插补模块，使能运动标志。PC打开同步脉冲与错误控制模块中的同步脉冲后，实际运动开始。

然后，缓存区管理模块为各个坐标系统开辟缓存区，存储各个坐标系统下的加工代码。

然后，译码模块将加工代码解释成插补模块可以使用的形式。译码模块在同步脉冲与错误控制模块产生的同步译码脉冲作用下，依靠DSP中断机制周期性的执行。在每个译码周期内，译码模块从缓存区管理模块中提取加工代码，加工代码以约定的命令格式存储在缓存区管理模块中。每次提取加工代码中的一行，一行可以包含若干条命令。

然后，插补模块在由同步脉冲与错误控制模块提供的周期性的插补同步脉冲驱动下，利用译码模块提供的译码信息完成加工代码两点之间数据点的插补并通过坐标系统定义模块提供的坐标系统定义将数据点坐标从规划空间转换到轴空间。插补所在空间为位姿空间。插补也是周期性的执行。周期由同步脉冲与错误控制模块提供的插补同步脉冲的周期决定。每次执行一次插补，获得规划空间内的一个位置、姿态值。该值通过坐标系统定义转换为轴空间的值，即各轴的位置值。

然后，微插补模块在由同步脉冲与错误控制模块提供的周期性的微插补同步脉冲驱动下，对插补模块获得的各轴位置值进行不同形式的细分插补并完成伺服更新。微插补过程也是周期性的执行。插补周期与伺服更新周期一致。该周期由同步脉冲与错误控制模块提供的微插补同步脉冲保证。对于具有复杂的轴空间系统，如六关节串联式机器人，插补运算的计算量很大，为保证DSP内其他模块的计算时间，必须取较大插补周期。为满足伺服系统的稳定性，同时提高伺服系统的定位精度，伺服更新周期固定且很小。由于插补周期和伺服周期不匹配，所以伺服系统无法直接利用插补运算的结果。微插补模块可以解决这个问题。微插补模块根据插补周期与伺服更新周期的比值，对插补模块获得的轴位置进行细分插补。当细分数较少时，采用线性细分插补；当细分数较大时，根据轴位置增量两端的速度和位置值，进行三次多项式细分插补，提高微插补的精度。

然后，误差补偿模块利用空走运动时激光定位与测距模块的测量值对工件装夹误差、形状误差进行补偿。在大跨度结构条件下，工件会因为装夹产生空间位置偏差，工件自身也存在形状误差，若直接按理想位置、理想形状切割，切割过程中割炬枪口到工件表面的距离会偏离设定值，会降低切割的质量与加工精度。本发明中，激光传感器固定在割炬的安装座上，割炬在不点火的情况下空走一遍，误差补偿模块利用激光传感器的测量值，计算出加工代码中每个坐标点处的补偿值，该补偿值以加工代码的行号为索引记录在误差补偿模块的缓存区内。实际加工时，将误差补偿值叠加到相应行加工代码坐标点上，按补偿后的加工代码坐标点运动。

然后，同步脉冲与错误控制模块通过其自身发出的多种不同周期的同步脉冲信号同步多块所述DSP运动控制卡内的运动，并接受各DSP运动控制卡运动过程中产生的错误脉冲，对DSP运动控制卡群进行整体错误控制。同步脉冲与错误控制模块在各运动控制模块完成开始运动初始化并使能运动标志后，根据PC的指令，为译码模块、插补模块、微插补模块提供不同周期的同步脉冲。在同步脉冲的作用下，分散在各DSP运动控制卡内的运动将同步执行。在运动过程中，如果某块DSP运动控制卡产生运行错误，该卡内部的状态与错误管理模块将相应的错误标志置位，停止运动，并向同步脉冲与错误控制模块发送信号脉冲，同步脉冲与错误控制模块收到该信号脉冲后，向DSP运动控制卡群内所有的成员发送错误外部中断信号，各成员卡内部的状态与错误管理模块利用该信号设置外部错误标志位，停止运动。

