CN107450466A - 一种冲压机器人控制器及其高速平稳控制方法 - Google Patents

一种冲压机器人控制器及其高速平稳控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种冲压机器人控制器，包括编程单元和控制单元，编程单元与控制单元通过网络连接，所述控制单元的处理器采用双核芯片，其包括ARM核和DSP核，ARM核包括指令集模块和可编程逻辑控制模块；DSP核包括指令译码模块和轨迹控制程序模块；ARM核和DSP核通过高速总线连接；本发明提供的冲压机器人控制器，其将逻辑控制和轨迹控制功能集成到一个双核芯片上，形成单芯片双核控制器结构，简化了冲压机器人控制器的结构，同时提高了机器人的工作效率。本发明还提供一种采用上述冲压机器人控制器的高速平稳控制方法，其通过自适应S曲线加减速控制方法和软插补、硬插补双级插补方式的结合实现了对冲压机器人的高速平稳运动控制。

Description

一种冲压机器人控制器及其高速平稳控制方法
技术领域
本发明涉及机器人控制技术领域，主要涉及一种冲压机器人控制器及其高速平稳控制方法。
背景技术
冲压机器人一种用于实现冲压生产线零件上下料的工业机器人，与一般的搬运工业机器人相比，需要有较强的负载能力、较大的柔性以及较高的运行速度，冲压机器人控制器则是用于控制冲压机器人达到上述要求的控制设备。
目前，市场上已有的冲压机器人控制器的大多数采用PLC控制，不能实现机器人的多轴运行轨迹优化和加减速的控制，导致机器人不能实现高速平稳运行，降低了冲压机器人的冲压效率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种利用单芯片双核结构、将轨迹控制和逻辑控制功能集成在一起的冲压机器人控制器。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种冲压机器人控制器，其包括编程单元模块和控制单元，所述编程单元与控制单元通过网络连接，所述控制单元的处理器为双核芯片，其包括ARM核和DSP核，所述ARM核包括指令集模块和可编程逻辑控制模块,所述可编程逻辑控制模块用于控制生产设备的动作；所述DSP核包括指令译码模块和轨迹控制模块，所述轨迹控制模块用于规划和控制机械人的运动轨迹；所述ARM核和DSP核互相连接通信。
与现有技术相比，本发明提供的冲压机器人控制器，其将机器人的轨迹控制与逻辑控制功能集成到一个处理芯片上，形成单芯片双核的控制器结构，简化了冲压机器人控制器的结构，同时强化了冲压机器人的功能，提高了机器人的工作效率。
优选的，控制模块利用共享存储器设有IO映射区，所述ARM核和DSP核通过所述IO映射区实现数据通信；所述ARM核和DSP核通过所述IO映射区并且采用中断方式实现双核之间的数据通信，ARM核向DSP核传送数据时，ARM核将数据和标记写入到IO映射区，DSP核收到中断请求，开始进入中断服务程序，中断服务结束后设置中断标志，完成ARM核向DSP核的数据传送；DSP核向ARM核传送数据时，ARM核首先注册中断，然后关联中断号和事件句柄，ARM核进入中断服务程序，中断服务结束后设置中断标志，完成数据交换。
优选的，所述轨迹控制模块包括自适应S曲线加减速控制单元，所述自适应S曲线加减速控制单元与指令译码模块连接，所述自适应S曲线加减速控制单元用于计算每个插补周期的机器人运动速度，实现冲压机器人的平稳运动控制。
进一步的，所述轨迹控制模块还包括滑动滤波器，所述滑动滤波器与所述自适应S曲线加减速控制单元连接，用于每个插补周期的机器人运动速度的消除速度突变，确保达到平稳控制的目的。
