CN104536381A - 一种用于对多轴运动控制系统测量轮廓误差的系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于对多轴运动控制系统测量轮廓误差的系统和方法，该系统包括独立配置的编码器位置采集模块、主处理器、编码器信号转接控制器，编码器信号转接控制器具有编码器信号引出接口，该引出接口通过光电耦合器与编码器信号输入接口连接，用于传输编码器信号至编码器位置采集模块。由于将轮廓误差测量系统与伺服、运动控制系统拆分，采用独立的轮廓误差测量系统，可根据实际需要调整期望轮廓以及轮廓误差的算法，并且轮廓误差测量系统不受运动控制系统软硬件的制约，使用于多轴运动控制系统的轮廓误差测量系统可以与不同的伺服、运动控制系统组合后使用，能够方便的获得轮廓误差信号，应用方便、灵活。

Description

一种用于对多轴运动控制系统测量轮廓误差的系统及方法

技术领域

本发明属于多轴运动控制领域，更具体地，涉及一种用于对多轴运动控制系统测量轮廓误差的系统及方法。

背景技术

多轴运动控制系统(如数控机床和机器人等)在运行时，例如在自动控制中，由直流或交流电机构成的伺服系统，在加工中必然存在跟随误差，在多轴同时运动进行轮廓加工时，各个单轴的跟随误差势必反映到加工曲线轮廓上，形成轮廓误差。轮廓误差会影响运动控制系统终端的控制精度，为了控制和补偿轮廓误差，需要准确地测量该轮廓误差。

现有的自动控制系统中，轮廓误差测量系统往往与伺服、运动控制系统整体集成设置，轮廓误差测量系统往往一经初始化设定便很难再变动，不便于在实际自动控制系统中结合具体应用情况对轮廓误差测量系统(如对轮廓误差进行测量计算的模块等)进行调整，应用单一、不灵活。将轮廓误差采集系统集成在控制系统内部，另一方面也增加了系统开发的难度，不利于系统的模块化开发。

此外，单独设置轮廓误差测量系统由于要将来自伺服驱动器的信号完整的传输至运动控制器，既要保证信号必须兼容，又要保证时序的控制。因此，要设置单独的运动控制系统和轮廓误差测量系统，就必须在不影响运动控制的前提下，准确的获取期望位置和实际位置，进而稳定的输出计算得到的轮廓误差。由于控制系统是分开单独设立的，因此轮廓误差测量系统进行轮廓误差计算所需的数据(如期望位置和实际位置等)如何快速、及时的通信也就成为了关键，而为了高速的获取期望位置就需要通过与控制系统同步以及在轮廓误差测量系统内部的高速运算来支持。由于软硬件的各种限制，目前的商业化的运动控制系统缺乏一种能够适用于各种伺服驱动器的直接输出多轴轮廓误差的系统。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种具有独立控制器的轮廓误差测量系统及方法，其中通过对其关键组件的结构及其设置方式、数据流向、误差计算方式等进行改进，与现有技术相比能够有效解决现有轮廓误差测量系统适用性单一、调整不灵活，以及系统模块化开发困难的问题，在不影响运动控制的前提下，有效准确的获取了期望轮廓和实际位置，实现了轮廓误差的稳定计算输出；并且，根据具体的应用要求，可以方便的通过对轮廓误差计算算法的调整达到轮廓误差测量准确、快捷计算的技术效果。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于对多轴运动控制系统测量轮廓误差的系统，其特征在于，包括独立配置的编码器位置采集模块和主处理器，其中：

所述编码器位置采集模块用于采集编码器信号，并由采集到的编码器信号计算得到实际位置，再将实际位置传输至所述主处理器；

所述主处理器用于获取期望轮廓信息，然后计算期望轮廓；并且该主处理器与所述编码器位置采集模块连接，将计算得到的期望轮廓与实际位置比较，计算得到轮廓误差；

此外，该轮廓误差测量系统还包括独立配置的编码器信号转接控制器，所述编码器信号转接控制器包括编码器信号输入接口、编码器信号直接输出接口、光电耦合器和编码器信号引出接口；

