CN103197607B - 开放式数控系统中的起点与终点同步方法、伺服驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种开放式数控系统中的起点与终点同步方法，用于对动态时滞进行实时补偿。本发明基于离散几何学与离散运动学，以L分割中的微线段ΔLi(i＝1，...，n)的起点同步与终点同步作为控制目标。本发明通过联动接口向伺服驱动器发送联动命令，对于微线段ΔLi的起点具有简单可靠、高速高精度的同步能力；本发明将位置环的采样周期细分为若干控制周期，根据控制周期中的滞留脉冲或超前时间，实时调整进给速度与控制周期，消除了滞留脉冲产生的坐标轴位置累积误差，从而补偿因动态时滞而产生的轮廓误差，实现微线段ΔLi的终点同步。
Description
技术领域
本发明属先进控制领域，具体涉及开放式数控系统中的一种起点同步与终点同步方法，用于在刀路曲线的实时控制过程中对L分割中的微线段ΔLi(i＝1，...，n)的起点与终点进行实时同步。
背景技术
众所周知，在机械系统的数字控制过程中，所谓实时过程就是控制相关坐标轴联动以合成刀路曲线(Tool Path)。所谓数字控制就是将刀路曲线离散为坐标轴所需要的离散位置信息并以一定的时间间隔发送给伺服驱动器，控制坐标轴的合成位移。
在一般情况下，设联动的坐标轴为X、y、Z、A、B等5轴，刀路曲线为X、y、Z、A、B等5个变量的函数。将X、y、Z、A、B等5个伺服驱动器接收的坐标值增量依时序列为表1。
表1
表1中，时间T被离散分割为n个区间：Δt1，...，Δtn，X、y、Z、A、B等5个变量在Δti内的坐标值增量为ΔXi、Δyi、ΔZi、ΔAi、ΔBi。
ΔLi(i＝1，...，n)称之为刀路曲线的L分割；Δti(i＝1，...，n)称之为刀路曲线的T分割。
L分割用于控制坐标轴产生合成位移；T分割用于控制合成位移之间的时间间隔。
在实时控制过程中，X轴首先进给ΔX1，经过Δt1后再进给ΔX2，直到ΔXn，y、Z、A、B、W、E、H等轴也是如此。因而，Δtn是冗余的，故舍去。另外，为了统一控制步骤，增加Δt0。Δt0与刀路曲线无关，可适当设定。将下标0，1，...，n-1调整为1，...，n。为叙述的方便起见，且有别于插补周期，T分割中的Δti称之为控制节律。
L分割与T分割在存储空间的数字映像称之为联动表与随动表。
申请人的在先发明专利《一种计算机辅助数字控制方法与系统》(发明专利号：ZL 201010536800.7)基于离散几何学与离散运动学，将计算机数字控制CNC(Computer Numerical Control)发展为计算机辅助数字控制CANC(Computer Aided Numerical Control)，采用离散几何规划生成刀路曲线的本征L分割，基于本征L分割采用离散运动规划生成刀路曲线的T分割与L分割；所述L分割用于控制坐标轴联动产生合成位移；所述T分割用于控制所述轴位移之间的时间间隔。
PC系统的核心任务是，将压缩在刀路曲线与进给速度中的数字控制信息解压，制造刀路曲线的关联数据流，也就是规划刀路曲线的L分割与T分割。在数据流关联控制中，L分割的规划过程与T分割的规划过程为非实时过程。
在基于IEEE定义的现有开放式数控系统中，T分割Δti(i＝1，...，n)为实时操作系统的分时周期，是等长的，称之为插补周期。在数据流关联控制中，T分割Δti(i＝1，...，n)不是等长的。L分割与T分割仅取决于刀路曲线的几何特征与坐标轴的运动学/动力学特征，与实时操作系统的分时周期无关。按照不同的控制目的，针对刀路曲线的曲率变化所产生的时变特性，L分割与T分割可以将刀路曲线的几何特征与坐标轴的运动学/动力学特征充分精细化，涉及刀路曲线的非欧化误差、微线段ΔL1，...，ΔLn之间的运动平稳性、加减速控制等，还在L分割中对传动链之间的反向间隙、螺距误差等确定性误差进行补偿。
通过坐标轴联动合成微线段ΔLi，要求所有的坐标轴在ΔLi的起点同时开始进给并在ΔLi的终点同时完成进给，即所有的坐标轴应具有起点同步与终点同步。
时滞是工业过程中固有的特性，是物理系统中的最难控制的动态环节。动态时滞的产生缘于伺服驱动器处于非线性复杂性的内外环境中。机械系统的非线性外部扰动、摩擦力、轴的负载变化、轴的增益与时间常数不匹配等环境不确定性，系统模型的参数与结构的模型不确定性、进给速度与轮廓曲率变化的时变特性都影响时滞，从而改变轴的动态性能，导致坐标轴终点不同步，产生轮廓误差。
综述文献《多轴协调运动中的交叉耦合控制》(《机械设计与制造》，2006年第10期，作者：丛爽，刘宜)评述了处理动态时滞所导致的轮廓误差的交叉耦合控制技术(Cross Coupling Control，CCC)。交叉耦合控制直接以轮廓误差作为控制目标，必须在两个伺服驱动器之间建立耦合关系。对于三轴及三轴以上的多轴系统，交叉耦合控制必然产生组合爆炸，一般只能用于2轴系统。
本发明以L分割中的微线段ΔLi的起点同步与终点同步作为控制目标，为开放式数控系统提出一种起点与终点的同步方法。
发明内容