优选的，所述轨迹模块还包括多轴联动插补单元，所述滑动滤波器与所述多轴联动插补单元连接，所述多轴联动插补单元根据每个插补周期的机器人运动速度计算出各轴运动增量，实现第一次多轴联动插补计算，即对冲压机器人进行软插补计算。
进一步的，还包括硬插补模块，所述硬插补模块与所述多轴联动插补单元连接，所述硬插补模块根据第一次多轴联动插补计算结果，进行第二次多轴联动插补计算，即对冲压机器人进行硬插补计算，即对冲压机器人进行精插补，所述硬插补模块为FPGA插补模块。
优选的，所述第一次多轴联动插补计算采用数字增量式积分器(DDA)算法获得采样周期的各轴数字值，所述第二次多轴联动插补计算采用FPGA插补芯片并且应用脉冲式DDA算法产生出均匀化的指令脉冲信号；采用多轴联动插补单元软插补计算和FPGA插补芯片硬插补计算的软硬件双级插补实现了机器人高速控制，提高了冲压机器人的冲压效率。
本发明还提供一种采用上述冲压机器人控制器的高速平稳控制方法，其步骤包括：
S1：编程单元输入冲压路径参数到指令集模块中，其中指令集模块将轨迹指令传送到指令译码模块中进行二进制转换、指令解析和数据预处理；指令集模块将逻辑控制指令传送到可编程逻辑控制模块中；
S2：指令译码模块将处理完的指令信息传送到自适应S曲线加减速控制单元中，自适应S曲线加减速控制单元根据指令译码模块送来的运动数据，计算每个插补周期的机器人运动速度；同时利用滑动滤波器消除速度突变，并将运动速度信息传送到多轴联动插补单元中；
S3：多轴联动插补单元根据S2传来的速度信息，采用数字插补方法计算各轴运动增量；
S4：多轴联动插补单元将S3中各轴运动增量数据信息送到IO映射区，同时将各轴运动增量数据信息送到FPGA模块插补模块中产生伺服控制脉冲信号，并传送到驱动器中，驱动器驱动冲压机器人运动；
S5：IO映射区将收到的各轴运动增量数据信息传送到可编程逻辑控制模块中；
S6：生产线设备将状态数据传送到可编程逻辑控制模块中，可编程逻辑控制模块根据接收到的逻辑控制指令和生产设备线的状态数据，完成冲压机器人与生产线的协作控制。
优选的，实现步骤S2中的机器人加减速控制的具体步骤为：
1)机器人末端坐标系下最大允许速度和最大允许加速度的计算；
2)相邻段转接处最大允许速度的计算；
3)加减速时间常数自适应的计算；
4)基于滑动滤波的S加减速控制。
与现有技术相比，通过S曲线加减速控制方法和软插补、硬插补双级插补方式的结合实现了对冲压机器人的高速平稳运动控制。
附图说明
图1是本发明冲压机器人控制器的结构示意图一；
图2是本发明冲压机器人控制器的结构示意图二
图3是本发明冲压机器人控制器的双核结构控制图一；
图4是本发明冲压机器人控制器的双核结构控制图二；
图5是本发明自适应S加减速控制原理图；
图6是本发明基于滑动滤波器的速度规划结构图。
具体实施方式
以下结合附图说明本发明的一种优选的具体实施方式。
参见图1和图2，一种冲压机器人控制器，其包括编程单元和控制单元，所述编程单元通过RS232接口与控制单元连接，所述控制单元的处理器为双核芯片，其包括ARM核和DSP核，所述ARM核包括指令集模块和可编程逻辑控制模块；所述可编程逻辑控制模块用于控制生产设备的动作；所述DSP核包括指令译码模块和轨迹控制模块，所述轨迹控制模块用于规划和控制机械人的运动轨迹；所述ARM核和DSP核互相连接通信。
与现有技术相比，本发明提供的冲压机器人控制器，其将机器人轨迹控制与PLC控制集成到一个双核芯片上，形成单芯片双核的控制结构结构，简化了冲压机器人控制器的结构，强化了冲压机器人的功能，提高了机器人的工作效率。
