CN106597993A - 快刀伺服控制系统的软件架构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快刀伺服控制系统的软件架构。从顶层到底层依次包括：人机界面层，用于接收和显示用户输入的快刀伺服的加工程序中所需的参数信息，并将参数信息发送至任务管理层；任务管理层，用于将参数信息发送至模型解析层，还用于与快刀伺服进行通讯以获取快刀伺服的实时位置信息并发送至闭环控制层；模型解析层，用于以预定时间周期或预定频率，根据任务管理层发送的参数信息和预先建立的数学模型计算当前需要执行的快刀伺服指令位置信息；以及闭环控制层，用于根据快刀伺服指令位置信息和快刀伺服的实时位置信息生成闭环控制指令，以对快刀伺服进行闭环控制。本发明提供的快刀伺服控制系统的软件架构方便维护和升级。

Description

快刀伺服控制系统的软件架构

技术领域

本发明涉及快刀伺服控制领域，尤其涉及一种快刀伺服控制系统的软件架构。

背景技术

具有表面微结构的零件在机械工程和光电产业中得到了越来越广泛的应用。这些表面有微小拓扑结构,如微透镜、微V沟、微金字塔等微阵列结构,面形精度达亚微米级,表面粗糙度达纳米级,这些表面结构使元件表现出一些独特的光学性能和其它物理性能。由于精度要求高,传统加工方法的加工精度难以满足需求,金刚石超精密车削是加工这类零件的有效方法。其中,一种最好的实现方法是快刀伺服。

快刀伺服(Fast Tool Servo)的核心是伺服控制的刀架及其控制系统。控制系统在实时采集主轴角度信号的基础上，实时发出控制量，控制刀具实时微进给，从而实现刀具跟踪工件面形的起伏变化。快刀伺服在加工前仅需对零件面形进行精确计算，生成能表征零件面形的数据文件。由于快刀伺服的运动频响高、行程只有数毫米，因而，其适于加工面形突变或不连续、有限行程内的微小结构。

快刀伺服车削的主要特点：将被加工的复杂形面分解为回转形面和形面上的微结构，然后将两者叠加。由X轴和Z轴进给实现回转形面的轨迹运动，对车床主轴只进行位置检测并不进行轨迹控制。借助安装在Z轴但独立于车床数控系统之外的冗余运动轴来驱动刀具，完成车削微结构形面所需的Z轴运动。这种加工方法具有高频响、高刚度、高定位精度的特点。

现有技术的快刀伺服控制系统不易升级和维护，针对该技术问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种方便维护和升级的快刀伺服控制系统的软件架构。

为了实现上述目的，本发明提供了一种快刀伺服控制系统的软件架构，该软件架构从顶层到底层依次包括：人机界面层，用于接收和显示用户输入的快刀伺服的加工程序中所需的参数信息，并将参数信息发送至任务管理层；任务管理层，用于将参数信息发送至模型解析层，还用于与快刀伺服进行通讯以获取快刀伺服的实时位置信息并发送至闭环控制层；模型解析层，用于以预定时间周期或预定频率，根据任务管理层发送的参数信息和预先建立的数学模型计算当前需要执行的快刀伺服指令位置信息；以及闭环控制层，用于根据快刀伺服指令位置信息和快刀伺服的实时位置信息生成闭环控制指令，以对快刀伺服进行闭环控制，其中，任务管理层设置有应用接口，人机界面层与任务管理层之间通过应用接口相连，模型解析层与闭环控制层工作在同一实时操作系统中。

进一步地，模型解析层包括：模型解析模块，用于调用数学函数生成数学模型，并将参数信息输入至数学模型进行计算，以得到理论快刀伺服指令位置信息；以及运动规划模块，用于根据快刀伺服的约束条件对理论快刀伺服指令位置信息进行优化，以得到快刀伺服指令位置信息和快刀伺服指令速度。