离散几何学发现，在刀路曲线的实时控制过程中，L分割作为刀路曲线的数字映像，是离散运动中的几何不变量。本发明通过联动接口向伺服驱动器发送联动命令，具有简单可靠、高速高精度的起点同步能力。本发明将位置环的采样周期细分为若干控制周期，根据控制周期中的滞留脉冲λk或超前时间ρk，通过实时调整进给速度与控制周期，消除因动态时滞而产生的坐标轴位置累积误差，从而补偿坐标轴联动时产生的刀路曲线的轮廓误差，实现ΔLi的终点同步。
本发明的技术方案如下。
以X轴为例。
开放式数控系统中的一种起点同步与终点同步方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、建立轴联动表的细分表；
规划刀路曲线的L分割ΔLi(i＝1，...，n)与T分割Δti(i＝1，...，n)，生成X轴的轴联动表ΔXi(i＝1，...，n)；所述轴联动表中的微线段ΔXi用于控制X轴产生轴位移，所述轴联动表中的控制节律Δti用于控制所述轴位移之间的时间间隔；
将微线段ΔXi细分为步进量δXk，所述步进量∑δXk＝ΔXi(k＝1，...，mi，i＝1，...，n)，所述mi为δXk的个数，mi≥2；
将控制节律Δti细分为控制周期δtk，细分为控制周期δtk，所述控制周期∑δtk＝Δti(k＝1，...，mi，i＝1，...，n)；
将mi、δtk、δXk组成微线段ΔXi的细分表(mi，δtk，δXk)，存入X轴的轴联动表文件；
步骤2，接收轴联动表
X轴伺服驱动器通过串行接口从上位机接收轴联动表文件并存储在文件存储器中；将轴联动表的首地址写入L指针，设置执行标志；
步骤3，起点同步
起点同步模块通过联动接口从上位机接收联动命令；所述联动命令为同步脉冲，用于起点同步；
根据L指针，文件读取模块从所述ΔXi的细分表中读取mi写入M计数器；读取δXk写入位置环计数器，读取δtk写入控制周期计时器，启动控制周期；
步骤4，终点同步
对于微线段ΔXi的每个步进量δXk(k＝1，...，mi)，终点同步模块根据滞留脉冲λk或超前时间ρk，同时或单独调整进给速度、控制周期，用于终点同步；
读入细分表中下一个δXk，δtk，直至M计数器为0；
步骤5，控制轴联动表终点
如果L指针未指向轴联动表的末地址，则重复步骤3至步骤4，直至轴联动表中的ΔXi(i＝1，...，n)全部执行完毕。
进一步地，所述开放式数控系统中的起点同步与终点同步方法，其特征在于：所述步骤1中，步进量为L分割分量的微步。
进一步地，所述开放式数控系统中的起点同步与终点同步方法，其特征在于：所述步骤4中，终点同步模块调整进给速度的方式为：若控制周期计时器定时到，如果λk≠0，X轴滞后，继续进给，直至λk＝0，根据k1λk实时调整速度环给定值；如果λk＝0且ρk≠0，X轴超前，根据k2ρk实时调整速度环给定值，其中k1、k2为经验参数。
进一步地，所述开放式数控系统中的起点同步与终点同步方法，其特征在于：所述步骤4中，终点同步模块调整控制周期的方式为：若控制周期计时器定时到，如果λk≠0，X轴滞后，继续进给，直至λk＝0，将k3λk写入时滞补偿定时器D，实时调整下一个控制周期δtk提前k3λk启动；如果λk＝0且ρk≠0，X轴超前，将k4ρk写入时滞补偿定时器D，实时调整下一个控制周期δtk延迟k4ρk启动；其中k3、k4为经验参数。
进一步地，所述开放式数控系统中的起点同步与终点同步方法，其特征在于：步骤2后还包括以下步骤：
步骤201、逻辑属性设置步骤
文件读取模块从所述文件存储器读取轴联动表文件的特征表，设置坐标轴的逻辑属性；所述逻辑属性包括进给当量、数据的字节数；
步骤202、伺服参数设置步骤
文件读取模块从所述文件存储器读取轴联动表文件的伺服参数调整表，设置并调整伺服参数；所述伺服参数包括位置环比例系数、速度环比例系数、速度环积分常数、速度前馈系数、加速度前馈系数、电子齿轮传动比中的一个或多个。
一种伺服驱动器，其特征在于，包括PID控制器，联动接口，串行接口，文件读取模块，起点同步模块，终点同步模块；
PID控制器中包括位置环、速度环、电流环，用于控制伺服电机的转角；
文件存储模块通过串行接口与上位机连接，用于接收并存储上位机发送的轴联动表；将轴联动表的首地址写入L指针，设置执行标志；
所述轴联动表文件用于存储X轴的轴联动表ΔXi(i＝1，...，n)及其细分表(mi，δtk，δXk)，所述ΔXi用于控制X轴的轴位移，所述δtk为Δti按mi细分后的控制周期，所述δXk为ΔXi按mi细分后的步进量；所述mi为δXk的个数；
所述轴联动表还包括特征表与伺服参数调整表；所述特征表用于标记坐标轴的逻辑属性，所述逻辑属性包括进给当量、数据的字节数；所述伺服参数调整表用于标记伺服参数的调整方向与调整量，所述伺服参数包括位置环比例系数、速度环比例系数、速度环积分常数、速度前馈系数、加速度前馈系数、电子齿轮传动比中的一个或多个；
所述文件读取模块用于从所述细分表中读取步进量与控制周期，从所述特征表与伺服参数调整表中读取进给当量、数据的字节数，设置坐标轴的逻辑属性；从所述伺服参数调整表中读取位置环比例系数、速度环比例系数、速度环积分常数、速度前馈系数、加速度前馈系数、电子齿轮传动比，设置并调整伺服参数；