作为优选方案，通过共享存储器设有IO映射区，所述ARM核和DSP核通过所述IO映射区并采用中断的方式实现数据通信；ARM核向DSP核传送数据时，ARM核将数据和标记写入到IO映射区，DSP核收到中断请求，开始进入中断服务程序，中断服务结束后设置中断标志，完成ARM核向DSP核的数据传送；DSP核向ARM核传送数据时，ARM核首先注册中断，然后关联中断号和事件句柄，ARM核进入中断服务程序，中断服务结束后设置中断标志，完成数据交换。
参见图3和图4，本机器人控制器的内部存储器包括ARM核的FLASH和RAM、DSP核的FLASH和RAM、以及64KB的RAM共享内存；DSP核的FLASH用来存储冲压机器人的轨迹控制程序，ARM核的FLASH用来存储PLC程序；为了保存冲压机器人的运动轨迹，构建了一个512KB的SDRAM外部存储器，并构建了256KB的FLASH用来存储冲压机器人的系统参数；IO电路通过高速SPI纵向与控制单元连接。
作为优选方案，所述轨迹控制模块包括自适应S曲线加减速控制单元、滑动滤波器和多轴联动插补单元，所述自适应S曲线加减速控制单元与指令译码模块连接，所述自适应S曲线加减速控制单元用于计算每个插补周期的机器人运动速度，实现冲压机器人的平稳运动控制，具体为：利用冲压机器人各关节所允许的最大速度、最大加速度和最大加加速度等约束条件，根据各段轨迹的起点速度vs和终点速度ve的绝对差值|vs-ve|，自适应调整加减速时间常数，进而通过时间常数来调整该段的速度、加速度和加加速度，进而实现冲压机器人的平稳运动控制；
所述滑动滤波器与所述自适应S曲线加减速控制单元连接，用于每个插补周期的机器人运动速度的消除速度突变，确保达到平稳控制的目的；所述滑动滤波器与所述多轴联动插补单元连接，所述多轴联动插补单元根据每个插补周期的机器人运动速度计算出各轴运动增量，实现第一次多轴联动插补计算，即对冲压机器人进行软插补计算。
作为优选方案，还包括硬插补模块，所述硬插补模块与所述多轴联动插补单元连接，所述硬插补模块根据第一次多轴联动插补计算结果，进行第二次多轴联动插补计算，即对冲压机器人进行硬插补计算，所述硬插补模块为FPGA插补模块。
所述第一次多轴联动插补计算采用数字增量式积分器(DDA)算法获得采样周期的各轴数字值，根据当前速度，按插补周期将轨迹轮廓曲线分割为晓得直线，在每一个插补周期中，根据圆弧或者直线插补公式来计算出分配到各个坐标轴上的实际偏移量，也就是各轴的增量。为了保证精度使用了3字长的定点运算，必然带来截断误差，采用累加补偿来减小误差，设立一个误差累加器，当累计误差达到一定阈值，进行一次补偿处理；
所述第二次多轴联动插补计算采用FPGA插补芯片并且应用脉冲式DDA算法产生出均匀化的指令脉冲信号；采用多轴联动插补单元软插补计算和FPGA插补芯片硬插补计算的软硬件双级插补实现了机器人高速控制，提高了冲压机器人的冲压效率；所述FPGA芯片通过SPI接口与多轴联动插补单元连接。
本发明还提供一种采用上述冲压机器人控制器的高速平稳控制方法，其步骤包括：
S1：编程单元输入冲压路径参数到指令集模块中，其中指令集模块将轨迹指令传送到指令译码模块中进行二进制转换、指令解析和数据预处理；指令集模块将逻辑控制指令传送到可编程逻辑控制模块中；
S2：指令译码模块将处理完的指令信息传送到自适应S曲线加减速控制单元中，自适应S曲线加减速控制单元根据指令译码模块送来的运动数据，计算每个插补周期的机器人运动速度；同时利用滑动滤波器消除速度突变，并将运动速度信息传送到多轴联动插补单元中；