然后，轴驱动与电机模块驱动与电机相连的各机械轴完成直线或旋转运动。

最后，激光定位与测距模块，其作用是测量轴的位置、定位工件的位置。测量轴的位置时，激光传感器安装在空间固定位置上，测量移动轴的位置。海上石油平台钢结构尺寸变化很大，采用激光测量轴的位置可以补偿直线导轨的误差，与光栅尺相比，测量系统柔性提高，成本降低。定位工件的位置，激光传感器固定在割炬的安装座上，按加工代码对工件进行扫描，获得工件表面的位置值，提供给误差补偿模块使用。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种海上石油平台精密切割控制系统，其特征在于，基于PC和DSP运动控制卡群的结构形式，由PC中的模块、DSP运动控制卡内的模块和加工机构中的模块组成；

所述PC中的模块包括人机交互模块、加工参数设置模块、加工过程控制模块、拓扑结构设定模块、加工代码加载模块、系统状态监视模块、运动轨迹显示模块、应用程序接口模块；

所述DSP运动控制卡内的模块包括通信解释模块、初始化模块、状态与错误管理模块、参数管理模块、坐标系统定义模块、缓存区管理模块、运动控制模块、译码模块、插补模块、微插补模块，误差补偿模块；

所述加工机构中的模块包括轴驱动与电机模块、激光定位测距模块；以及独立模块同步脉冲与错误控制模块。

2.如权利要求1所述的海上石油平台精密切割控制系统，其特征在于，若干块相同的所述DSP运动控制卡通过PC总线以及所述通信解释模块组合成DSP运动控制卡群；在所述DSP运动控制卡群的基础上，实现多轴、多坐标系统、多机床或多机器人联动。

3.如权利要求1所述的海上石油平台精密切割控制系统，其特征在于，所述拓扑结构设定模块，根据系统外部模块拓扑结构优化模块的优化结果设定控制系统的拓扑结构，拓扑结构设定模块将系统的拓扑结构分解成多个独立坐标系统后，这些坐标系统被分配至各个所述DSP运动控制卡中；

所述控制系统的拓扑结构包括加工机构各运动单元的相对运动关系，运动单元的几何尺寸，运动单元的组合形式；

所述坐标系统描述了规划空间到轴空间的转换关系，规划空间是指割炬在工件坐标下描述的位置和姿态空间，轴空间由各关节轴的运动构成。

4.如权利要求1所述的海上石油平台精密切割控制系统，其特征在于，所述同步脉冲与错误控制模块，通过其自身发出的多种不同周期的同步脉冲信号同步多块所述DSP运动控制卡内的运动，并接受各所述DSP运动控制卡运动过程中产生的错误脉冲，对所述DSP运动控制卡群进行整体错误控制。

5.如权利要求1所述的海上石油平台精密切割控制系统，其特征在于，所述通信解释模块，与所述PC上应用程序接口模块配合，通过总线接口以约定的通信方式和通信编码建立PC与所述DSP运动控制卡群的通信。

6.如权利要求1所述的海上石油平台精密切割控制系统，其特征在于，所述坐标系统定义模块，结合所述拓扑结构设定模块在所述DSP运动控制卡内部提供一种坐标系统的定义方式。

7.如权利要求1所述的海上石油平台精密切割控制系统，其特征在于，所述插补模块，在由所述同步脉冲与错误控制模块提供的周期性的插补同步脉冲驱动下，利用所述译码模块提供的译码信息完成加工代码两点之间数据点的插补并通过所述坐标系统定义模块提供的坐标系统定义将数据点坐标从规划空间转换到轴空间。

8.如权利要求1所述的海上石油平台精密切割控制系统，其特征在于，所述微插补模块，在由所述同步脉冲与错误控制模块提供的周期性的微插补同步脉冲驱动下，对所述插补模块获得的各轴位置值进行不同形式的细分插补并完成伺服更新。

9.如权利要求1所述的海上石油平台精密切割控制系统，其特征在于，所述误差补偿模块，利用空走运动时激光定位与测距模块的测量值对工件装夹误差、形状误差进行补偿。