CN105717871A - 可快速配置通用多轴运动控制系统的方法 - Google Patents

Abstract

一种可快速配置通用多轴运动控制系统的方法，其特征是在自动化装配系统结构设计完成之后，根据系统的几何和功能特征，对各模块进行划分，明确各模块功能，以减少模块接口的信息量；模块功能的定义和接口的划分应使得各模块彼此独立，从而在接口保持不变的情况下，某一模块的改变不会影响到其他模块。本发明使用简单，性能稳定，易于部署实施。

Description

可快速配置通用多轴运动控制系统的方法

技术领域

本发明涉及一种多轴运动控制技术，尤其是一种多轴运动自动编程技术，具体地说是一种可快速配置通用多轴运动控制系统的方法。

背景技术

近年来，为保证飞机装配质量，提高机体的疲劳寿命，实现大批量生产中的低成本和高效率，现代装配过程中大量采用了自动化装配技术。例如包括自动钻铆机、自动对接定位系统在内的飞机自动化装配的主流设备，正在国内逐步大量应用。这些设备都具有多轴联动的特点，因而其控制系统在原理上有一定的相似性。

传统上这些自动化装配设备都是根据企业的需求，首先进行结构设计，然后根据功能指标进行控制系统的选型，接着进行软件和用户界面的开发。因此每一系统的控制系统都是单台定制的，开发周期长，调试测试时间长，容易产生系统稳定性差等缺陷。

采用通用性强、可重构的多轴控制系统是满足企业的实际生产要求，加快市场响应速度的重要途径。通常可重构性是指在一个系统中，其硬件模块或软件模块均能根据变化的数据流或控制流对系统结构和算法进行重新配置。理论上，可以通过可重构互连用多个可重构器件构成一个完整的系统。根据可重构性，可以对已安装好的整个系统构架修改，还可以根据不同的应用需要，改变本身的体系结构，与实际的应用需求相匹配，这是可重构系统最突出的优点。因此，在讨论可重构问题时，应该知道重构可以发生在设计、运用、执行等任何阶段，而这些不同阶段都各自定义了其独特的可重构系统的类别。控制系统的可重构性是指在系统原有控制资源的基础上，通过调整系统的结构、功能等使系统快速适应需求变化的能力。

可重构多轴运动控制系统遵循工控组态和软件构件复用的思想。工控组态是指根据应用对象和控制任务的需求，利用组态软件提供的工具，通过简单的配置和定义或编写语言，对于不同但基本类似的应用对象进行控制，无需重新设计和进行程序编写，快速配置完成一个新系统或修改系统功能。组态软件则是指以多样的组态方式提供优良的开发界面和简单明了的操作方法来实现过程控制与实现数据采集的软件，通过对已有软件模块的属性定义和组装，在预先设定好的图像界面下，用户只需以一种搭积木的方式，便能很快构建应用对象所需的软件，避免了繁琐的计算机语言开发过程，最大程度上复用已有的软件模块。

发明内容

本发明的目的是针对现有的自动化装配系统综合集成和调整困难，编程工作量大的问题，发明一种可通过配置简单的文件和特定的运动控制算法模块快速实现系统集成的所要实现的可快速配置通用多轴运动控制系统的方法，以快速配置通用多轴运动控制系统，降低多轴运动控制系统设计的复杂程度。

本发明的技术方案是：

一种可快速配置通用多轴运动控制系统的方法，其特征是在自动化装配系统结构设计完成之后，根据系统的几何和功能特征，对各模块进行划分，明确各模块功能，以减少模块接口的信息量；模块功能的定义和接口的划分应使得各模块彼此独立，从而在接口保持不变的情况下，某一模块的改变不会影响到其他模块。

可快速配置通用多轴运动控制系统的功能模块分为五个模块：多轴联动控制模块、运动轴单轴调试模块、工艺参数管理模块、用户管理模块、检测反馈模块。可重构多轴控制系统模型，通过采用数据总线与各功能模块之间建立数据连接关系。

其中：

（1）多轴联动控制模块：

负责数据信息的融合，在自动化装配系统结构设计完成之后，根据系统的几何和功能特征，或者根据用户及程序指令，采用机构学与控制理论来描述被控多轴对象，包括多轴系统的任务轨迹规划、运动学反解、动力学反解及控制算法。

（2）运动轴单轴调试模块：

它能根据多轴联动模块提供的数据信息及运动轴状态参数设置，对系统的运动轴数量、行程范围、单位（UI上显示）、初始速度等等进行配置，通过PID控制算法或其它智能控制算法，实现对单个轴的控制，并对控制效果进行分析，形成单轴控制算法库，提高单轴调试的模块化和控制算法代码重用的功能。

（3）工艺参数管理模块：

它能根据系统工艺参数及状态显示，采用工艺参数配置文件，对工艺参数的初始大小、范围、单位、与运动轴的对应关系等进行配置。选择相应的工艺参数，根据多轴联动控制模块提供的数据信息，对工艺参数进行模块化组装。

