CN110618640A - 一种速度规划的点胶机示教系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种速度规划的点胶机示教系统，包括人机交互系统、主控系统和电机驱动系统；人机交互系统连接主控系统，主控系统与电机驱动系统连接。本发明可实现电脑人机交互界面与工业彩屏人机交互界面互相替换，不需要二次开发可实现对点胶机程序进行快速示教、速度规划和路径规划，减少系统的开发周期，提升工作效率；使用专用的电机控制芯片控制电机，可同时驱动步进电机和伺服电机，最大的驱动电机数量为四个使电机控制更方便、快速。

Description

一种速度规划的点胶机示教系统

技术领域

本发明涉及点胶机技术领域，具体涉及一种速度规划的点胶机示教系统。

背景技术

点胶机是将流体点胶点滴、涂覆于产品表面或产品内部的自动化机器。点胶机控制属于多轴系统，各轴之间需要进行同步。在点胶机运动中，为了保证启动和停止时不产生冲击、失步、振动，需要对运动过程进行速度规划；为了使点胶机运动的路径最短，需要进行路径规划。目前，点胶机的控制系统一般采用工业电机控制系统来实现。然而，由于工业电机控制系统大多使用工业彩屏或者电脑软件端编写上位机作为人机交互系统，因此存在以下不足：

①当需要把工业彩屏转换为电脑端作为人机交互系统时，由于两者之间的通信协议不统一，需要对人机交互系统进行二次开发，重新编写相应人机交互系统的软件代码，延长开发周期，工作效率降低。

②速度规划、路径规划大多在电脑端进行，如果电脑出现故障，点胶机将不能正常工作。

③部分工业电机控制系统只能控制单个类型的电机，当需要改变电机种类时，相应的底层软件、硬件都需要改变，大大加长开发周期。

④在利用其进行示教操作时，在现有的点胶点集新加入一个点胶点，该位置的点胶顺序需要进行优化，传统的示教系统只能指定该点胶点的点胶次序，不能进行路径优化，使点胶路径达到最优化。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种速度规划的点胶机示教系统。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种速度规划的点胶机示教系统，包括人机交互系统、主控系统和电机驱动系统。

所述人机交互系统包括昆仑通泰组态屏；昆仑通泰组态屏配有USB接口和RS232接口，其中USB接口用于与存储有人机交互界面安装文件的U盘连接，RS232接口用于与主控系统的微处理器连接，昆仑通泰组态屏通过U盘导入上位机事先编写好的人机交互界面，使用者通过该人机交互界面进行点胶机的路径规划和速度规划控制。

所述主控系统包括微处理器、RS232电路和SD卡；微处理器搭载modbus协议和FSMC协议，基于modbus协议微处理器通过RS232电路与人机交互系统连接通信，基于FSMC协议微处理器直接与电机驱动系统连接通信；RS232电路同时与微处理器和人机交互系统连接，以实现微处理器和人机交互系统之间的通信；SD卡直接连接在微处理器上，用于存储通过人机交互系统输入的CAD轨迹文件。

所述电机驱动系统包括运动控制芯片；运动控制芯片同时与微处理器和点胶机的电机连接，用于将接收微处理器发出的正确驱动电机指令，并产生相应的驱动电机信号去控制点胶机的电机。

上述方案中，主控系统的微处理器为STM32微处理器。

上述方案中，电机驱动系统的运动控制芯片为MCX314运动控制芯片。

上述方案中，昆仑通泰组态屏中执行的路径规划过程具体为：将把指定点胶机运动范围内的所有点胶点分为4个点胶域，计算各个点胶域中的点胶点到当前原点的距离之和，并选择距离之和最小的点胶域进行点胶运动；对于上述所选择的点胶域，在当前点胶点前后位置为搜索距离L的点胶点中，优先选择与当前点胶点距离最近的点胶点进行点胶运动；完成一个点胶域的点胶运动之后，计算各个点胶域中剩下的点胶域与当前点胶点的距离之和，并选择距离之和最小的点胶域进行点胶运动；重复该步骤，从而完成所有点胶点的点胶运动；其中搜索距离L为设定值。

