CN109508050A - 一种自动点钻机速度控制方法 - Google Patents

Abstract

一种自动点钻机速度控制方法，包括以下步骤：1)得出加速度规划表(a₁,a₂,···,a_n)；2)设定每一次加速的加速周期为Δt_n，Δt_n表示在第n次加速前需要保持当前速度运行Δt_n的时间；Δt_n的大小和点钻步进电机的当前速度成正比，最小加速周期为Δt，结合步骤1)计算得到电机的速度规划表(v₁,v₂,···,v_n)和达到目标速度所需要的脉冲数目的脉冲规划表(l₁,l₂,···,l_n)；3)根据点钻电机的目标位置和当前位置计算得到行程L，目标速度为v_p，结合v_p和L与步骤2)的速度规划表、脉冲规划表中的值进行比较，得到符合速度规划表、脉冲规划表的速度控制曲线。本发明提出了一种可以实现点钻步进电机快速提速、提高点钻机工作稳定性和效率的自动点钻机速度控制方法。

Description

一种自动点钻机速度控制方法

技术领域

本发明属于运动控制技术领域，尤其是一种自动点钻机速度控制方法。

背景技术

近年来，物品点钻行业开始采用步进电机带动设备进行点钻的方式代替传统手工方式，越来越受到人们的关注。点钻机的点钻步进电机在工作过程中需要同时带动多个点胶头和点钻头进行运动，对于步进电机来说是一个比较大的负载，而点钻步进电机需要频繁进行加减速运动，尤其是高速阶段的加减速，常常导致点钻机产生抖动。采用伺服电机可以达到较好的效果，但是伺服电机相比步进电机价格昂贵，设备成本增加；此外，点钻步进电机需要快速提速增加设备工作效率，但是点钻步进电机快速提速导致的速度突变，会导致点钻机出现料钻脱落和料钻位置偏移的现象。因此，为了提高点钻机的工作稳定性和工作效率，同时保持较低的产品成本，需要一种新的自动点钻机速度控制方法。

发明内容

为了实现自动点钻机快速提速，以及解决点钻步进电机频繁加减速带来的抖动，还有料钻脱落和料钻位置偏移的问题，本发明提出了一种可以实现点钻步进电机快速提速、提高点钻机工作稳定性和效率的自动点钻机速度控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种自动点钻机速度控制方法，所述方法包括以下步骤：

1)根据点钻步进电机的矩频特性和点钻机的机械结构，确定点钻步进电机所能承受的最大加速度a_max；料钻脱落和料钻位置偏移发生在点钻的起步阶段和结束阶段，通过现场测试获得可以有效防止料钻脱落和料钻位置偏移的点钻电机起步加速度a_s；将a_s作为加速阶段的起始加速度进行匀加速，然后中间一段加速过程在加速度最大值不超过a_max，最小值不小于a_s的条件下，对中间加速过程进行规划，进行变加速运动，最后阶段以加速度a_s继续匀加速达到目标速度，从而得出加速度规划表(a₁,a₂,···,a_n)，下标1到n表示加速度的规划顺序，a表示加速度的值；

2)设定每一次加速的加速周期为Δt_n，Δt_n表示在第n次加速前需要保持当前速度运行Δt_n的时间；Δt_n的大小和点钻步进电机的当前速度成正比，最小加速周期为Δt，结合步骤1)计算得到电机的速度规划表(v₁,v₂,···,v_n)和达到目标速度所需要的脉冲数目的脉冲规划表(l₁,l₂,···,l_n)；

3)根据点钻电机的目标位置和当前位置计算得到行程L，目标速度为v_p，结合v_p和L与步骤2)的速度规划表、脉冲规划表中的值进行比较，得到符合速度规划表、脉冲规划表的速度控制曲线。