所述起点同步模块用于通过所述联动接口接收数据流控制器发送的联动命令；所述联动命令为一个同步脉冲，用于起点同步；根据L指针，从所述细分表中读取mi写入M计数器；读取δXk写入位置环计数器，启动位置环的采样周期；读取δtk写入控制周期计时器，启动位置环的控制周期；
所述终点同步模块根据滞留脉冲λk或超前时间ρk，同时或单独调整进给速度、控制周期，用于终点同步。
进一步地，所述一种伺服驱动器，其特征在于，串行接口包括现场总线、RS232与RS485接口、USB接口、移动存储器或无线接口。
本发明与现有技术对比所具有的有益效果是：
1、高性能伺服驱动器是高速高精度加工的基础技术，L分割中的微线段ΔLi的起点同步与终点同步是数字控制的核心技术。
在基于IEEE定义的现有技术中，数控系统通过现场总线与伺服驱动器连接，微线段ΔLi的起点同步取决于现场总线的周期通信中极为复杂的同步机制。周期通信中过于复杂的起点同步机制是导致起点不同步并进而产生轮廓误差的一个重要因素。
本发明基于数据流关联控制，伺服驱动器通过实时联动接口和非实时串行接口与上位机连接。在刀路曲线的加工过程中，伺服驱动器通过联动接口接收数据流控制器发送的联动命令。在发送端，联动接口类似按控制节律Δti(i＝1，...，n)不断地单向传输状态字的并行接口；在接收端，一个伺服驱动器分别与联动接口的一个数据位连接，类似一根中断控制线。
所述联动接口具有简单可靠的、高速高精度多轴实时同步能力。对于联动坐标轴中的每个坐标轴来说，本发明中的控制节律Δti(i＝1，...，n)提供了一个统一的标准时钟，以极其简单的技术手段实现了微线段ΔLi的起点同步。
2、微线段ΔLi的终点同步取决于动态时滞。
动态时滞导致坐标轴的位置累积误差。多轴联动时，每个坐标轴的位置累积误差合成后形成的轮廓误差是影响加工精度的主要因素，在高速加工时尤为显著。
在数字技术中，时间控制是最简单的。在基于IEEE定义的开放式数控系统中，时间被插补周期锁定为系统参数，不是一个自由变量，现有技术只能直接以轮廓误差作为控制目标，采用交叉耦合控制实现微线段ΔLi的终点同步。
交叉耦合控制必须在伺服驱动器之间建立相互的耦合关系。对于3轴及3轴以上的多轴系统，交叉耦合控制必然产生组合爆炸等非线性复杂性，一般只能用于2轴系统。
本发明基于数据流关联控制，时间成为一个自由变量，在位置环的采样周期中设置控制周期，根据控制周期中的滞留脉冲λk或超前时间ρk，实时调整进给速度与控制周期，消除了滞留脉冲产生的坐标轴位置累积误差，从而补偿因动态时滞而产生的轮廓误差，实现微线段ΔLi的终点同步。
本发明所提出的终点同步方法具有简单、维护调整方便等显著优点。
3、本发明以轴的动态时滞作为控制目标，从而将联动坐标轴解耦，避免了交叉耦合所产生的组合爆炸及其非线性复杂性，可用于3轴及3轴以上的多轴系统。
4、在基于IEEE定义的现有技术中，交叉耦合控制等时滞处理技术依赖通过系统辨识、建立数学模型与误差方程，导致现有伺服驱动器成为所谓的专家型系统，即只有精通现代控制理论且实际经验丰富的专家才能开发的系统，用户无法进行二次开发，从而完全丧失了开放性。
在本发明中，细分表中的mi，δtk，δXk，可在PC上通过计算机辅助数字控制方法非实时地予以精细规划。因而，本发明所提出的起点同步与终点同步方法是完全开放的。
附图说明
图1为开放式数控系统的基于控制流程的过程模型图；
图2为起点同步与终点同步方法的控制流程示意图。
具体实施方式
数据流关联控制按照数字控制信息的生成、分配、发送、执行的控制流程配置控制资源。开放式数控系统的控制流程划分为数字控制信息生成过程、数字控制信息分配过程、数字控制信息发送过程与数字控制信息执行过程等四个子过程，其体系结构解耦为数字控制信息生成部件、数字控制信息分配部件、数字控制信息发送部件、数字控制信息执行部件等四个功能部件。
按照联动的坐标轴，将L分割ΔLi(ΔXi、Δyi、ΔZi、ΔAi、ΔBi)按ΔXi、Δyi、ΔZi、ΔAi、ΔBi分离为5个独立的轴联动表，例如，关于ΔXi(i＝1，...，n)的X轴联动表，关于Δyi(i＝1，...，n)的y轴联动表，等等。进而，如果将X、y、Z、A、B等5个坐标轴的轴联动表事先分配给X、y、Z、A、B等运动控制系统，轴联动表的分配过程则转化为非实时过程。
图1为开放式数控系统的基于控制流程的过程模型图，其中实线表示实时过程，虚线表示非实时过程。过程模型图极为清晰地描述了开放式数控系统的体系结构，揭示了在不同的控制流程中合理配置控制资源的技术方案与关键技术。
数字控制信息生成部件为基于PC的CANC。
数字控制信息发送部件简称为数据流控制器，用于发送联动命令。
所述数据流控制器配置了用于数字控制的嵌入式实时操作系统NCOS(NC Operating System)。所述NCOS包括文件读取模块与开放式实时内核；所述文件读取模块用于读取状态字、随动表等标准化文件；所述NCOS用于产生联动命令。
数字控制信息分配部件或嵌入CANC或嵌入数据流控制器。数据流控制器亦可嵌入CANC。
数字控制信息分配过程非实时化后，在刀路曲线的实时控制过程中，为控制相关坐标轴进行联动，数据流控制器只须按照状态字指定的坐标轴向相关伺服驱动器发送同步脉冲。为叙述简单起见，将状态字控制下的这组同步脉冲称之为联动命令。
