发明内容
为了克服上述现有技术的缺点与不足,本发明提供了一种基于伺服刀架控制器的伺服电机的优化控制算法,本发明为实现上述目的所采用的技术方案是:
基于伺服刀架控制器的伺服电机的优化控制方法,包括以下步骤:
伺服刀架控制器接收到上位机换刀指令后,自动生成伺服刀架的最短换刀路径,将该路径作为伺服电机带动刀盘旋转的所需的转位位移,利用速度规划算法得到换刀过程中伺服电机任意时刻的速度及位移,将位移作为伺服电机给定值进行位置闭环控制,带动刀盘进行转位换刀动作;
在刀盘转位换刀动作时,采用扭矩输出分时控制算法限定伺服刀架控制器的扭矩输出,伺服刀架控制器将该扭矩输出至伺服电机控制刀盘完成转位动作。
所述自动生成伺服刀架最短换刀路径包括以下步骤:
伺服刀架控制器接收到上位机换刀指令后,将其转换为目标刀号n1;将目标刀号n1与当前刀号n2作差,得到差值e1;
将刀盘总刀位数n
3与e
1的绝对值|e
1|作差,得到差值e
2;判断|e
1|与e
2的大小关系:若|e
1|大于e
2,则换刀过程所需转过的刀位数
若|e
1|小于等于e
2,则换刀过程所需转过的刀位数e
3=e
1;
根据
得到转位位移;如果总转位位移s为正,表示电机正转,如果s为负,表示电机反转;其中,m为伺服刀架减速机减速比,encoder为伺服电机编码器线数。
所述速度规划算法采用多段式曲线加减速算法包括以下步骤:
将伺服电机运动过程中的转速随时间变化的加减速曲线分成加速段、匀速段和减速段;加速段和减速段分别分割成多段形状相似但加速度变化率不同的曲线段;其中,加速段中的每个曲线段包括加加速段和减加速段;减速段中的每个曲线段包括加减速段和减减速段;
根据加减速曲线建立由各曲线段组成的数学模型;将自动生成伺服刀架的最短换刀路径与各曲线段的速度指标参数代入该数学模型中,得到伺服电机在各加加速段、减加速段、匀速段、加减速段和减减速段的运行时间;然后将各参数和得到的运行时间再代入上述数学模型中,即得到换刀过程中任意时刻的速度和位移。
所述各曲线段的速度指标参数包括:
加速段的各曲线段中加加速段的加速度变化率依次为JA1、JA2、……JAn+1,减加速段的加速度变化率与对应的加加速段的加速度变化率互为相反数;
减速段的各曲线段中减减速段的加速度变化率依次为JD1、JD2、……JDm+1,加减速段的加速度变化率与对应的减减速段的加速度变化率互为相反数;
加减速曲线的初始速度值为Vs,加减速曲线的末速度值为Ve,匀速段速度为整个加减速曲线最大速度值Vmax,加速段中各曲线段的最大速度值依次为VA1、VA2……VAn+1,减速段中各曲线段的最大速度值依次为VD1、VD2、VDm+1。
所述扭矩输出分时控制算法包括以下步骤:
判断当前时刻伺服刀架控制器是否完成转位换刀动作;若处于转位换刀动作状态,则伺服刀架控制器将最大允许扭矩输出输出至伺服电机控制刀盘转位到目标位置;若转位换刀动作结束,则将伺服刀架控制器的扭矩输出保持在自保护范围内输出至伺服电机控制刀盘保持目标位置不动,直至伺服刀架控制器发出刀盘锁紧命令。
所述数学模型为
其中,S(t)为伺服刀架控制器在换刀过程中任意时刻的位移,TA1、TA2分别为伺服电机在各加加速段的运行时间,各减加速段运行时间与对应的加加速段的运行时间相等;TD1、TD2分别为伺服电机在各减减速段的运行时间,各加减速段运行时间与对应的减减速段的运行时间相等;匀速过程时间为Ty。
本发明具有以下有益效果及优点:
1.本发明控制接口简单方便,简化上位机刀架控制逻辑的编程难度,上位机只需向伺服刀架控制器发送一组换刀指令即可,不需要做任何其他的工作;伺服刀架控制器接收到上位机换刀指令后,能够自动将其转换出目标刀号并按转位路径最短的原则计算出伺服电机的转位位移,进而完成伺服刀架的松开、转位、锁紧功能,不额外占用上位机的任何资源,也省去了单片机计算单元部分,从而节约了成本,同时也提高了设备的可靠性。
2.本发明有效地解决了锁紧刀盘的过程中由于机械制作工艺、定位精度等原因引起的电机过流的问题,从而有效地保护了设备。
3.本发明在保证高换刀效率的同时,最大程度的降低了机械启停冲击,消除了小惯量电机带动大惯量负载在启停过程中产生过流的现象,显著提高了设备的利用率和使用寿命。
4.本发明通过引入自动生成伺服刀架最短换刀路径算法,使得伺服刀架控制器控制接口简单方便,简化上位机刀架控制逻辑的编程难度;为刀架转位换刀提供了一种最短的路径,在一定程度上减少了电力资源的浪费,缩短了换刀过程的时间,有助于提高换刀效率。
5.本发明通过扭矩输出分时控制算法有效地解决了上述锁紧刀盘的过程中由于机械制作工艺、定位精度等原因引起的电机过流的问题,从而有效地保护了设备。
6.本发明通过引入多段式曲线加减速算法,实现了在保证高换刀效率的同时,最大程度的降低了机械启停冲击,消除了小惯量电机带动大惯量负载在启停过程中产生过流的现象,显著提高了设备的利用率和使用寿命。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明提供了一种基于伺服刀架控制器的伺服电机的优化控制算法,其主要包含三个部分:(1)自动生成伺服刀架最短换刀路径算法,即在伺服刀架控制器接收到上位机换刀指令后,将其转换为目标刀号,根据预先配置的伺服刀架减速机的减速比以及伺服电机编码器线数,按转位路径最短的原则计算出伺服电机的转位位移;(2)扭矩输出分时控制算法,即在转位换刀动作状态,伺服刀架控制器将最大允许扭矩输出输出至伺服电机控制刀盘转位到目标位置;在转位换刀动作结束后,将伺服刀架控制器的扭矩输出保持在自保护范围内输出至伺服电机控制刀盘保持目标位置不动,直至伺服刀架控制器发出刀盘锁紧命令;(3)多段式曲线加减速算法,即将伺服电机运动过程中的转速随时间变化的加减速曲线分成加速段、匀速段和减速段;加速段和减速段分割成多段形状相似但加速度变化率不同的曲线段;其中,加速段中的每个曲线段包括加加速段和减加速段;减速段中的每个曲线段包括加减速段和减减速段。
上述加加速段是指曲线中加速度为正值同时加速度的变化率也为正值的部分,减加速段是指曲线中加速度为正值同时加速度的变化率为负值的部分,加减速段是指曲线中加速度为负值同时加速度的变化率也为负值的部分,减减速段是指曲线中加速度为负值同时加速度的变化率为正值的部分,匀速段是指曲线中加速度为零同时加速度的变化率也为零的部分。
所述自动生成伺服刀架最短换刀路径算法为在伺服刀架控制器接收到上位机换刀指令后,能够自动将其转换为目标刀号,根据预先配置的伺服刀架减速机的减速比以及伺服电机编码器线数,按转位路径最短的原则计算出伺服电机的转位位移。
所述扭矩输出分时控制算法为在转位换刀动作状态,伺服刀架控制器将最大允许扭矩输出输出至伺服电机控制刀盘转位到目标位置;在转位换刀动作结束后,将伺服刀架控制器的扭矩输出保持在自保护范围内输出至伺服电机控制刀盘保持目标位置不动,直至伺服刀架控制器发出刀盘锁紧命令;
所述多段式曲线加减速算法为将伺服电机运动过程中的转速随时间变化的加减速曲线分成加速段、匀速段和减速段;加速段和减速段分割成多段形状相似但加速度变化率不同的曲线段;其中,加速段中的每个曲线段包括加加速段和减加速段;减速段中的每个曲线段包括加减速段和减减速段;其具体形状如图4中的下图所示。
