CN109093624A - 一种机械臂复杂曲线的连续插补运动控制方案 - Google Patents

一种机械臂复杂曲线的连续插补运动控制方案 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种机械臂复杂曲线的连续插补运动控制方案，涉及机械臂这类的多轴执行机构的运动控制领域，包括以下步骤:以执行机构的运动曲线搭建数学模型，将运动曲线化成为N个首尾相连的直线段，推演出执行机构的各轴在行走在第n份直线段时的位移和速度的给进量公式。通过PLC编程用计算机语言表达上述公式。PLC根据所表达的公式计算出第n份直线段的位移和速度给进量，向执行机构各轴的电机驱动器发送信号,控制各轴的电机转动，依次行走N个首尾相连的直线段。本发明的有益效果：利用普通PLC，以建模的方式计算运动数据，可实现任意轴数的复杂曲线的连续插补运动，解决了轨迹曲线固化的问题，具有运用灵活，通用性高，成本更低等优点。

Description

一种机械臂复杂曲线的连续插补运动控制方案
技术领域
本发明涉及机械控制领域，更具体地说是指机械臂，机器人这类的多轴执行机构的复杂曲线的连续插补运动控制方案。
背景技术
机械臂，机器人的运动控制核心是运动控制器,以往复杂运动曲线的控制方案通常采用品牌运动控制器作为控制核心,而这些控制方案往往具有很多限制条件：（1）如雷赛的DMC运动控制卡、欧姆龙的NX系列，这些品牌控制器往往存在成本高，外围器件多等问题，而且需要设计人员具有一定的专业能力,二次开发门槛较高，开发周期长,并且可维护性与可移植性不高，一旦设计人员离职往往会造成项目断档；（2）市面上常用的PLC的多轴连续插补控制方案模式单一，通常局限于单段的圆弧，椭圆，直线插补等, 复杂的运动曲线都是通过这些组合而成的 ，因此数据输入完成后运动轨迹就固定化且一旦开始运动就无法进行调整,并且输入工作量大且繁琐，往往需要通过包络表等方式记录大量运动参数，CPU再通过包络表计算各段脉冲段之间衔接时的运动数据；（3）想通过自主研发生产出成熟可靠的运动控制电路板更加难以实现。
发明内容
本发明提供的一种机械臂，机器人这类的多轴执行机构（以下用机械臂简称代替）的复杂曲线的连续插补运动控制方案，其目的在于解决现有技术中存在的上述问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种机械臂复杂曲线的连续插补运动控制方案,包括以下步骤:
A. 以机械臂的运动曲线搭建数学模型，将数学模型中复杂曲线化成为N个首尾相连的直线段，将n（1≤n≤N）作为唯一变量推算出机械臂的各轴在行走第n份直线段时的位移给进量S（n）和速度给进量V（n）的公式。
B. 通过PLC编程的方式用计算机语言表达出各轴的位移给进量S（n）和速度给进量V（n）的计算公式。
C. PLC根据上述公式的计算结果，向机械臂各轴的电机驱动器发送脉冲信号PULS与方向信号DIR,控制各轴的电机转动，依次行走N个首尾相连的直线段，实现机械臂的复杂曲线运动。
进一步，步骤C中，PLC通过脉冲信号PULS，以脉冲串（若干个连续脉冲的集合）的形式表达移给进量S（n）和速度给进量V（n）的具体数值；以脉冲串中，脉冲的个数表示位移给进量S（n）的具体数值，脉冲的频率表示速度给进量V（n）的具体数值。
进一步，步骤C包括以下子步骤：
C1. PLC执行脉冲发送指令。
C2. PLC根据各轴的位移给进量S（n）和速度给进量V（n），向各轴发送执行第n份直线段的脉冲信号PULS与方向信号DIR，同时计算各轴的位移给进量S（n+1）和速度给进量V（n+1）。
C3. 待机械臂走完第n份直线段时，触发中断程序。
C4. 判断N份直线段是否完成，若完成则结束，若未完成则n的数值加1，并重复步骤C1至C4。