这样一来，所谓刀路曲线的实时控制过程，就是开放式实时内核按照随动表中的控制节律Δti(i＝1，...，n)，在状态字的控制下，向相关伺服驱动器单向发送联动命令；相关伺服驱动器只须跟随联动命令，将其轴联动表中的坐标值增量逐次写入位置环，驱动相应坐标轴联动产生合成位移。
随动表中设置状态字，用于标识该刀路曲线中联动的坐标轴。状态字为一个字节，字节的位数可以为32、16、8。例如，8位状态字可指定8个联动的坐标轴。从低位到高位，状态字的每位控制一个坐标轴的使能状态及数据通道。例如，状态字″11100000″指定X、y、Z等3轴、状态字″00011000″指定A、B等2轴。状态字的位数与个数为用户参数。
伺服驱动器通过串行接口接收数控系统发送的轴联动表。所述串行接口可以是任何标准串行接口，包括现场总线、RS232与RS485接口、USB接口、移动存储器、无线接口等。
伺服驱动器通过联动接口接收数据流控制器发送的联动命令。在发送端，联动接口类似按控制节律Δti(i＝1，...，n)不断地单向传输状态字的并行接口；在接收端，一个伺服驱动器分别与联动接口的一个数据位连接，类似一根中断控制线。
文件系统是在磁盘上组织文件的方法。例如，FAT(File AllocationTable)是一种广泛使用的标准文件系统。
在本发明中，轴联动表文件采用符合FAT等标准文件系统的标准文件格式，可以携带加工刀路曲线所需要的全部数字控制信息。伺服驱动器设置一个文件存储器用于接收并存储轴联动表文件，并配置文件读取模块，用于读取轴联动表文件中的控制信息。
轴联动表文件中设置轴联动表与特征表。
轴联动表用于存储坐标轴的L分割分量即坐标轴的坐标值增量，控制坐标轴产生轴位移。例如，X轴联动表存储X轴的L分割分量即ΔXi(i＝1，...，n)。
特征表用于标识微线段ΔLi中该坐标轴的逻辑属性；坐标轴的逻辑属性包括进给当量(纳米、微米等)、数据所占的字节数、电子齿轮传动比等。因此，在一次加工过程中，允许每个坐标轴具有不同的进给当量、不同的数据字节数、不同的电子齿轮传动比，以适应高速高精度加工的需要。
伺服驱动器采用PID控制，由位置环、速度环、电流环构成。电流环为内环，位置环与速度环为外环。伺服参数通常包括位置环比例系数、速度环比例系数、速度环积分常数、速度前馈系数、加速度前馈系数、电子齿轮传动比等。
在每个轴联动表文件中还设置伺服参数调整表，针对每个需要调控的微线段ΔXi，调整表用于标识上述伺服参数的调整方向与调整量。用户在使用过程中，经过反复试凑，针对具体控制对象完善具体环境中的调整量。
伺服驱动器接收联动表文件后进行初始化，包括：根据特征表设置轴的逻辑属性，根据伺服参数调整表设置伺服参数，将轴联动表的首地址写入L指针，设置执行标志等。
伺服驱动器接收联动命令后，跟随联动命令，根据L指针从轴联动表中读取微线段ΔXi，写入位置环，驱动坐标轴进给；L指针加1，直至轴联动表的终点(L指针等于轴联动表的末地址)，关闭执行标志，准备执行下一条刀路曲线的轴联动表。
同步机制是数字控制的基础技术之一，对于多轴联动，高速高精度的同步机制尤为重要。
在刀路曲线的实时控制过程中，存在两种同步。
定义1、起点同步
进给微线段ΔLi时，如果所有参入联动的坐标轴同时开始进给，这些联动坐标轴称之为起点同步的。
定义2、终点同步
进给微线段ΔLi时，如果所有参入联动的坐标轴同时到达终点，这些联动坐标轴称之为终点同步的。
在刀路曲线的实时控制过程中，通过坐标轴联动合成微线段ΔLi，要求所有参入联动的坐标轴同时满足起点同步与终点同步。
本发明提出开放式数控系统中的一种起点同步与终点同步方法，其技术原理如下。
第一、坐标轴运动速度的不连续性。
加工曲线时，坐标轴的运动速度必然产生跳变，导致坐标轴运动速度的不连续性，这是离散运动学的基本特征之一。
例如，将曲线离散为微线段ΔL1，...，ΔLn。在微线段ΔL1，...，ΔLn之间，坐标轴的进给速度必然产生跳变。
不仅如此，在加工过程中，各个坐标轴的跳变值差异很大。
联动轴的进给量小于主动轴的进给量，联动轴进给速度的跳变值则必然大于主动轴进给速度的跳变值。
以第1象限第1区间的逆圆为例。从起点到特征点(其坐标为 )，对于每条微线段ΔLi，联动轴X的进给速度从0逐渐增加到0.7F，其进给速度的总改变量大致为0.7F。主动轴Y的进给速度则从F逐渐减小到0.7F，其进给速度的总改变量大致为0.3F。因此，联动轴X进给速度的总改变量大致是主动轴Y进给速度的总改变量的2.3倍。
坐标轴进给速度的跳变不仅影响坐标轴的运动平稳性，更值得注意的是，主动轴进给速度的跳变值与联动轴进给速度的跳变值之间的显著差异是导致坐标轴不同步的重要因素之一。
第二、刀路曲线的数字映像在离散运动中的几何不变量。
离散几何学研究刀路曲线的数字映像在离散运动中的几何不变量，发明人发现，其中两个最基本的几何不变量是：
1、在步进型关联数据流中，联动轴数据流是关于主动轴数据流的离散分布。在刀路曲线的实时控制过程中，联动轴数据流的离散分布是离散运动中的几何不变量。
特别是，对于直线，联动轴数据流的离散分布是周期分布，其周期也是离散运动中的几何不变量。