所述编码器信号输入接口用于接收来自伺服驱动器的编码器信号；

所述编码器信号直接输出接口与所述编码器信号输入接口直接连接，用于传输编码器信号至运动控制器；

所述编码器信号引出接口通过所述光电耦合器与所述编码器信号输入接口连接，用于传输编码器信号至所述编码器位置采集模块。

作为本发明的进一步优选，所述主处理器为DSP或ARM中的一种。

作为本发明的进一步优选，所述轮廓误差测量系统还包括串行口，所述期望轮廓信息通过该串行口输入至所述主处理器，所述轮廓误差通过该串行口向外输出。

作为本发明的进一步优选，所述编码器信号引出接口为DB15接头。

作为本发明的进一步优选，所述编码器位置采集模块为FPGA。

通过特别设计的编码器信号转接控制器，把运动控制系统中的编码器实时位置信息输入到主处理器中，并结合期望轮廓，计算轮廓误差，并再次通过串行口等将轮廓误差输出到运动控制平台或计算机等设备。通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于将轮廓误差测量系统与伺服、运动控制系统拆分，使轮廓误差测量系统独立配置并进行独立控制，且该轮廓误差测量系统不受运动控制系统软硬件的制约，使用于运动控制系统的轮廓误差测量系统可以与不同的伺服、运动控制系统组合后使用，能够方便的获得轮廓误差信号，应用方便、灵活。并且，独立配置的轮廓误差测量系统由于可以采用存储器等单独存储轮廓误差计算所需的程序，在实际应用中，可结合实际程序算法的要求灵活调整程序，使得轮廓误差测量系统更加灵活、高效。另外，由于将轮廓误差测量系统和运动控制系统分离开来，两者可以单独独立进行开发，能够极大的减轻系统的开发难度，便于用户进行模块化的设计和开发。

按照本发明的另一个方面，提供了一种利用所述的用于对多轴运动控制系统测量轮廓误差的系统测量轮廓误差的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)向所述主处理器输入期望轮廓信息，由所述主处理器计算期望轮廓；

(2)通过所述编码器信号转接控制器向所述编码器位置采集模块传输编码器信号，所述编码器位置采集模块根据该编码器信号计算实际位置；

(3)所述主处理器根据所述期望轮廓与实际位置计算得到轮廓误差。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于将轮廓误差测量系统与伺服、运动控制系统拆分，采用独立配置的轮廓误差测量系统，并且该轮廓误差测量系统不受运动控制系统软硬件的制约，使用于多轴运动控制系统的轮廓误差测量系统可以与不同的伺服、运动控制系统组合后使用，能够方便的获得轮廓误差信号，应用方便、灵活。另一方面，由于可以采用存储器等存储轮廓误差计算所需的程序，在实际应用中，可结合实际程序算法的要求灵活调整存储器存储的程序，使得轮廓误差测量系统更加灵活、高效。另外，由于将轮廓误差测量系统和运动控制系统分离开来，使两者能够单独独立开发，能够极大的减轻系统的开发难度，便于用户进行模块化的设计和开发。

附图说明

图1是本发明用于对多轴运动控制系统测量轮廓误差的系统的结构示意图，图中，1-独立控制器，2-编码器信号转接控制器；

图2是轮廓误差的计算示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1所示，用于对多轴运动控制系统测量轮廓误差的系统，包括独立配置的编码器位置采集模块和主处理器，此外，还包括独立配置的编码器信号转接控制器2；编码器位置采集模块和主处理器组成了独立控制器1。主处理器和编码器位置采集模块均为独立配置。其中，

所述编码器位置采集模块用于采集编码器信号，并由采集到的编码器信号计算得到实际位置，再将实际位置传输至所述主处理器；

所述主处理器为DSP，用于获取期望轮廓信息，然后计算期望轮廓；并且该主处理器与所述编码器位置采集模块连接，将计算得到的期望轮廓与实际位置比较，计算得到轮廓误差；

所述编码器信号转接控制器包括编码器信号输入接口、编码器信号直接输出接口、光电耦合器和编码器信号引出接口；

所述编码器信号输入接口用于接收来自伺服驱动器的编码器信号；

所述编码器信号直接输出接口与所述编码器信号输入接口直接连接，用于传输编码器信号至运动控制器；

所述编码器信号引出接口通过所述光电耦合器与所述编码器信号输入接口连接，用于传输编码器信号至所述编码器位置采集模块。

该轮廓误差测量系统还包括以太网和串行口，所述期望轮廓信息通过该以太网和串行口输入至所述主处理器，所述轮廓误差通过该以太网和串行口向外输出。该以太网和串行口可以设置在独立控制器1内。