进一步，在步骤1)中，根据点钻步进电机的矩频特性和点钻机的机械结构，确定点钻步进电机所能承受的最大加速度a_max，满足点钻电机带动所有点胶头和点钻头同时运动时，不发生过载和丢步；由于步进电机在起步和停止阶段需要采用较小的加速度防止料钻的脱落和位置偏移，加速的开始阶段采用加速度a_s做匀加速运动，稳定起步后为了实现点钻头的快速提速，后续进行加加速运动；在加速度达到最大值a_max后进行减加速运动，最后当加速度值又恢复为a_s后进行加速度为a_s的匀加速运动，从而得到整个过程的加速度表(a₁,a₂,···,a_n)。

再进一步，在步骤2)根据加速度表(a₁,a₂,···,a_n)计算获得速度规划表(v₁,v₂,···,v_n)，其中v_i表示经过i次加速后，步进电机对应的速度；脉冲规划表(l₁,l₂,···,l_n)中的l_i表示当步进电机的速度达到v_i时，点钻电机经历的脉冲个数；步进电机的矩频特性使得高速阶段加减速更容易发生丢步现象，而Δt_n与电机速度成正比，电机每一次加速，Δt_n就会变大，保证电机运行稳定后再进行下一次加速，更好得防止丢步现象，Δt_n表示在第n次加速前需要保持当前速度运行Δt_n的时间。

更进一步，在步骤3)中，对于点钻电机的整个运动过程，再做如下阐述：首先，点钻电机以加速度a_s进行m-1次加速后实现稳定起步，然后按照速度规划表(v₁,v₂,···,v_n)后续速度进行加速，当速度达到目标速度v_p时，运行状态进入匀速或减速运动，假如点钻电机在实际行程达不到目标速度v_p，则在运行到实际能达到的目标速度后匀速或减速运动。

本发明的有益效果表现在：(1)加速度表(a₁,a₂···,a_n)起步阶段以加速度a_s匀加速运动有效得避免了点钻机的料钻脱落和料钻位置偏移问题，提高了点钻机的工作稳定性；(2)点钻机运动过程中的加减速速度规划实时调用提前规划好的速度规划表(v₁,v₂,···,v_n)和脉冲规划表，减小运动过程中的计算量和机械延时，使得自动点钻机运动具有更高的实时性；(3)点钻电机加速周期Δt_n采用变周期的方法，与电机速度成正比，很好得匹配了电机的矩频特性，可以实现低速阶段快速提速，高速阶段稳定消抖，提高点钻机的工作效率和稳定性；(4)该方法基于STM32F103实现，该单片机成本低，体积小，可以很好得满足自动点钻机的控制器需要。

附图说明

图1为自动点钻机步进电机速度控制实现的流程图。

图2为自动点钻机步进电机速度控制实现的规划曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步描述。参照图1和图2，一种自动点钻机速度控制方法，所述方法包括以下步骤：

1)a_max是根据点钻步进电机的矩频特性和点钻机的机械结构确定的所能承受的最大加速度；加速度a_s通过现场测试获得可以有效防止料钻脱落和料钻位置偏移；加速度规划表(a₁,a₂,···,a_n)，下标1到n表示加速度的规划顺序，a表示加速度的值；

2)点钻电机每隔加速周期Δt_n进行一次提速，Δt_n的大小和点钻步进电机的当前速度成正比，结合步骤1)计算得到电机的速度规划表(v₁,v₂,···,v_n)和达到目标速度所需要的脉冲数目的脉冲规划表(l₁,l₂,···,l_n)；

3)根据点钻电机的目标位置和当前位置计算得到行程L，目标速度为v_p，结合v_p和L与步骤2)的速度规划表、脉冲规划表中的值进行计算比较，得到符合速度规划表、脉冲规划表的速度控制曲线。

进一步，在步骤1)中，根据点钻步进电机的矩频特性和点钻机的机械结构，确定点钻步进电机所能承受的最大加速度a_max，满足点钻电机带动所有点胶头和点钻头同时运动时，不发生过载和丢步，整个过程的加速度表(a₁,a₂,···,a_n)，最大值为a_max，最小值为a_s，先进行匀加速运动，加速度计算公式如下：

a₁＝···＝a_m-1＝a_s m＞1 (1)