进一步，该机械臂包括至少两个轴，以其中一个轴为主轴,剩余其它轴为辅轴；所述步骤B中，通过PLC编程设定使得，在执行每一个直线段的开始时，主轴和所有辅轴同时启动，并且主轴的运动时间略大于所有辅轴的运动时间，确保主轴在完成该直线段的位移给进量时，所有辅轴已提前完成该直线段的位移给进量。从而步骤C3中，当PLC通过脉冲信号PULS传达给主轴的脉冲串发送完成时，立即启动所述中断程序。
和现有的技术相比，本发明的优点在于：
1.以往PLC控制器的多轴多段连续插补方案（以下简称以往方案）输入工作量大且繁琐，往往需要通过包络表等方式记录大量运动参数，CPU再通过包络表计算各段脉冲段之间衔接时的运动数据。本方案采用搭建理论模型的方式自动计算并生成运动数据，只需输入特征参数即可（例如平面圆的模型只需输入半径和圆心位置）；因为不需要人工输入运动数据，可以高效生成大量数据，而数据量只受限于PLC寄存器数量。
2.以往方案的插补模式单一，通常局限于单段的圆弧，椭圆，直线等插补，复杂的运动曲线都是通过这些组合而成的，因此数据输入完成后运动轨迹就固定化且一旦开始运动就无法进行调整。本方案采用搭建理论模型的方式自动计算生成运动曲线数据，只要运动曲线可计算并通过PLC编程表达即可，不受限于固定的插补模式，具有广泛通用性。
3.以往方案的插补轴数固定且需要提前设置，通常是2轴-4轴，且带插补功能的PLC价格较无插补功能的高。本方案可通过不带插补功能的PLC实现2-6轴之间任意轴数的连续插补功能，低成本方式实现最多6轴的复杂曲线连续插补运动。
4.以往方案录入数据，开始运动后其轨迹曲线就已固化，无法实时调整。本方案采用实时计算的方式自动生成数据，在当前段运动过程中实时计算生成下一段的运动数据，从原理上解决轨迹曲线固定化的问题，控制方式更加灵活。实时计算生成数据的方式也解决了因反复启停，换向导致的脉冲数误差，因为每次启动前都会根据当前位置重新计算生成运动数据，精度更高。
5.以往方案的开发与维护门槛较高，需要设计人员具有一定的专业能力；研发周期长投入多，而可维护性与可移植性不高，一旦设计人员离职往往会造成项目断档。本方案采用常见电气器件搭建硬件平台，流程化的软件编程，可靠性与可移植性高。本人已通过此控制方案设计出2轴/3轴马鞍形/球形火焰切割机，替换了公司原来的嵌入式系统产品。
附图说明
图1为本发明中，机械臂的电气系统结构框图。其中，M表示大于或等于2的整数。
图2为马鞍形曲线的建模示意图。
图3为马鞍形曲线中，小角度运动的放大示意图。
图4为本发明中，PLC的程序流程图（以马鞍形曲线为例）。
图5为使用本发明进行控制的切割机设计图一。
图6为使用本发明进行控制的切割机设计图二。
图7为一种使用本发明进行控制，根据图5和图6所生产的切割机产品。
图8为另一种使用本发明进行控制的切割机产品。
具体实施方式
下面参照附图说明本发明的具体实施方式。为了全面理解本发明，下面描述到许多细节，但对于本领域技术人员来说，无需这些细节也可实现本发明。
参照图1，本发明采用的多轴机械臂主要包括：PLC，液晶显示触摸屏，电机及电机驱动器，电气连接器件，机械执行机构等。每个轴均配设有使其动作的电机和电机驱动器，这些电机驱动器与PLC相连，电机驱动器根据PLC提供的脉冲信号PULS与方向信号DIR来控制对应的电机旋转（即控制对应的轴进行运动）。这种机械臂式的电控系统组成简单可靠，均是采用常用品牌的PLC与常规电气器件，具有成本低，采购方便的优点。
上述机械臂复杂曲线的连续插补运动控制方案，包括以下步骤：
A. 以机械臂的运动曲线搭建数学模型，将数学模型中复杂曲线化成为N个首尾相连的直线段，将n（1≤n≤N）作为唯一变量推算出机械臂的各轴在行走第n份直线段时的位移给进量S（n）和速度给进量V（n）的公式。