该轮廓误差测量系统还包括存储器，用于存储期望轮廓计算程序以及轮廓误差计算程序。所述主处理器用于调用所述存储器中的期望轮廓计算程序，从所述期望轮廓信息得到期望轮廓；并用于调用所述存储器中的轮廓误差计算程序，从所述期望轮廓和实际位置得到轮廓误差。存储器包括RAM和Flash存储器，所述RAM用于存储所述主处理器计算过程中的临时数据，所述Flash存储器用于存储所述期望轮廓计算程序和轮廓误差计算程序。

编码器信号转接控制器2用于实时编码器信号的传输，如图1所示，编码器信号转接控制器2可以把编码器信号输入接口直接输出到编码器信号直接输出接口的同时，把编码器的信号通过光电耦合器连接到编码器信号引出接口，进而连接到主处理器中。编码器信号输入接口和编码器信号引出接口之间通过光电耦合器连接，光电耦合器起到隔离、保护信号的作用，避免了编码器信号引出接口的信号对编码器信号直接输出接口产生干扰。所述编码器信号输入接口用于接收来自伺服驱动器的编码器信号；所述编码器信号直接输出接口与所述编码器信号输入接口直接连接，用于传输编码器信号至运动控制器；所述编码器信号引出接口通过所述光电耦合器与所述编码器信号输入接口连接，用于传输编码器信号至所述编码器位置采集模块。

编码器信号转接控制器2的编码器信号根据实际的运动控制系统的形成轮廓的轴数，可以是2-6路运动轴对应的编码器信号，例如，3个空间运动控制轴X轴、Y轴、Z轴的信号。

期望轮廓可以是直线、圆或任意曲线，最直接、简单的获取期望轮廓的方法就是采用高频输入接口，直接将期望轮廓输入到主处理器中，但由于以太网和串行口数据输送频率的限制，单纯由以太网和串行口直接输入期望轮廓不能满足实际应用要求。因此，主处理器首先通过以太网和串行口获得期望轮廓信息(例如，期望轨迹的基本参数信息，如直线可以用起点和终点来表示；圆可以用圆心、半径和圆弧的起点和终点来表示；而采用B样条曲线的表达方式为更一般的表达方式)，通过将以太网和串行口输入的期望轮廓信息与存储在Flash存储器中的期望轮廓计算程序(例如各类线段或曲线的参数化表达方式等)相配合，根据系统的伺服周期即可计算相应时刻的期望轮廓位置，从而通过获取大量的位置点信息来生成期望轮廓。

同时为了提高轮廓误差的测量精度以及轮廓误差的输出频率，期望轮廓的计算频率要尽量与实际位置的采集频率保持一致，所以在本发明中通过独立控制器与运动控制系统通信(如，通过以太网和串行口)获得相应的伺服周期数来保证期望轮廓计算的准确性；获取期望轮廓和实际位置后通过存储器中相应的轮廓误差计算方法计算出相应的系统轮廓误差以及各轴的误差分量，并通过通信端口(如，以太网和串行口)将轮廓误差高速的输出。

编码器信号转接控制器2中的编码器信号输入接口，通过排线或电缆与驱动器的编码器信号输出接口相连，其具有可以与驱动器中具有的编码器信号的输出接口完全相同的引脚定义和接口形状，从而获取编码器的信号；编码器信号直接输出接口，通过排线或电缆与运动控制器相连，其具有可以与运动控制系统中具有的编码器信号的输入接口完全相同的引脚定义和接口形状，且可以直接插入运动控制器的输入接口中，把编码器信号全部输出到运动控制器中；编码器信号引出接口，其结构为DB15接头，通过排线或电缆与编码器位置采集模块相连，把编码器信号引入到独立控制器。