在基于IEEE定义的现有开放式数控系统中，插补迭代控制方法往往产生″空穴″、对角包等冗余信息，破坏了联动轴数据流的离散分布与周期性。
2、在增量型关联数据流中，L分割是离散运动中的几何不变量。
工件轮廓纯粹是一个几何问题，刀路曲线也纯粹是一个几何问题。在满足运动学/动力学约束的条件下，离散几何规划的本质是获得L分割以消除离散运动产生的工件轮廓的非欧误差。
对于步进型关联数据流，所有参入联动的坐标轴要么进给一个进给当量，要么不进给。因而，在刀路曲线的实时控制过程中，起点同步与终点同步是步进型关联数据流的内在属性。
对于增量型关联数据流，通过坐标轴联动合成微线段ΔLi，在离散运动中，要求所有参入联动的坐标轴同时满足起点同步与终点同步。进给速度则是一个效率问题，仅与工艺师所制定的加工工艺和机电系统的运动学/动力学特征有关。L分割与T分割之间不存在耦合关系，L分割决定刀路曲线的几何特征，T分割决定加工质量与加工效率。因而，在刀路曲线的实时控制过程中，L分割作为刀路曲线的数字映像，是离散运动中的几何不变量。
在运动学/动力学约束的条件下，离散运动规划的本质是最大程度地提高坐标轴运动的平稳性与加工效率，就加工质量与加工效率进行平衡。
在基于IEEE定义的现有开放式数控系统中，时间被插补周期锁定为系统参数，不再是变量。插补迭代控制将时间与刀路曲线的几何结构强相关，从而将时间、空间、工艺要求、机电系统的运动学/动力学特征全部紧密耦合在一起。由于时间被插补周期锁定，不是变量，调整进给速度时必须同时调整L分割与T分割。插补周期破坏了L分割的不变性，从而导致刀路曲线的实时控制过程复杂化。
第三、走停过程是数字控制的内在属性。
在数字控制中，坐标轴的运动是离散运动，如同电影、电视一样，在微观上，是一种走走停停的动态过程。
因而，本发明提出步进量的概念。
所谓步进量，可视为广义的步进脉冲，即1个或多个脉冲。步进量是一个不可分割的整体，在走停过程中，走的步距为1个或多个脉冲当量。
根据上述技术原理，本发明对伺服驱动器的位置模式进行改进，以L分割中的微线段ΔLi的起点同步与终点同步作为控制目标。
在基于IEEE定义的现有开放式数控系统中，通过现场总线连接伺服驱动器与数控系统，依靠周期通信中的极为复杂的同步机制实现起点同步，过于复杂的起点同步机制反而成为产生多轴不同步的一个重要因素。
在本发明中，伺服驱动器通过联动接口接收开放式实时内核发送的联动命令，对于微线段ΔLi的起点同步，具有高速高精度的多轴实时同步能力。
微线段ΔLi的终点同步涉及动态时滞。在影响态时滞的诸多复杂因素中，摩擦力与切削力的变化产生坐标轴的负载变化，导致坐标轴进给速度的变化，这是产生动态时滞的主要原因。交叉耦合是现有技术实现微线段ΔXi的终点同步的基本手段。
本发明实现微线段ΔLi的终点同步的具体方式如下。
在基于IEEE定义的现有开放式数控系统中，伺服驱动器跟随插补周期，通过现场总线接收坐标值增量与同步命令，启动采样周期，将坐标值增量写入位置环，计算速度环给定值并写入速度环，计算电流环给定值并写入电流环环，驱动坐标轴进给。位置环的一个采样周期中产生的位置误差只能累加到下一个采样周期，进而逐步累积成为位置累积误差。在这里，采样周期是固定的，等于或大于插补周期。
本发明基于数据流关联控制，伺服驱动器通过联动接口接收联动命令，启动采样周期，根据L指针从轴联动表中读取微线段ΔXi，写入位置环，计算速度环给定值并写入速度环，计算电流环给定值并写入电流环环，驱动坐标轴进给。在这里，采样周期不是固定的，因控制节律Δti而变。
设坐标轴为X轴，微线段ΔXi(i＝1，...，n)为其L分割分量，相应的已规划进给速度为ΔXi/Δti(i＝1，...，n)。由于L分割是离散运动中的几何不变量，ΔXi也是不变量，且ΔXi＝Fi，x×Δti。
将ΔXi细分。
为了实时检测动态时滞，本发明将位置环的采样周期细分为若干控制周期，伺服驱动器在一个采样周期中对微线段ΔXi实施位置控制时，在控制周期中实时检测动态时滞，并根据控制周期中的滞留脉冲或超前时间，对进给速度与控制周期进行实时调整，从而对采样周期中产生的坐标轴位置误差进行实时补偿，实现ΔLi的终点同步。
将ΔXi细分为mi段：
∑δXk＝ΔXi，k＝1，...，mi，mi≥2；
δXk称之为ΔXi的步进量。
相应地，Δti也细分为mi段：
∑δtk＝Δti，k＝1，...，mi。
δtk称之为Δti的控制周期。
对于所有的微线段ΔXi(i＝1，...，n)，
(mi，δtk，δXk)，k＝1，...，mi
称之为ΔXi的细分表。
位置环作为比例控制环节，不存在位置超调，只存在位置滞后。
在δtk期间，X轴应进给δXk。控制周期计时器定时到，如果反馈检测的实时进给量为δXk′，小于δXk，位置环计数器存在残留值δXk-δXk′。这就表明，负载较大，动态时滞导致X轴在进给δXk时的实际进给速度Fi，x′过低，X轴位置滞后。
δXk-δXk′称之为滞留脉冲，表现为位置误差，以λk表之。
实际进给速度Fi，x′＝(δXk-λk)/δtk过低，进给速度应提速，其增量为正值：λk/δtk。
λk/Fi，x称之为滞后时间，以τk表之。
X轴不存在位置超调，却可能存在时间超前。