经过上面的稳定起步后，再进行快速提速的加加速运动，具体计算公式如下：

其中a_s和a_max，即图2中电机的起步加速度和步进电机所能承受的最大加速度，m为大于1的整数，代表前面的匀加速稳定起步阶段进行了m-1次加速，i为大于等于m的整数，a_i表示第i次加速采用的加速度值，其中公式(2)中的i的范围m≤i≤(90+m)，其中m和90这个常数项可以根据具体需求加大或者减小，主要是用于改变各个规划表的数据量，控制离散表的误差；当i＝90+m，令q＝90+m，进行最后一段加速度为a_s的匀加速运动，因此得到计算公式为：

a_q＝···＝a_n＝a_s n≥90 (4)。

再进一步，在步骤2)点钻机步进电机的速度计算公式如下：

v_n＝v_n-1+a_n n≥1 (5)

其中v₀＝0,v_n表示第n次加速后步进电机达到的速度；加速周期和点钻电机速度成正比，计算公式如下：

Δt_n＝kv_nΔt n≥1 (6)

Δt_n表示在第n次加速前需要保持当前速度运行Δt_n的时间，其中k和Δt为常数。

根据加速周期和速度规划表可以得出脉冲规划表(l₁,l₂,···,l_n)的计算公式：

l_n＝v_n-1Δt_n+l_n-1 n≥1 (7)

其中l₀＝0,v₀＝v_s，l_n表示当速度提升到v_n时步进电机走过的脉冲数目。

再进一步，在步骤3)中，对于点钻电机的整个运动过程，再做如下阐述：点钻电机运行L的距离所需要的时间计算公式如下：

点钻电机以加速度a_s进行m-1次加速实现稳定起步，然后开始加加速运动，当加速度达到a_max后进行减加速运动，最后加速度再次回到a_s后以加速度a_s匀加速达到目标速度v_p，运行状态进入匀速阶段，等到行程L和已运行距离的差值等于l_p时，进行和加速过程完全对称的减速运动直至停止；假如点钻电机实际行程过小，达不到目标速度v_p，根据时间最短原则再结合图2，可知实际能达到的运行速度越快所花费时间越短，通过查脉冲规划表获取和L/2最接近的脉冲规划数值l_p1，再通过l_p1获取实际能到到的速度v_p1，整个速度控制过程按照速度规划表进行加速，达到v_p1后进入匀速段，等到行程L和已运行距离的差值等于l_p1时，进行和加速过程完全对称的减速运动直至停止。对于上述两种情况提到的匀速阶段做补充说明如下：当已经查表确定目标速度和脉冲规划数值时，假如L/2大于脉冲规划数值，有匀速段，否则没有匀速段。

本发明提出的一种自动点钻机速度控制方法，点钻机运动过程中的加减速速度规划实时调用提前规划好的速度规划表和脉冲规划表，减小运动过程中的计算量和机械延时；同时点钻机起步阶段以加速度a_s匀加速运动有效得避免了点钻机的料钻脱落和料钻位置偏移问题；加速周期Δt_n与电机速度成正比，很好得匹配了电机的矩频特性，可以实现低速阶段快速提速，高速阶段稳定消抖，整个速度控制方法提高了点钻机的工作稳定性和实时性。

Claims (4)

1.一种自动点钻机速度控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)根据点钻步进电机的矩频特性和点钻机的机械结构，确定点钻步进电机所能承受的最大加速度a_max；通过现场测试获得可以有效防止料钻脱落和料钻位置偏移的点钻电机起步加速度a_s；将a_s作为加速阶段的起始加速度进行匀加速，然后中间一段加速过程在加速度最大值不超过a_max，最小值不小于a_s的条件下，对中间加速过程进行规划，进行变加速运动，最后阶段以加速度a_s继续匀加速达到目标速度，从而得出加速度规划表(a₁,a₂,···,a_n)，下标1到n表示加速度的规划顺序，a表示加速度的值；