S3：多轴联动插补单元根据S2传来的速度信息，采用数字插补方法计算各轴运动增量；
S4：多轴联动插补单元将S3中各轴运动增量数据信息送到IO映射区，同时将各轴运动增量数据信息送到FPGA模块插补模块中产生伺服控制脉冲信号，并传送到驱动器中，驱动器驱动冲压机器人运动；
S5：IO映射区将收到的各轴运动增量数据信息传送到可编程逻辑控制模块中；
S6：生产线设备将状态数据传送到可编程逻辑控制模块中，可编程逻辑控制模块根据接收到的逻辑控制指令和生产设备线的状态数据，完成冲压机器人与生产线的协作控制。
参见图5，实现步骤S2中的机器人加减速控制的具体步骤为：
1)机器人末端坐标系下最大允许速度和最大允许加速度的计算；
假设机器人共由m个关节所组成，各关节所允许的最大角速度为最大角加速度为利用机器人运动学计算机器人末端坐标系下最大允许速度(vx，max，vy，max，vz，max)，最大允许加速度(ax，max，ay，max，az，max)。
2)相邻段转接处最大允许速度的计算；
假设第l(i)段与第l(i+1)段的转接处最大允许速度为vemax,i，第l(i)段与l(i+1)段的转接点Ai为(xi，yi，zi)T，l(i)在Ai处的单位方向矢量为ee,i＝(exe,i,eye,i,eze,i)T，l(i+1)在Ai处的单位方向矢量为es,i+1＝(exs,i+1,eys,i+1,ezs,i+1)T，令l(i+1)段起点进给速度等于l(i)段终点进给速度，即vs,i+1＝ve,i，则转接点处加速度约束条件为
即ve,i≤ve1,i，其中ve1,i＝min{axmaxT/|exs,i+1-exe,i|,aymaxT/|eys,i+1-eye,i|,azmaxT/|ezs,i+1-eze,i|}。
此外，转接点处的速度一般约束条件为
即ve,i≤ve2,i，其中
因此，转接点处最大允许速度为
vemax,i＝min{ve1,i,ve2,i}
3)加减速时间常数自适应的计算；
为了自适应调整加减速时间常数Tud，令加减速时间常数与加减速过程的起点速度vs和终点速度ve的绝对差值|vs-ve|成正比，即
Tud＝kud|vs-ve|
其中，kud为常比例系数。
4)基于滑动滤波的S加减速控制；
S曲线加减速由直线加减速规划和平滑滤波两个步骤来实现，即在速度的直线加减速规划后，通过滑动平均滤波器来解决直线加减速的加速度跳变问题，从而实现S加减速。
参见图6，基于滑动平均滤波的速度规划结构，在直线加减速规划后串联一个长度L的滑动平均滤波器，通过对前L个速度数据进行累加平均。假设直线加减速规划后的第k个插补周期的速度为vk，则滑动平均滤波器第k个插补周期的速度为
冲压机器人的运动规划采用了(DSP+FPGA)软硬件结合方式，第一级为软插补，其利用软件方式进行多轴联动插补计算，采用数字增量式积分器(DDA)算法，根据当前速度，按插补周期将轨迹轮廓曲线分割为晓得直线，在每一个插补周期中，根据圆弧或者直线插补公式来计算出分配到各个坐标轴上的实际偏移量，也就是各轴的增量。为了保证精度使用了3字长的定点运算，必然带来截断误差，采用累加补偿来减小误差，设立一个误差累加器，当累计误差达到一定阈值，进行一次补偿处理；第二级为硬插补，其使用FPGA插补模块，采用了脉冲式DDA算法产生出控制脉冲，经过均匀器均匀化处理输出脉冲。
与现有技术相比，通过S曲线加减速控制方法和软插补、硬插补双级插补方式的结合实现了对冲压机器人的高速平稳运动控制。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (9)