X轴进给δXk完毕后，λk＝0，如果δtk仍未结束，控制周期计时器中的实际值为δtk′，小于δtk，产生时间超前误差δtk-δtk′。这就表明，负载较小，动态时滞导致X轴在进给δXk时的实际进给速度Fi，x′过高，X轴时间超前。
δtk-δtk′称之为超前时间，以ρk表之。超前时间表现为X轴″暂停”时间过长。
实际进给速度Fi，x′＝δXk/(δtk-ρk)过高，进给速度应减速，其增量为负值：Fi，x-(δXk/δtk′)。
X轴进给微线段ΔXi时，按照控制周期δtk分mi次将δXk写入位置环。控制周期计时器定时到，实时检测进给δXk时的状态是位置滞后还是时间超前，从实时调整进给速度与控制周期两方面来补偿动态时滞导致的位置误差。
1)、实时调整进给速度
X轴进给微线段ΔXi时，在位置环的一个采样周期中，按照控制周期δtk分mi次将δXk写入位置环。控制周期计时器定时到，实时检测进给δXk时的状态是位置滞后还是时间超前，实时调整进给速度，补偿动态时滞导致的位置误差。
动态时滞是个性化的随机变量，取决于以负载变化为主的许多非线性的内外环境因素，与特定的机电系统与具体的加工过程密不可分。因而，上述进给速度的正增量λk/δtk与负增量Fi，x-(δXk/δtk′)、滞后时间λk/Fi，x，虽然与滞留脉冲λk、超前时间ρk强相关，却只是理想状态下的理论估计值。在工程技术上，对于这些个性化的非线性随机变量，通常采用经验参数进行线性修正。
设δtk为控制周期，δtk′为进给δXk′实际耗费的时间，λk为滞留脉冲，τk为滞后时间，ρk为超前时间。
若X轴滞后，控制周期δtk定时到，位置环计数器不为0，λk≠0，继续进给，直至λk＝0。由于τk很小，设k1λk为进给速度正增量修正值，根据k1λk调整速度环给定值。
若X轴超前，位置环计数器为0，λk＝0，控制周期δtk仍未结束，此时控制周期计时器之值即δtk′，由此可得到超前时间ρk＝δtk-δtk′。由于ρk很小，设k2ρk为进给速度负增量修正值，根据k2ρk调整速度环给定值。
k1、k2均为经验参数，与具体控制对象的具体环境有关，用户在使用过程中，经过反复试凑，针对具体控制对象的具体环境予以设定。
以进给ΔX1为例，说明调整速度前馈实时补偿动态时滞的过程。
δt1发出定时信息，检测滞留脉冲λ1。
如果λ1≠0，X轴滞后，继续进给，直至λ1＝0；根据k1λ1调整速度环给定值。
如果λ1＝0且ρ1≠0，X轴超前，根据k2ρ1调整速度环给定值。
如此，经过m1个控制周期后，最终消除在采样周期中进给ΔX1时动态时滞所产生的位置误差。
2)、实时调节控制周期
在位置环的一个采样周期中，时间的分配并非只用于位置环、速度环、电流环的控制任务，还包括其他辅助任务，如监测外部与内部状态等。采样周期中这些用于辅助任务的时间成为″暂停”时间的一部分。
实时调节控制周期指的是，在伺服驱动器实施位置控制时，实时调节控制周期δtk之间的时间间隔，即走停过程中的″暂停”时间。
对于微线段ΔLi的步进型关联数据流来说，联动轴数据流的离散分布是离散运动中的几何不变量，其周期也是离散运动中的几何不变量。设X轴为联动轴，按照ΔXi的周期将ΔXi进一步细分，例如，ΔXi的周期为3，则按3的整倍数(3、6、9等)细分。如此细分后得到的坐标值增量称之为微步。
由微步构成的刀路曲线的数字映像称之为微步型关联数据流。
微线段ΔLi微步化之后，坐标轴在控制周期δtk内的进给量相等，消除了因进给量不同而产生的影响。
X轴进给微线段ΔXi时，按照控制周期δtk分mi次将δXk写入位置环。控制周期δtk定时到，实时检测进给δXk时的状态是位置滞后还是时间超前，实时调整控制周期补偿动态时滞导致的位置误差。
设δtk为控制周期，δtk′为进给δXk′实际耗费的时间，λk为滞留脉冲，τk为滞后时间，ρk为超前时间。
若X轴滞后，控制周期计时器定时到，位置环计数器不为0，λk≠0，继续进给，直至λk＝0。由于τk很小，设k3λk为滞后时间修正值，将k3λk写入时滞补偿定时器D，控制下一个控制周期提前k3λk启动，也就是根据λk实时调整下一个步进量写入位置环的时间间隔。
若X轴超前，位置环计数器为0，λk＝0，控制周期δtk仍未结束，此时控制周期计时器之值即δtk′，由此可得到超前时间ρk＝δtk-δtk′。由于ρk很小，设k4ρk为超前时间修正值，将k4ρk写入时滞补偿定时器D，控制下一个控制周期延迟k4ρk启动。
K3、k4均为经验参数，与具体控制对象的具体环境有关，用户在使用过程中，经过反复试凑，针对具体控制对象的具体环境予以设定。
以进给ΔX1为例，说明采用步进量实时补偿动态时滞的过程。
δt1发出定时信息，检测滞留脉冲λ1。
如果滞留脉冲λ1≠0，X轴滞后，继续进给，直至λ1＝0；将k3λ1写入时滞补偿定时器D，控制δt2提前k3λ1启动。
如果滞留脉冲λ1＝0，X轴超前，将k4ρ1写入时滞补偿定时器D，控制δt2延迟k4ρ1启动。
如此，经过m1个控制周期后，最终消除在采样周期中进给ΔX1时动态时滞所产生的位置误差。
基于上述技术方案，本发明为开放式数控系统提出一种起点与终点的同步方法。
以X轴为例，图2为其控制流程示意图，具体技术方案包括以下步骤。