B. 通过PLC编程的方式用计算机语言表达出各轴的位移给进量S（n）和速度给进量V（n）的计算公式。具体地，该机械臂包括至少两个轴，以其中一个轴为主轴,剩余其它轴为辅轴。通过PLC编程设定使得，在执行每一个直线段的开始时，主轴和所有辅轴同时启动，并且主轴的运动时间大于所有辅轴的运动时间，确保主轴在完成该直线段的位移给进量时，所有辅轴已提前完成该直线段的位移给进量。以确保中断程序触发时，主轴和所有辅轴均完成各种的位移给进量。
C. PLC根据各轴的位移给进量S（n）和速度给进量V（n）的表达公式的计算结果，通过PLC的脉冲输出端口向机械臂各轴的电机驱动器发送脉冲信号PULS与方向信号DIR,控制各轴的电机转动，依次行走N个首尾相连的直线段，实现机械臂的复杂曲线运动。具体地，PLC通过脉冲信号PULS，以脉冲串（若干个连续脉冲的集合）的形式表达移给进量S（n）和速度给进量V（n）的具体数值；以脉冲串中，脉冲的个数表示位移给进量S（n）的具体数值，脉冲的频率表示速度给进量V（n）的具体数值。
具体地，步骤C包括以下子步骤：
C1. PLC执行脉冲发送指令。
C2. PLC根据各轴的位移给进量S（n）和速度给进量V（n），向各轴发送执行第n份直线段的脉冲信号PULS与方向信号DIR，同时计算各轴的位移给进量S（n+1）和速度给进量V（n+1）。提前计算下一个直线段中各轴的位移给进量和速度给进量的好处在于：执行完一个直线段后，PLC可以利用计算好的参数立刻执行下一个直线段，保证各轴运动的连续性。这种实时计算的方式从原理上解决了轨迹曲线固定化问题，可以在运动的过程中随时调整速度与位置。实时计算生成数据的方式也解决了因反复启停，换向导致的脉冲数误差，因为每次启动前都会根据当前位置重新计算生成运动数据，精度更高。
C3. 待机械臂走完第n份直线段时，触发中断程序。具体地，当PLC通过脉冲信号PULS传达给主轴的脉冲串发送完成时，立即启动中断程序。由于通过PLC编程设定，在执行每一个直线段的过程中，主轴在完成该直线段的位移给进量时，所有辅轴已提前完成该直线段的位移给进量，以主轴的脉冲串发送完成为触发中断程序的条件，可以确保中断程序触发时，主轴和所有辅轴均完成各自的位移给进量。一旦主轴的脉冲串发送完成时，立即启动中断程序，随后进入下一个指令周期，这样可以保证主轴运动的连续性，同时在执行每一个直线段的过程中，主轴的运动时间只能略微大于所有辅轴的运动时间，保证各辅轴的连续性。具体地，主轴的运动时间大于所有辅轴的运动时间，且时间差控制在0.5ms以内。
C4. 判断N份直线段是否完成，若完成则结束，若未完成则n的数值加1，并重复步骤C1至C4。
参照图2和图3，下面以两个相互垂直圆柱的相贯线（马鞍形曲线）作为运动曲线，举例说明本发明。
设置左手坐标系，机械臂由旋转轴AxisR与升降轴AxisZ两个轴组成（由于马鞍形曲线的特点，只需要用到多轴机械臂中的两个轴即可完成该运动曲线，其它轴固定不动即可）。其中，旋转半径为r（小圆柱半径r），大圆柱半径为R，偏心距为m，运动起始点为S，大圆柱最高点为K，线速度为V。
当机械臂运动到P点时，XY平面中旋转角度为α，此时P点相对于K点在Z轴方向的下降距离为h
1)
2)
3)
公式3）即是机械臂旋转角度α与下降距离h的对应关系公式。当α=0°时，即为起始点S相对于最高点K的下降距离。
一个短时间∆t内，机械臂从P点继续旋转一个小角度∆α到达P´点，此时（XY平面中）旋转角度为α+ ∆α，P´点相对于K点（在Z轴方向）的下降距离为h´，同理可求：
4)
从P点到P´点（在Z轴方向）的下降距离P´´P´
5)P´´P´=h´-h=
6)圆弧PP´´=
易知∆t时间旋转轴的位移给进量= ，升降轴的位移给进量= P´´P´，总位移量为圆弧PP´，由于∆α很小，圆弧PP´≈线段PP´，圆弧PP´´≈线段PP´´，在直角三角形∆PP´´P´中可用勾股定理求得总位移量（线段）PP´的大小
7)
带入公式5)，6)可得
8)
在工程应用中枪尖线速度V一般为设定参数，求得∆t