进一步地，任务管理层还用于与快刀伺服进行通讯以获取快刀伺服的执行状态和执行参数，并将快刀伺服的执行状态和执行参数发送至人机界面层；人机界面层还用于显示快刀伺服的执行状态和执行参数。

进一步地，人机界面层还用于以图形或动画的形式，根据用户输入的快刀伺服的加工程序中所需的参数信息显示快刀伺服的模拟路径或模拟快刀车削截面，根据快刀伺服的执行状态和执行参数显示快刀伺服的实际路径或实际快刀车削截面。

进一步地，任务管理层还用于根据快刀伺服的执行状态和执行参数进行报警判断处理。

进一步地，任务管理层还用于根据报警判断处理得到的结果对快刀伺服进行保证安全的控制操作。

进一步地，任务管理层还用于将报警判断处理后得到的报警信息发送至人机界面层，人机界面层还用于显示报警信息、参数配置信息、系统错误恢复和诊断信息。

进一步地，人机界面层还提供了参数配置接口、状态查询接口、编写显示接口和历史查询接口中至少一种；参数配置接口用于设置快刀的位置、速度、加速度和加加速度进行控制；状态查询接口用于查看快刀伺服的执行状态；编写显示接口用于编辑显示运行已做好的加工参数文件；历史查询接口用于查看历史报警信息。

进一步地，人机界面层、任务管理层、模型解析层和闭环控制层的优先级逐渐升高。

进一步地，预定频率大于500HZ。

本发明的快刀伺服的软件架构，从顶层到底层依次包括人机界面层、任务管理层、模型解析层和闭环控制层，且任务管理层提供了应用接口，方便外部应用通过应用接口添加到快刀伺服整体控制的软件架构中实现软件架构的升级，且分成四层，方便维护。同时，实现快刀伺服的闭环控制，控制精度高。

附图说明

图1为本申请提供的一种快刀伺服控制系统的软件架构的框图；

图2为本申请提供的一种快刀伺服控制系统的软件架构中模型解析层的框图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，在下面的具体实施方式中，将对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本申请提供了一种快刀伺服控制系统的软件架构的实施例，在该实施例中，软件架构从顶层到底层依次包括人机界面层、任务管理层、模型解析层和闭环控制层，共四层结构。

其中，人机界面层、任务管理层、模型解析层和闭环控制层四层结构的优先级逐渐升高。人机界面层实现用户与快刀伺服控制系统之间的交互，包括接收用户输入的信息和向用户展示快刀伺服的运行信息；任务管理层主要负责通讯管理，用于管理快刀伺服和人机界面层的通讯，并且进行不断更新，设置有应用接口，该应用接口可与外部应用进行通讯，人机界面层与任务管理层也通过该应用接口进行通讯；模型解析层进行快刀位置的计算，闭环控制层实现快刀位置的控制。

具体地，各层功能分别说明如下。

人机界面层用于接收、显示、存储和管理用户输入的快刀伺服的加工程序中所需的参数信息，并将参数信息通过应用接口发送至任务管理层，该人机界面层可以通过触摸显示板接收和显示参数信息，也可以通过无线通信接收模块进行参数信息的接收，通过显示面板进行参数信息的显示。

其中，参数信息包括在使用公式表达或描述的空间曲面时所采用的参数信息，如曲率等。

任务管理层一方面与人机界面层通过应用接口进行通信，可得到人机界面层接收到的参数信息，并将参数信息发送至模型解析层；另一方面与快刀伺服进行通讯，以获取快刀伺服的实时位置信息，并将实时位置信息发送至闭环控制层，在信息接收和发送的过程中，任务管理层进行数据传递解析等非实时任务。

模型解析层运行在实时操作系统上，用于以预定时间周期或预定频率，根据任务管理层发送的参数信息和预先建立的数学模型计算当前需要执行的快刀伺服指令位置信息。例如，以预定频率大于500HZ进行快刀伺服指令位置信息的计算，能够快速、准确、及时的计算当前快刀的所需要实行的位置、速度等信息。