（4）用户管理模块：

它能根据用户管理需求，采用用户配置文件，对不同用户类型的权限等进行配置。选择状态监测、数据存储及可视化等操作，并进行组装。

（5）检测反馈模块

主要对多轴联动系统的传感器信息的提取与反馈处理。包括检测模块和反馈模块。检测模块采用检测模块配置文件，对标准模块化检测子系统（如飞机自动化制孔的法向检测系统）的几何参数、量程、标定补偿等进行配置。系统中传感器功能主要是完成从环境数据中提取特定传感器的数据信息。反馈模块一般由种类不同的多个传感器构成。通过反馈模块实现对各传感器信息的融合，即综合分布在多轴联动系统不同位置的多个传感器所提供的局部信息。

本发明的有益效果是：

本发明具有功能和性能稳定，开发周期短，便于实现自动化装配系统的快速实现和交付的特点。

根据本发明所得到的运动控制系统，可以通过几个配置文件完成绝大多数控制软件的开发工作，用户只需要集中实现多轴联动控制模块（仅对杂的多轴联动控制系统才有）和用户界面的特定功能进行开发即可。开发周期短，易于快速实现。而由于大多数软件模块都是复用成熟稳定的软件模块，因此容易保证系统的功能和稳定性。

附图说明

图1是本发明实施例的一个可重构软件系统结构模型。数据总线向功能模块输入数据已驱动功能模块运行，而功能模块从数据总线上获取输入数据，运行后再把输出数据输送到数据总线上去。这样，所有功能模块之间实现了完全的数据驱动功能。

图2是本发明的系统模块组成示意图。

图3是本发明实施例所涉及的一个飞机自动钻铆系统的定位机构结构原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

参见示出本发明实施例的附图，下文将更详细地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同形式实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出的这些实施例是为了充分及完整公开，并且使本技术领域的技术人员完全了解本发明的范围。

下面结合图3所示的飞机自动钻铆系统，详述本可快速配置通用多轴运动控制系统实施方法。

一种可快速配置飞机自动钻铆系统的方法，在自动化装配系统结构设计完成之后，根据系统的几何和功能特征，对各模块进行划分，明确各模块功能，以减少模块接口的信息量；模块功能的定义和接口的划分应使得各模块彼此独立，从而在接口保持不变的情况下，某一模块的改变不会影响到其他模块。可快速配置通用多轴运动控制系统的功能模块分为五个模块：多轴联动控制模块、运动轴单轴调试模块、工艺参数管理模块、用户管理模块、检测反馈模块。可重构多轴控制系统模型，通过采用数据总线与各功能模块之间建立数据连接关系。其中：

（1）多轴联动控制模块

首先根据设计的自动钻铆系统，确定系统的结构几何参数。自动钻铆系统工作过程中，首要关注的是多轴之间的运动学关系，因而涉及多轴联动控制模块中的位置反解，可利用如下位置反解算法进行控制。当结构几何参数发生改变且多轴联动控制模块的输出接口保持不变时，无需修改其他模块，使得系统各模块之间的功能相对独立。

建立如图3所示右手正交坐标系。定坐标系：O_b-x_by_bz_b，为方便计算，原点O_b位于B₁上，x_b为初始状态B₂指向B₁的方向，y_b为初始状态下B₁指向B₄（初始B₁B₄垂直于B₂B₁），z_b为x_b和y_b确定的右手坐标系，沿着POGO柱升降的方向。动坐标系：O_m-x_my_mz_m，原点O_m为S₁，x_m平行于S₂S₁方向，y_m为S₁指向S₄（初始S₁S₄垂直于S₂S₁），z_m为x_m和y_m确定的右手坐标系，且与框平面垂直。初始状态动坐标系与定坐标系平行。

对于系统结构几何参数定义如下：托架S₁到S₂距离（等于S₃到S₄的距离）为L₁₂，托架S₂到S₃距离（等于S₁到S₄的距离）为L₂₃，上末端执行器刀具点T₁距转轴中心距离为l_T1，龙门架Z₅轴初始处高度为h₁，下末端执行器刀具点T₂距转轴中心距离为l_T2，下末端执行器转轴中心高度为h₂。

给定某一空间位置P在动平台下的位置坐标向量P_m=(x_m,y_m,z_m)^T和法向向量N_m=(l_m,m_m,n_m)^T，定位系统需将将上末端执行器刀具点T₁的位置（记为T_1b，实际是末端执行器压力脚压紧后轴线与蒙皮外表面交点位置）和方向（记为N_T1b)，以及下末端执行器的刀具点T₂的位置（记为T_2b，实际是末端执行器下压力脚压紧后轴线与蒙皮外表面交点位置，包括了一个工件厚度）和方向（记为N_T2b)，都定位于给定工作位置P的位置和法向上，各运动轴的运动位置。实现定位需要调整的运动轴为：X坐标定位依靠固定于静平台上的龙门X1轴运动x₁实现；上末端执行器Y坐标定位依靠龙门Y1运动y₁实现；下末端执行器Y坐标定位分别依靠龙门Y2轴y₂运动实现；托架的基准Pogo柱Z1轴的高度z₁是根据下末端执行器刀具点高度和托架的姿态确定的；托架的Pogo柱Z2~Z4轴的高度z₂、z₃、z₄是根据z₁和托架的姿态确定的；上末端执行器Z坐标的定位依靠龙门Z5轴z₅和摆角A1轴位置A₁确定；制孔铆接法向量通过系统A、B摆角来调整，其中A角依靠托架Z1~Z4轴协同升降产生A角和龙门上下摆动轴A₁和A₁'，B角依靠托架Z1~Z4轴协同升降实现。