主处理器，用于轮廓误差的计算，以及与计算机和编码器位置采集模块之间的通讯；

编码器位置采集模块，其核心部件为FPGA处理电路，编码器信号送到FPGA后，通过FPGA高速处理，得出具体的位置信息(即，实际位置)；编码器位置采集模块通过双端口RAM(DPRAM)与主处理器通信，发送位置信息到主处理器；

存储器，包括RAM和FLASH，其中的RAM为存储临时数据，随时在计算过程中变化，其中的FLASH存储期望轮廓计算程序和轮廓误差计算程序，通过仿真器修改和烧入后，在轮廓误差计算中，不发生变化；

主处理器与外部的计算机或其他设备的通讯采用以太网和串行口来实现。

本实施例的轮廓误差计算的方法利用所述用于对多轴运动控制系统测量轮廓误差的系统，包括以下步骤：

(1)向所述主处理器输入期望轮廓信息，由所述主处理器计算期望轮廓；

(2)通过所述编码器信号转接控制器向所述编码器位置采集模块传输编码器信号，所述编码器位置采集模块根据该编码器信号计算实际位置；

(3)所述主处理器根据所述期望轮廓与实际位置计算得到轮廓误差。

另外，主处理器也可根据期望轮廓和实际位置，把该期望轮廓和实际位置作为运动控制的起始点，从而得到多轴运动控制过程中期望轮廓和实际位置的固有偏差。

所述编码器位置采集模块与所述编码器信号引出接口连接，用于采集编码器信号，并将采集得到的编码器信号高速处理，换算为实际位置值传输至所述主处理器。例如，通过光耦隔离电路获取增量式编码器的三路信号量：A相，B相和Z相，A、B两项用来表示电机的旋转位置，电机每转一圈，就会产生相应数量的脉冲量，Z相则是清零信号，每圈产生一个信号，同时A、B信号量之间的相位差则表示电机旋转的方向，通过对三路信号的采集计数就可以得到相应的实际位置值。而在同一伺服周期时刻获取到的期望位置和实际位置偏差值则代表该时刻该轴的跟随误差。

根据期望轮廓和采集的实际位置，通过所述存储器中的轮廓误差计算程序按一定的定时周期T1实时计算轮廓误差，并把轮廓误差按照定时周期T2反馈给计算机等设备。

下面以图2为例，通过以理论位置为基准点计算相应的轮廓误差。图2中P_n(n＝1,2,3,4…)表示计算得到的期望位置点(即期望轮廓)，P_i表示实际位置。

在实际多轴运动控制过程中，我们能够获取的实际位置点的数据是很多的，相邻两点的间距很小，故而直接用线性拟合任意两点。

线段P_kP_k+1到点P_i的最近点求解过程如下：

已知坐标P_k(x_k,y_k,z_k),P_k+1(x_k+1,y_k+1,z_k+1)及P_i(x_i,y_i,z_i)

使用向量求法，则对应有：

$\stackrel{\→}{P_i{P}_k}=(x_k-x_i,y_k-y_i,z_k-z_i)$

$\stackrel{\→}{P_i{P}_{k+1}}=(x_{k+1}-x_i,y_{k+1}-y_i,z_{k+1}-z_i)---(1-1)$

$\stackrel{\→}{P_k{P}_{k+1}}=(x_{k+1}-x_k,y_{k+1}-y_k,z_{k+1}-z_k)$

若P_i到线段P_kP_k+1的垂足在线段外，即或则P_r点为P_k、P_K+1中一点。

否则P_i到线段P_kP_k+1的垂足在线段内，即有 计算如下：

P_kP_k+1的方向向量为 $\stackrel{\→}{t}=\frac{\stackrel{\→}{P_k{P}_{k+1}}}{\stackrel{\→}{\left|P_k{P}_{k+1}\right|}}---(1-2)$

根据几何关系 $\stackrel{\→}{P_k{P}_r}=(\stackrel{\→}{P_k{P}_i}\·\stackrel{\→}{t})\stackrel{\→}{t}---(1-3)$