1.一种冲压机器人控制器，其包括编程单元和控制单元，所述编程单元与控制单元通过网络连接，其特征在于：所述控制单元的处理器为双核芯片，其包括ARM核和DSP核，所述ARM核包括指令集程序模块和可编程逻辑控制程序模块,所述可编程逻辑控制模块用于控制生产设备的动作；所述DSP核包括指令译码模块和轨迹控制模块，所述轨迹控制模块用于规划和控制机械人的运动轨迹。
2.根据权利要求1所述的冲压机器人控制器，其特征在于：所述ARM核和DSP核通过共享存储器连接，共享存储器内设有IO映射区，所述ARM核和DSP核通过所述IO映射区并采用中断方式实现双核之间的数据通信。
3.根据权利要求1所述的冲压机器人控制器，其特征在于：所述轨迹控制模块包括自适应S曲线加减速控制单元，所述自适应S曲线加减速控制单元与指令译码模块连接，所述自适应S曲线加减速控制单元用于计算每个插补周期的机器人运动速度。
4.根据权利要求3所述的冲压机器人控制器，其特征在于：所述轨迹控制模块还包括滑动滤波器，所述滑动滤波器与所述自适应S曲线加减速控制单元连接，用于每个插补周期的机器人运动速度的消除速度突变。
5.根据权利要求4所述的冲压机器人控制器，其特征在于：所述轨迹控制模块还包括多轴联动插补单元，所述滑动滤波器与所述多轴联动插补单元连接，所述多轴联动插补单元根据每个插补周期的机器人运动速度计算出各轴运动增量，实现第一次多轴联动插补计算。
6.根据权利要求5所述的冲压机器人控制器，其特征在于：还包括硬插补模块，所述硬插补模块与所述多轴联动插补单元连接，所述硬插补模块根据第一次多轴联动插补计算结果，进行第二次多轴联动插补计算。
7.根据权利要求6所述的冲压机器人控制器，其特征在于：所述第一次多轴联动插补计算采用数字增量式积分器(DDA)算法获得采样周期的各轴数字值，所述第二次多轴联动插补计算采用FPGA插补芯片并且应用脉冲式DDA算法产生出均匀化的指令脉冲信号。
8.一种冲压机器人控制器的高速平稳控制方法，其包括以下步骤：
S1：通过编程单元输入冲压路径参数到指令集模块中，其中指令集模块将轨迹指令传送到指令译码模块中进行二进制转后、指令解析和数据预处理等计算；指令集模块将逻辑控制指令传送到可编程逻辑控制模块中；
S2：指令译码模块将处理完的指令信息传送到自适应S曲线加减速控制单元中，自适应S曲线加减速控制模块根据指令译码模块送来的运动数据，计算每个插补周期的机器人运动速度；同时利用滑动滤波器消除速度突变，并将运动速度信息传送到多轴联动插补单元中；
S3：多轴联动插补单元根据S2传来的速度信息，采用数字插补方法计算各轴运动增量；
S4：多轴联动插补单元将S3中各轴运动增量数据信息送到IO映射区，同时将各轴运动增量数据信息送到FPGA模块插补模块中产生伺服控制脉冲信号，并传送到驱动器中，驱动器驱动冲压机器人运动；
S5：IO映射区将收到的各轴运动增量数据信息传送到可编程逻辑控制模块中；
S6：生产线设备将状态数据传送到可编程逻辑控制模块中，可编程逻辑控制模块根据接收到的逻辑控制指令、生产设备线的状态数据和各轴运动增量数据信息，完成冲压机器人与生产线设备的协调控制。
9.根据权利要求8所述的冲压机器人控制器的高速平稳控制方法，其特征在于：实现步骤S2中的机器人加减速控制的具体步骤为：
1)机器人末端坐标系下最大允许速度和最大允许加速度的计算；
2)相邻段转接处最大允许速度的计算；
3)加减速时间常数自适应的计算；
4)基于滑动滤波的S加减速控制。
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