2)采用变加速周期的方法进行加速，设定每一次加速的加速周期为Δt_n，Δt_n表示在第n次加速前需要保持当前速度运行Δt_n的时间；Δt_n的大小和点钻步进电机的当前速度成正比，最小加速周期为Δt，结合步骤1)计算得到电机的速度规划表(v₁,v₂,···,v_n)和达到目标速度所需要的脉冲数目的脉冲规划表(l₁,l₂,···,l_n)；

3)根据点钻电机的目标位置和当前位置计算得到行程L，目标速度为v_p，结合v_p和L与步骤2)的速度规划表、脉冲规划表中的值进行比较，得到符合速度规划表、脉冲规划表的速度控制曲线。

2.如权利要求1所述的一种自动点钻机速度控制方法，其特征在于：所述步骤1)中，将a_s作为加速阶段的起始加速度进行匀加速，然后中间一段加速过程在加速度最大值不超过a_max，最小值不小于a_s的条件下，对中间加速过程进行规划，进行变加速运动，最后阶段以加速度a_s继续匀加速达到目标速度，从而得出加速度规划表(a₁,a₂,···,a_n)；运动开始阶段先进行m-1次加速度为a_s的匀加速运动，计算公式为：

a₁＝···＝a_m-1＝a_s m＞1 (1)

经过上面的稳定起步后，再进行快速提速的变加速运动，具体计算公式如下：

其中a_s和a_max，即电机的起步加速度和步进电机所能承受的最大加速度，m为大于1的整数，代表前面的匀加速稳定起步阶段进行了m-1次加速，i为大于等于m的整数，a_i表示第i次加速采用的加速度值；当i＝90+m，令q＝90+m，进行最后一段加速度为a_s的匀加速运动，因此得到计算公式为：

a_q＝···＝a_n＝a_s n≥90 (4)。

3.如权利要求1或2所述的一种自动点钻机速度控制方法，其特征在于：所述步骤3)中，点钻机步进电机速度计算公式如下：

v_n＝v_n-1+a_n n≥1 (5)

其中v₀＝0,v_n表示第n次加速后步进电机达到的速度，加速周期和点钻电机速度成正比，计算公式如下：

Δt_n＝kv_nΔt n≥1 (6)

Δt_n表示在第n次加速前需要保持当前速度运行Δt_n的时间，其中k和Δt为常数；

根据加速周期和速度规划表得出脉冲规划表(l₁,l₂,···,l_n)的计算公式：

l_n＝v_n-1Δt_n+l_n-1 n≥1 (7)

其中l₀＝0,v₀＝0，l_n表示当速度提升到v_n时步进电机走过的脉冲数目。

4.如权利要求3所述的一种自动点钻机速度控制方法，其特征在于：所述步骤3)中，所述点钻电机运行L的距离所需要的时间计算公式如下：

点钻电机以加速度a_s匀加速进行m次提速，然后开始加加速运动，当加速度达到a_max后进行减加速运动，最后加速度再次回到a_s后以加速度a_s匀加速达到目标速度v_p，运行状态进入匀速阶段，等到行程L和已运行距离的差值等于l_p时，进行和加速过程完全对称的减速运动直至停止；假如点钻电机实际行程过小，达不到目标速度v_p，根据时间最短原则，可知实际能达到的运行速度越快所花费时间越短，通过查脉冲规划表获取和L/2最接近的脉冲规划数值l_p1，再通过l_p1获取实际能到到的速度v_p1，整个速度控制过程按照速度规划表进行加速，达到v_p1后进入匀速段，等到行程L和已运行距离的差值等于l_p1时，进行和加速过程完全对称的减速运动直至停止。