又有 $P_r=P_k+\stackrel{\→}{P_k{P}_r}---(1-4)$

联立上式解得：

$P_r=P_k+(\stackrel{\→}{P_k{P}_i}\·\frac{\stackrel{\→}{P_k{P}_{k+1}}}{\stackrel{\→}{\left|P_k{P}_{k+1}\right|}})\·\frac{\stackrel{\→}{P_k{P}_{k+1}}}{\stackrel{\→}{\left|P_k{P}_{k+1}\right|}}=P_k+\left(\frac{\stackrel{\→}{P_k{P}_i}\·\stackrel{\→}{P_k{P}_{k+1}}}{\stackrel{\→}{|P_k{P}_{k+1}{|}^2}}\right)\·\stackrel{\→}{P_k{P}_{k+1}}---(1-5)$

轮廓误差为：

$E=\stackrel{\→}{P_i{P}_r}=P_k+\left(\frac{\stackrel{\→}{P_k{P}_i}\·\stackrel{\→}{P_k{P}_{k+1}}}{\stackrel{\→}{|P_k{P}_{k+1}{|}^2}}\right)\·\stackrel{\→}{P_k{P}_{k+1}}-P_i---(1-6)$

同样在这种方法中可以指定搜索区间，求解P_i点对应的P_r时也不需要对所有的P_r点都进行计算，只需要对相对应的期望位置点前后一定个数值进行计算即可表示该实际点的轮廓误差值。将该轮廓误差值分解到各个轴方向上即代表着各个轴相应的误差值。

在该实施例中仅针对用函数容易表达的期望轮廓，运用发明提供的方法来计算轮廓误差；但是对复杂的算法，经过改进后如能采用参数化表达的程序，仍可能采用本发明来实现轮廓误差的测量。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于对多轴运动控制系统测量轮廓误差的系统，其特征在于，包括独立配置的编码器位置采集模块和主处理器，其中：

所述编码器位置采集模块用于采集编码器信号，并由采集到的编码器信号计算得到实际位置，再将实际位置传输至所述主处理器；

所述主处理器用于获取期望轮廓信息，然后计算期望轮廓；并且该主处理器与所述编码器位置采集模块连接，将计算得到的期望轮廓与实际位置比较，计算得到轮廓误差；

此外，该轮廓误差测量系统还包括独立配置的编码器信号转接控制器，所述编码器信号转接控制器包括编码器信号输入接口、编码器信号直接输出接口、光电耦合器和编码器信号引出接口；

所述编码器信号输入接口用于接收来自伺服驱动器的编码器信号；

所述编码器信号直接输出接口与所述编码器信号输入接口直接连接，用于传输编码器信号至运动控制器；

所述编码器信号引出接口通过所述光电耦合器与所述编码器信号输入接口连接，用于传输编码器信号至所述编码器位置采集模块。

2.如权利要求1所述的用于对多轴运动控制系统测量轮廓误差的系统，其特征在于，所述主处理器为DSP或ARM中的一种。

3.如权利要求1所述的用于对多轴运动控制系统测量轮廓误差的系统，其特征在于，该轮廓误差测量系统还包括串行口，所述期望轮廓信息通过该串行口输入至所述主处理器，所述轮廓误差通过该串行口向外输出。

4.如权利要求1所述的用于对多轴运动控制系统测量轮廓误差的系统，其特征在于，所述编码器信号引出接口为DB15接头。

5.如权利要求1－4所述的用于对多轴运动控制系统测量轮廓误差的系统，其特征在于，所述编码器位置采集模块为FPGA。

6.利用如权利要求1－5任意一项所述的用于对多轴运动控制系统测量轮廓误差的系统测量轮廓误差的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)向所述主处理器输入期望轮廓信息，由所述主处理器计算期望轮廓；

(2)通过所述编码器信号转接控制器向所述编码器位置采集模块传输编码器信号，所述编码器位置采集模块根据该编码器信号计算实际位置；

(3)所述主处理器根据所述期望轮廓与实际位置计算得到轮廓误差。