伺服刀架控制器工作流程如图1所示,上位机只需发送换刀指令信号,不需要任何其他的计算过程,即可完成换刀动作。具体过程如下:当上位机(或CNC系统)发出换刀指令后,伺服刀架控制器进行逻辑运算处理,按自动生成伺服刀架最短换刀路径算法计算出伺服电机的转位位移;伺服刀架控制器发出刀盘松开信号控制液压电磁阀转位,实现刀盘松开动作;当伺服刀架控制器检测到刀盘松开动作完成信号后,伺服刀架控制器采用位置、速度、电流三闭环全数字控制方式控制伺服电机转位;当伺服电机转位完成后,伺服刀架控制器发出刀盘锁紧信号控制液压电磁阀转位,实现刀盘锁紧动作;当伺服刀架控制器检测到锁紧动作完成信号后,伺服刀架控制器向上位机(或CNC系统)发送换刀动作完成信号以及当前的工位号;如果检测到报警,伺服刀架控制器立即将报警信息上传给上位机(或CNC系统)。
上述方法使得控制接口简单方便,简化上位机刀架控制逻辑的编程难度,上位机只需向伺服刀架控制器发送一组换刀指令信号即可,不需要做任何其他的工作;伺服电机控制板接收到上位机换刀指令信号后,能够自动将其转换为目标刀号并按转位路径最短的原则计算出伺服电机的转位位移,进而完成伺服刀架的松开、转位、锁紧操作,不额外占用上位机的任何资源,也省去了单片机计算单元部分,从而节约了成本,同时也提高了设备的可靠性。
自动生成伺服刀架最短换刀路径算法流程如图2所示,所述算法如下:
(1)伺服刀架控制器接收到上位机换刀指令信号后,自动将其转换为目标刀号n1。
(2)将目标刀号n1与当前刀号n2作差,得到差值e1。
(3)将刀盘总刀位数n3与上步得到的差值的绝对值|e1|作差,得到差值e2。
(4)判断|e1|与e2的大小关系:
②|e1|小于等于e2:则换刀过程所需转过的刀位数e3=e1;
(5)根据(4)中的计算结果e
3,伺服刀架减速机减速比m,以及伺服电机编码器线数encoder,可得转位位移
其单位为脉冲指令单位,如果总转位位移s为正,表示电机正转,如果s为负,表示电机反转。
通过引入自动生成伺服刀架最短换刀路径算法,使得伺服刀架控制器控制接口简单方便,简化上位机刀架控制逻辑的编程难度;为刀架转位换刀提供了一种最短的路径,在一定程度上减少了电力资源的浪费,缩短了换刀过程的时间,有助于提高换刀效率。
伺服刀架在锁紧的过程中,由于机械制作工艺、定位精度等原因有时会出现定位销的头部与上刀体的销孔之间会有些许的偏差,使得伺服刀架在锁紧的过程中定位销不能完全被压入销孔中,此时机械力会将定位销强制性地压入到销孔,由于此时电机还处于通电状态,这样就会使电机出现过流的现象,严重的甚至损坏电机和伺服刀架控制器。针对上述问题,本发明提出一种扭矩输出分时控制算法,其结构如图3所示,判断当前时刻伺服刀架控制器是否完成转位换刀动作;若处于转位换刀动作状态,则伺服刀架控制器将最大允许扭矩输出输出至伺服电机控制刀盘转位到目标位置;若转位换刀动作结束,则将伺服刀架控制器的扭矩输出保持在自保护范围内输出至伺服电机控制刀盘保持目标位置不动,直至伺服刀架控制器发出刀盘锁紧命令。
通过扭矩输出分时控制算法有效地解决了上述锁紧刀盘的过程中由于机械制作工艺、定位精度等原因引起的电机过流的问题,从而有效地保护了设备。
多段式曲线加减速算法原理如图4所示,其上图为加减速曲线算法中加速度随时间的变化规律,其下图为加减速曲线算法中速度随时间的变化规律,所述算法如下:
设S为总位移,V为加减速曲线速度值,a为加减速曲线加速度值;JA1、JA2、……JAn+1依次为加速段的各曲线段中加加速段的加速度变化率,其为一恒值;减加速段的加速度变化率与对应的加加速段的加速度变化率互为相反数;JD1、JD2、……JDm+1依次为减速段的各曲线段中减减速段的加速度变化率,其为一恒值;加减速段的加速度变化率与对应的减减速段的加速度变化率互为相反数;Vs为加减速曲线的初始速度值,Ve为加减速曲线的末速度值;Vmax为匀速段速度值,同时也是整个加减速曲线最大速度值;VA1、VA2……VAn+1依次为加速段中各曲线段的最大速度值,VD1、VD2……VDm+1依次为减速段中各曲线段的最大速度值;其中TA1、TA2……TAn+1为伺服电机在各加加速段的运行时间,各减加速段运行时间与对应的加加速段的运行时间相等;TD1……TDm+1分别为伺服电机在各减减速段的运行时间,各加减速段运行时间与对应的减减速段的运行时间相等;匀速过程时间为Ty。
下面以n=1,m=1为例,建立多段式加减速曲线的数学模型:
各段曲线段加速度公式如下:
(1)
各段曲线段速度公式如下:
各段曲线段位移公式如下:
由式(1)、(2)、(3)可知,已知初始速度值Vs、末速度值Ve,设定加速段的各曲线段中加加速段的加速度变化率JA1、JA2,减加速段的加速度变化率与对应的加加速段的加速度变化率互为相反数;减速段的各曲线段中减减速段的加速度变化率JD1、JD2,加减速段的加速度变化率与对应的减减速段的加速度变化率互为相反数;加减速曲线的最大速度Vmax、加速段中各曲线段的最大速度值VA1,减速段中各曲线段的最大速度值VD1,进而确定TA1、TA2、Ty、TD1、TD2。确定了这五个参数也就确定了加速度、速度、位移三条曲线,于是问题就转化为求TA1、TA2、Ty、TD1、TD2。以下分两种情况求解TA1、TA2、Ty、TD1、TD2。
(一)假设伺服电机转位的总位移S≥S(2TA1+2TA2+Ty+2TD1+2TD2),即速度曲线包含匀速段区,则由式(2)可得
则
则
则
则
由式(3)得:
当t=2TA1+2TA2+Ty+2TD1+2TD2时,
(8)
将由式(4)-(7)所得计算结果带入式(8)得:
将伺服电机旋转过程的总位移代入式(9)中的S(t),即可得到匀速段时间Ty,若此时求得的Ty>=0,则说明上述假设成立,即加减速曲线包含匀速区,且各段时间求解完全按照式(4)、(5)、(6)、(7)、(9)求解即可。
(二)若按(一)中的方式所求Ty值为负值,则说明此时加减速曲线中不包含匀速段,即Ty=0;并且电机实际最大速度值达不到选取值Vmax,假设此种情况电机实际速度最大值为Vmax1,则由式(2)可得:
则
则
则
由式(3)得:
当t=2TA1+2TA2+Ty+2TD1+2TD2时,
将式(10)-(13)所得计算结果,带入式(14)得
当t=2TA1+2TA2+Ty+2TD1+2TD2时,
将上式中TA
2作为自变量,则S(t)可以看做关于TA
2的函数,且相对于TA
2∈[0,+∞)为单调递增函数,由式(5)得TA
2取值上限为
①当VA
1>VD
1时,TA
2下限为0,则其取值范围为
因此,若伺服电机转位的总位移:
则TA2存在有效解,采用二分法对式(15)求解TA2,将求得的TA2代入式(12)即可求得TD1。
②当VA
1≤VD
1时,由于TD
1>=0才有实际意义,因此由式(12)可得,TA
2下限为
则其取值范围为
因此,若伺服电机转位的总位移:
则TA2存在有效解,采用二分法对式(15)求解TA2,将求得的TA2代入式(12)即可求得TD1。
③如果上述两种情况都不满足,则说明参数VA1、VD1、Vmax的配置不合理,需要重新调整上述三个参数,例如可以将参数VA1、VD1、Vmax按比例减小或只将参数VA1、VD1按比例减小,之后再重新对加减速曲线模型进行计算,直至满足上述的两种情况之一为止。