步骤1、建立轴联动表的细分表；
规划刀路曲线的L分割ΔLi(i＝1，...，n)与T分割Δti(i＝1，...，n)，生成X轴的轴联动表ΔXi(i＝1，...，n)；所述轴联动表中的控制节律Δti用于控制所述轴位移之间的时间间隔；
将微线段ΔXi细分为步进量δXk，所述步进量∑δXk＝ΔXi(k＝1，...，mi，i＝1，...，n)，所述mi为δXk的个数，mi≥2；
将控制节律Δti细分为控制周期δtk，所述控制周期∑δtk＝Δti(k＝1，...，mi，i＝1，...，n)；
将mi、δtk、δXk组成微线段ΔXi的细分表(mi，δtk，δXk)，存入X轴的轴联动表文件；
步骤2，接收轴联动表
X轴伺服驱动器通过串行接口从上位机接收轴联动表文件并存储在文件存储器中；将轴联动表的首地址写入L指针，设置执行标志；
步骤3，起点同步
起点同步模块通过联动接口从上位机接收联动命令；所述联动命令为同步脉冲，用于起点同步；
根据L指针，文件读取模块从所述ΔXi的细分表中读取mi写入M计数器；读取δXk写入位置环计数器，读取δtk写入控制周期计时器，启动控制周期；
步骤4，终点同步
对于微线段ΔXi的每个步进量δXk(k＝1，...，mi)，终点同步模块根据滞留脉冲λk或超前时间ρk，实时调整进给速度、控制周期，用于终点同步；
读入细分表中下一个δXk，δtk，直至M计数器为0；
步骤5，控制轴联动表终点
如果L指针未指向轴联动表的末地址，则重复步骤3至步骤4，直至轴联动表中的ΔXi(i＝1，...，n)全部执行完毕。
步骤1中，步进量为L分割分量的微步。
步骤4中，终点同步模块调整进给速度的方式为：若控制周期计时器定时到，如果λk≠0，X轴滞后，继续进给，直至λk＝0，根据k1λk实时调整速度环给定值；如果λk＝0且ρk≠0，X轴超前，根据k2ρk实时调整速度环给定值，其中k1、k2为经验参数。
步骤4中，终点同步模块调整控制周期的方式为：若控制周期计时器定时到，如果λk≠0，X轴滞后，继续进给，直至λk＝0，将k3λk写入时滞补偿定时器D，实时调整下一个控制周期δtk提前k3λk启动；如果λk＝0且ρk≠0，X轴超前，将k4ρk写入时滞补偿定时器D，实时调整下一个控制周期δtk延迟k4ρk启动；其中k3、k4为经验参数。
步骤2后还包括以下步骤：
步骤201、逻辑属性设置步骤
文件读取模块从所述文件存储器读取轴联动表文件的特征表，设置坐标轴的逻辑属性；所述逻辑属性包括进给当量、数据的字节数；
步骤202、伺服参数设置步骤
文件读取模块从所述文件存储器读取轴联动表文件的伺服参数调整表，设置并调整伺服参数；所述伺服参数包括位置环比例系数、速度环比例系数、速度环积分常数、速度前馈系数、加速度前馈系数、电子齿轮传动比中的一个或多个。
本发明为开放式数控系统提出一种伺服驱动器，其特征在于，包括PID控制器，联动接口，串行接口，文件读取模块，起点同步模块，终点同步模块；
PID控制器中包括位置环、速度环、电流环，用于控制伺服电机的转角；
文件存储模块通过串行接口与上位机连接，用于接收并存储上位机发送的轴联动表；将轴联动表的首地址写入L指针，设置执行标志；
轴联动表文件用于存储X轴的轴联动表ΔXi(i＝1，...，n)及其细分表(mi，δtk，δXk)，所述ΔXi用于控制X轴的轴位移，所述δtk为Δti按mi细分后的控制周期，所述δXk为ΔXi按mi细分后的步进量；所述mi为δXk的个数；
轴联动表还包括特征表与伺服参数调整表；所述特征表用于标记坐标轴的逻辑属性，所述逻辑属性包括进给当量、数据的字节数；所述伺服参数调整表用于标记伺服参数的调整方向与调整量，所述伺服参数包括位置环比例系数、速度环比例系数、速度环积分常数、速度前馈系数、加速度前馈系数、电子齿轮传动比中的一个或多个；
文件读取模块用于从所述细分表中读取步进量与控制周期，从所述特征表与伺服参数调整表中读取进给当量、数据的字节数，设置坐标轴的逻辑属性；从所述伺服参数调整表中读取位置环比例系数、速度环比例系数、速度环积分常数、速度前馈系数、加速度前馈系数、电子齿轮传动比，设置并调整伺服参数；
起点同步模块用于通过所述联动接口接收数据流控制器发送的联动命令；所述联动命令为一个同步脉冲，用于起点同步；根据L指针，从所述细分表中读取mi写入M计数器；读取δXk写入位置环计数器，启动位置环的采样周期；读取δtk写入控制周期计时器，启动位置环的控制周期；
终点同步模块根据滞留脉冲λk或超前时间ρk，同时或单独调整进给速度、控制周期，用于终点同步。
串行接口包括现场总线、RS232与RS485接口、USB接口、移动存储器或无线接口。
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 (8)
1.一种开放式数控系统中的起点与终点同步方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、建立轴联动表的细分表；
规划刀路曲线的L分割△Li(i＝1,…,n)与T分割△ti(i＝1,…,n)，生成X轴的轴联动表△Xi(i＝1,…,n)；所述轴联动表中的微线段△Xi用于控制X轴产生轴位移，所述轴联动表中的控制节律△ti用于控制所述轴位移之间的时间间隔；