具体计算公式如下：

（2）运动轴单轴调试模块

首先根据设计的自动钻铆系统，确定钻铆系统的结构几何参数，进而确定运动轴数量、行程范围、单位（UI上显示）、初始速度。以图3所述自动钻铆系统的定位机构（没考虑末端执行器）为例，共Z1～Z5、X1、Y1、Y2、A1、A2十个运动轴，各自有不同的行程范围和单位。当运动轴数量、行程范围、单位等发生改变时，仅需在运动轴单轴调试模块中进行修改，无需修改其他模块，使得系统各模块之间的功能相对独立。

确定运动轴配置文件，将运动轴定义典型形式如下表所示，可以用文本文件或二进制文件等形式实现表中的数据存取：

软件启动时将配置文件读取出来，存放在相应的系统数据结构里，供系统运行使用。运动轴单轴调试模块可对指定的运动轴进行相应的运动控制。典型的调试指令如下：

intAxisDebug(intaxisno,intmovementway,doubledisplace,doubleaxisspeed)

其中：axisno，含义：运动轴，范围：配置文件定义的运动轴数量。

movementway，含义：调试运动方式，例如连续运动（按指定速度运动，一直到发出停止指令时停止）、绝对运动（按指定速度运动，运动到指定位置）和相对运动（按指定速度运动，运动指定相对位移）。

displace，含义：运动位移（距离或者角度），单位：mm或度

axisspeed，含义：轴速度

该调试指令是把实际的控制系统的调试指令进行封装，并加上大量的错误处理代码。例如如果输入运动轴超过配置文件中运动轴的范围则不执行并报警处理。

（3）工艺参数管理模块

对于不同的工艺参数，从配置文件读取相应的配置数据，放在系统数据结构里，由相应的软件模块进行封装处理。

（4）用户管理模块

对于用户管理采用和工艺参数管理模块类似的办法，用户界面（UI）的相应运动轴状态显示和工艺参数状态显示同样动态读取系统数据结构的运动轴名称、大小、范围等信息（大多数来自于配置文件），添加在下拉菜单等用户界面显示中。这方面的功能界面几乎不用新开发，而直接利用成熟显示模块。

（5）检测反馈模块

对于一些标准的检测功能，同样开发相应的封装软件模块，通过配置文件进行定义处理。例如法向检测模块，典型的配置文件形式如下表：

以上虽然描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落在本发明的保护范围。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种可快速配置通用多轴运动控制系统的方法，其特征是在自动化装配系统结构设计完成之后，根据系统的几何和功能特征，对各模块进行划分，明确各模块功能，以减少模块接口的信息量；模块功能的定义和接口的划分应使得各模块彼此独立，从而在接口保持不变的情况下，某一模块的改变不会影响到其他模块。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的根据系统的几何和功能特征，将模块分为：多轴联动控制模块、运动轴单轴调试模块、工艺参数管理模块、用户管理模块和检测反馈模块，以便实现多轴控制系统模型的重构，通过采用数据总线与各功能模块之间建立数据连接关系。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征是所述的多轴联动控制模块负责数据信息的融合，在自动化装配系统结构设计完成之后，根据系统的几何和功能特征，或者根据用户及程序指令，采用机构学与控制理论来描述被控多轴对象，包括多轴系统的任务轨迹规划、运动学反解、动力学反解及控制算法。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征是所述的运动轴单轴调试模块根据多轴联动模块提供的数据信息及运动轴状态参数设置，对系统的运动轴数量、行程范围、单位及初始速度进行配置，通过PID控制算法或其它智能控制算法，实现对单个轴的控制，并对控制效果进行分析，形成单轴控制算法库，提高单轴调试的模块化和控制算法代码重用的功能。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征是所述的工艺参数管理模块根据系统工艺参数及状态显示，采用工艺参数配置文件，对工艺参数的初始大小、范围、单位、与运动轴的对应关系等进行配置；选择相应的工艺参数，根据多轴联动控制模块提供的数据信息，对工艺参数进行模块化组装。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征是所述的用户管理模块根据用户管理需求，采用用户配置文件，对不同用户类型的权限等进行配置；选择状态监测、数据存储及可视化操作，并进行组装。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征是所述的检测反馈模块主要对多轴联动系统的传感器信息的提取与反馈处理，包括检测模块和反馈模块；检测模块用于配置文件，对标准模块化检测子系统的几何参数、量程、标定补偿进行配置；系统中传感器功能主要是完成从环境数据中提取传感器的数据信息；反馈模块由种类不同的多个传感器构成，通过反馈模块实现对各传感器信息的融合，即综合分布在多轴联动系统不同位置的多个传感器所提供的局部信息。