闭环控制层与模型解析层运行在同一实时操作系统上，用于对比快刀伺服指令位置信息和快刀伺服的实时位置信息，从两信息之间得到快刀伺服的位置差，进而由位置差生成闭环控制指令，以对快刀伺服进行闭环控制。

采用该实施例提供的快刀伺服的软件架构，从顶层到底层依次包括人机界面层、任务管理层、模型解析层和闭环控制层，且任务管理层提供了应用接口，方便外部应用通过应用接口添加到快刀伺服整体控制的软件架构中实现软件架构的升级，且分成四层，方便维护。同时，实现快刀伺服的闭环控制，控制精度高。

在一种优选实施例中，如图2所示，模型解析层包括模型解析模块和运动规划模块。其中，模型解析模块用于调用各种数学函数生成数学模型，并将参数信息输入至数学模型进行计算，通过计算能够得到理论快刀伺服指令位置信息。运动规划模块用于根据快刀伺服的约束条件对理论快刀伺服指令位置信息进行优化，以得到快刀伺服指令位置信息和快刀伺服指令速度，其中，快刀伺服的约束条件包括快刀伺服自身速度上的限制、加速度上的限制等，运动规划模块在优化快刀伺服指令位置信息和快刀伺服指令速度时，采用实时处理插补算法得到，包括但不限于直线、圆弧、样条。

该运动规划模块还具有配合其它机床控制系统的自动运行快刀控制的功能。例如：通过触发信号执行特定参数模型的轨迹运动。

采用该优选实施例，通过约束条件对理论快刀伺服指令位置信息进一步优化，能够使快刀伺服指令位置信息更贴合快刀伺服的实际应用场景。

在一种优选实施例中，任务管理层还用于对快刀伺服的状态进行管理，与快刀伺服进行通讯以获取快刀伺服的执行状态和执行参数，并将快刀伺服的执行状态和执行参数发送至人机界面层，人机界面层还用于显示快刀伺服的执行状态和执行参数，以对快刀伺服的执行情况进行监控和显示。其中，快刀伺服的执行状态包括加工状态、手动控制状态、报警状态或质检状态等；执行参数包括快刀位置信息、快刀速度信息、快刀加速度信息、快刀电流信息等快刀工作过程中相关的参数。

进一步优选地，人机界面层还用于以图形或动画的形式，根据用户输入的快刀伺服的加工程序中所需的参数信息显示快刀伺服的模拟路径或模拟快刀车削截面，使得用户能够监控和纠正输入的参数信息是否有误。人机界面层还用于根据快刀伺服的执行状态和执行参数显示快刀伺服的实际路径或实际快刀车削截面，在显示时，可通过模型解析层中模型解析模块生成的数学模型，也即建模信息进行显示，使得用户能够及时的了解到快刀伺服的运行情况。

任务管理层还用于根据快刀伺服的执行状态和执行参数进行报警判断处理，并根据报警判断处理得到的结果对快刀伺服进行保证安全的控制操作，实现快刀伺服的安全运行；任务管理层还用于将报警判断处理后得到的报警信息发送至人机界面层，将报警信息实时展示给用户。人机界面层还用于显示报警信息、参数配置信息、系统错误恢复和诊断信息。

其中，参数配置信息是指快刀的位置、速度、加速度和加加速度等信息的显示；系统错误恢复信息是指系统在检测到报警信息后，通过人为干预或系统扫描检测后恢复正常，在此恢复过程中的相关的信息；诊断信息是指在报警信息发生后，系统提示出的可能的故障原因或解决方法。

此外，人机界面层还提供了参数配置接口、状态查询接口、编写显示接口和历史查询接口中至少一种。其中，参数配置接口用于设置快刀的位置、速度、加速度和加加速度进行控制；状态查询接口用于查看快刀伺服的执行状态；编写显示接口用于编辑显示运行已做好的加工参数文件；历史查询接口用于查看历史报警信息。