将微线段△Xi细分为步进量δXk，所述步进量∑δXk＝△Xi(k＝1,…,mi，i＝1,…,n)，所述mi为δXk的个数，mi≥2；
将控制节律△ti细分为控制周期δtk，所述控制周期∑δtk＝△ti(k＝1,…,mi，i＝1,…,n)；
将mi、δtk、δXk组成微线段△Xi的细分表(mi，δtk，δXk)，存入X轴的轴联动表文件；
步骤2、接收轴联动表
X轴伺服驱动器通过串行接口从上位机接收轴联动表文件并存储在文件存储器中；将轴联动表的首地址写入L指针，设置执行标志；
步骤3、起点同步
起点同步模块通过联动接口从上位机接收联动命令；所述联动命令为同步脉冲，用于起点同步；
根据L指针，文件读取模块从所述微线段△Xi的细分表中读取mi写入M计数器；读取δXk写入位置环计数器，读取δtk写入控制周期计时器，启动控制周期；
步骤4、终点同步
对于微线段△Xi的每个步进量δXk(k＝1,…,mi)，终点同步模块根据滞留脉冲λk或超前时间ρk，同时或单独调整进给速度、控制周期，用于终点同步；
读入细分表中下一个δXk，δtk，直至M计数器为0；
步骤5、控制轴联动表终点
如果L指针未指向轴联动表的末地址，则重复步骤3至步骤4，直至轴联动表中的△Xi(i＝1,…,n)全部执行完毕。
2.如权利要求1所述的开放式数控系统中的起点与终点同步方法，其特征在于：所述步骤1中，所述步进量δXk为L分割分量的微步。
3.如权利要求1所述的开放式数控系统中的起点同步与终点同步方法，其特征在于，所述步骤4中终点同步模块调整进给速度的方式为：
若控制周期计时器定时到，如果λk≠0，X轴滞后，继续进给，直至λk＝0，根据k1λk实时调整速度环给定值；如果λk＝0且ρk≠0，X轴超前，根据k2ρk实时调整速度环给定值；其中k1、k2为经验参数。
4.如权利要求1所述的开放式数控系统中的起点与终点同步方法，其特征在于，所述步骤4中终点同步模块调整控制周期的方式为：
若控制周期计时器定时到，如果λk≠0，X轴滞后，继续进给，直至λk＝0，将k3λk写入时滞补偿定时器D，实时调整下一个控制周期δtk提前k3λk启动；如果λk＝0且ρk≠0，X轴超前，将k4ρk写入时滞补偿定时器D，实时调整下一个控制周期δtk延迟k4ρk启动；其中k3、k4为经验参数。
5.如权利要求3或4所述的开放式数控系统中的起点与终点同步方法，其特征在于，步骤2后还包括以下步骤：
步骤201、逻辑属性设置步骤
文件读取模块从所述文件存储器读取轴联动表文件的特征表，设置坐标轴的逻辑属性；所述逻辑属性包括进给当量、数据的字节数；
步骤202、伺服参数设置步骤
文件读取模块从所述文件存储器读取轴联动表文件的伺服参数调整表，设置并调整伺服参数；所述伺服参数包括位置环比例系数、速度环比例系数、速度环积分常数、速度前馈系数、加速度前馈系数、电子齿轮传动比中的一个或多个。
6.一种伺服驱动器，其特征在于，包括PID控制器，联动接口，串行接口，文件读取模块，起点同步模块，终点同步模块；
所述PID控制器中包括位置环、速度环、电流环，用于控制伺服电机的转角；
所述文件存储模块通过串行接口与上位机连接，用于接收并存储上位机发送的轴联动表；将轴联动表的首地址写入L指针，设置执行标志；
所述轴联动表文件用于存储X轴的轴联动表△Xi(i＝1,…,n)及其细分表(mi，δtk，δXk)，所述△Xi用于控制X轴的轴位移，所述δtk为△ti按mi细分后的控制周期，所述δXk为△Xi按mi细分后的步进量；所述mi为δXk的个数；
所述轴联动表还包括特征表与伺服参数调整表；所述特征表用于标记坐标轴的逻辑属性，所述逻辑属性包括进给当量、数据的字节数；所述伺服参数调整表用于标记伺服参数的调整方向与调整量，所述伺服参数包括位置环比例系数、速度环比例系数、速度环积分常数、速度前馈系数、加速度前馈系数、电子齿轮传动比中的一个或多个；
所述文件读取模块用于从所述细分表中读取步进量与控制周期，从所述特征表与伺服参数调整表中读取进给当量、数据的字节数，设置坐标轴的逻辑属性；从所述伺服参数调整表中读取位置环比例系数、速度环比例系数、速度环积分常数、速度前馈系数、加速度前馈系数、电子齿轮传动比，设置并调整伺服参数；
所述起点同步模块用于通过所述联动接口接收数据流控制器发送的联动命令；所述联动命令为一个同步脉冲，用于起点同步；根据L指针，从所述细分表中读取mi写入M计数器；读取δXk写入位置环计数器，启动位置环的采样周期；读取δtk写入控制周期计时器，启动位置环的控制周期；
所述终点同步模块根据滞留脉冲λk或超前时间ρk，同时或单独调整进给速度、控制周期，用于终点同步。
7.如权利要求6所述的伺服驱动器，其特征在于，所述终点同步模块还包括时滞补偿定时器D，根据滞留脉冲λk或超前时间ρk，实时调整控制周期δtk之间的时间间隔，用于终点同步。
8.如权利要求6所述的伺服驱动器，其特征在于，所述串行接口包括现场总线、RS232与RS485接口、USB接口、移动存储器或无线接口。
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