9)
通过公式8)与9)可分别求得升降轴的线速度，即升降轴的速度给进量
10)
也易知旋转轴的角速度，即旋转轴的速度给进量
11)
根据上述的模型计算可以求得点P到P´点的旋转轴AxisR与升降轴AxisZ的位移给进量 与速度给进量。
相贯线（马鞍形曲线）在XY平面的投影是小圆Ο,如果将小圆Ο平均分成N份，再将这N个点投影回相贯线上就可将其分为N份，当N足够大时，即可将相贯线这样的复杂曲线划分为N个首尾相连的小线段；可将第n份中的n（1≤n≤N）作为唯一变量带入上述公式中推算出公式。通过PLC编程的方式用计算机语言表达出推算出的，再通过PLC的脉冲输出端口向电机驱动器发送脉冲信号PULS与方向信号DIR,从而控制各轴电机转动来实现机械臂的马鞍形曲线运动。
综上，本方案通过新的程序架构与PLC指令编程实现了灵活轴数（2-6轴,轴数受限于PLC脉冲输出端口数量）的，多直线段（份数N受限于PLC寄存器数量）连续插补的，复杂轨迹曲线（模型可计算并通过PLC编程表达出来）的运动控制功能。同时本方案在运动过程中实时计算并生成下一段运动数据，从而可实现速度与位置的实时调整。
参照图4，本方案应用转化过程中PLC编程为技术实现的关键，本方案给出新的程序架构，通过这种模式化流程可以高效地实现其它模型曲线的工程技术应用转化，具有广泛通用性。
参照图5至图8，本发明已应用于多种切割机，并做成产品出售到多个厂家，现场使用效果良好，充分证明了本发明的可行性与实用性。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (4)

1.一种机械臂复杂曲线的连续插补运动控制方案,其特征在于：包括以下步骤:
A. 以机械臂的运动曲线搭建数学模型，将数学模型中复杂曲线化成为N个首尾相连的直线段，将n（1≤n≤N）作为唯一变量推算出机械臂的各轴在行走第n份直线段时的位移给进量S（n）和速度给进量V（n）的公式；
B. 通过PLC编程的方式，用计算机语言表达出各轴的位移给进量S（n）和速度给进量V（n）的计算公式；
C. PLC根据所述公式的计算结果，向机械臂各轴的电机驱动器发送脉冲信号PULS与方向信号DIR,控制各轴的电机转动，依次行走N个首尾相连的直线段，实现机械臂的复杂曲线运动。
2.根据权利要求1所述的一种机械臂复杂曲线的连续插补运动控制方案,其特征在于：步骤C中，PLC通过脉冲信号PULS，以脉冲串（若干个连续脉冲的集合）的形式表达移给进量S（n）和速度给进量V（n）的具体数值；以脉冲串中，脉冲的个数表示位移给进量S（n）的具体数值，脉冲的频率表示速度给进量V（n）的具体数值。
3.根据权利要求1或2所述的一种机械臂复杂曲线的连续插补运动控制方案,其特征在于：步骤C包括以下子步骤：
C1. PLC执行脉冲发送指令；
C2. PLC根据各轴的位移给进量S（n）和速度给进量V（n），向各轴发送执行第n份直线段的脉冲信号PULS与方向信号DIR，同时计算各轴的位移给进量S（n+1）和速度给进量V（n+1）；
C3. 待机械臂走完第n份直线段时，触发中断程序；
C4. 判断N份直线段是否完成，若完成则结束，若未完成则n的数值加1，并重复步骤C1至C4。
4.根据权利要求3所述的一种机械臂复杂曲线的连续插补运动控制方案,其特征在于：该机械臂包括至少两个轴，以其中一个轴为主轴,剩余其它轴为辅轴；所述步骤B中，通过PLC编程设定使得，在执行每一个直线段的开始时，主轴和所有辅轴同时启动，并且主轴的运动时间略大于所有辅轴的运动时间，确保主轴在完成该直线段的位移给进量时，所有辅轴已提前完成该直线段的位移给进量。从而步骤C3中，当PLC通过脉冲信号PULS传达给主轴的脉冲串发送完成时，立即启动所述中断程序。
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