以上对本发明所提供的一种快刀伺服控制系统的软件架构进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种快刀伺服控制系统的软件架构，其特征在于，从顶层到底层依次包括：

人机界面层，用于接收和显示用户输入的快刀伺服的加工程序中所需的参数信息，并将所述参数信息发送至任务管理层；

所述任务管理层，用于将所述参数信息发送至模型解析层，还用于与所述快刀伺服进行通讯以获取所述快刀伺服的实时位置信息并发送至闭环控制层；

所述模型解析层，用于以预定时间周期或预定频率，根据所述任务管理层发送的参数信息和预先建立的数学模型计算当前需要执行的快刀伺服指令位置信息；以及

所述闭环控制层，用于根据所述快刀伺服指令位置信息和所述快刀伺服的实时位置信息生成闭环控制指令，以对所述快刀伺服进行闭环控制，

其中，所述任务管理层设置有应用接口，所述人机界面层与所述任务管理层之间通过所述应用接口相连，所述模型解析层与所述闭环控制层工作在同一实时操作系统中。

2.根据权利要求1所述的快刀伺服控制系统的软件架构，其特征在于，所述模型解析层包括：

模型解析模块，用于调用数学函数生成数学模型，并将所述参数信息输入至所述数学模型进行计算，以得到理论快刀伺服指令位置信息；以及

运动规划模块，用于根据所述快刀伺服的约束条件对所述理论快刀伺服指令位置信息进行优化，以得到所述快刀伺服指令位置信息和快刀伺服指令速度。

3.根据权利要求1所述的快刀伺服控制系统的软件架构，其特征在于，

所述任务管理层还用于与所述快刀伺服进行通讯以获取所述快刀伺服的执行状态和执行参数，并将所述快刀伺服的执行状态和执行参数发送至人机界面层；

所述人机界面层还用于显示所述快刀伺服的执行状态和执行参数。

4.根据权利要求3所述的快刀伺服控制系统的软件架构，其特征在于，所述人机界面层还用于以图形或动画的形式，根据所述用户输入的快刀伺服的加工程序中所需的参数信息显示所述快刀伺服的模拟路径或模拟快刀车削截面，根据所述快刀伺服的执行状态和执行参数显示所述快刀伺服的实际路径或实际快刀车削截面。

5.根据权利要求3所述的快刀伺服控制系统的软件架构，其特征在于，所述任务管理层还用于根据所述快刀伺服的执行状态和执行参数进行报警判断处理。

6.根据权利要求5所述的快刀伺服控制系统的软件架构，其特征在于，所述任务管理层还用于根据报警判断处理得到的结果对所述快刀伺服进行保证安全的控制操作。

7.根据权利要求5所述的快刀伺服控制系统的软件架构，其特征在于，所述任务管理层还用于将报警判断处理后得到的报警信息发送至人机界面层，所述人机界面层还用于显示所述报警信息、参数配置信息、系统错误恢复和诊断信息。

8.根据权利要求7所述的快刀伺服控制系统的软件架构，其特征在于，所述人机界面层还提供了参数配置接口、状态查询接口、编写显示接口和历史查询接口中至少一种；所述参数配置接口用于设置快刀的位置、速度、加速度和加加速度进行控制；所述状态查询接口用于查看所述快刀伺服的执行状态；所述编写显示接口用于编辑显示运行已做好的加工参数文件；所述历史查询接口用于查看历史报警信息。

9.根据权利要求1所述的快刀伺服控制系统的软件架构，其特征在于，所述人机界面层、所述任务管理层、所述模型解析层和所述闭环控制层的优先级逐渐升高。

10.根据权利要求1所述的快刀伺服控制系统的软件架构，其特征在于，所述预定频率大于500HZ。