上述方案中，昆仑通泰组态屏中执行的速度规划过程具体为：将路径规划所确定的路径轨迹进行分段，并获取各分段轨迹的运动状态参数；判断当前分段轨迹是否能到达预定的最大允许速度：能到达，则无需进行速度规划；否则，进行速度规划，此时计算本分段轨迹能到达的最大速度和手动减速点胶点，并将计算得到结果存于主控系统的SD卡中。

上述方案中，第i段分段轨迹的最大速度V的计算公式为：

其中，a_i1为第i段分段轨迹的运动加速度，a_i2为第i段分段轨迹的运动减速度，V_i为第i段分段轨迹的初始速度，V_ip为从第i段分段轨迹运动到i+1段轨迹的拐点胶点速度，S_i为第i段分段轨迹的主轴总路程，1≦i≦n，n为分段数。

上述方案中，第i段分段轨迹的手动减速点胶点L_i的计算公式为：

其中，V为第i段分段轨迹的最大速度，V_i为第i段分段轨迹的初始速度，a_i1为第i段分段轨迹的运动加速度，1≦i≦n，n为分段数。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1、装置操作简单，可实现电脑人机交互界面与工业彩屏人机交互界面互相替换，不需要二次开发可实现对点胶机程序进行快速示教、速度规划和路径规划，提高了人机交互系统的灵活性，易替换性，减少系统的开发周期，提升工作效率；通过人机交互系统对点胶机的路径进行示教、速度规划计算，减少主控芯片的工作量，提高工作效率；

2、使用专用的电机控制芯片控制电机，可同时驱动步进电机和伺服电机，最大的驱动电机数量为四个使电机控制更方便、快速；能够对各阶段路径进行速度规划，利用电机控制芯片的插补硬件算法可选取位移较长的轴作为主轴，只需对主轴进行速度规划，减少计算量。

附图说明

图1为一种速度规划的点胶机示教系统的原理框图。

图2为一种速度规划的点胶机示教方法中速度规划的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点胶点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

一种速度规划的点胶机示教系统，如图1所示，包括人机交互系统、主控系统和电机驱动系统；

所述人机交互系统包括昆仑通泰组态屏。昆仑通泰组态屏搭配USB接口和RS232接口，USB接口用于与存储有人机交互界面安装文件的U盘连接通信，RS232接口用于与主控系统的微处理器STM32连接通信。位于上位机中搭载有昆仑通泰组态软件，使用者可以在上位机的电脑上进行人机交互界面的编辑。当利用昆仑通泰组态软件编写的人机交互界面可正常工作后，将U盘插入上位机的USB接口，并点胶点击生成U盘安装的选项，即可在指定U盘中生成人机交互界面安装文件。此时U盘中的人机交互界面安装文件与昆仑通泰组态软件所编写的上位机界面和功能一致。昆仑通泰组态屏通过U盘导入上位机事先编写好的人机交互界面，使用者通过该人机交互界面进行点胶机的路径规划和速度规划控制。采用昆仑通泰组态屏，可与昆仑通泰组态软件上位机替换，适应性强，移动、安装方便。

所述主控系统，包括电源电路、微处理器STM32、晶振电路、复位电路、SD卡和RS232电路。电源电路用于给主控系统供电。在本实施例中，采用3.3V单电源供电。微处理器用于与人机交互系统通信，并控制电机控制芯片。微处理器搭载modbus协议和FSMC协议(Flexible Static Memory Controller，可变静态存储控制器)。微处理器利用modbus协议与人机交互系统通信，更稳定；微处理器利用FSMC协议控制运动控制芯片，更易于编程控制。在本实施例中，微处理器为STM32。晶振电路为微处理器提供工作时钟。复位电路为微处理器提供复位信号。RS232电路与人机交互系统和微处理器连接。SD卡用于存储通过人机交互系统输入的CAD轨迹文件。

所述电机驱动系统，包括运动控制芯片MCX314和晶振电路。电机控制芯片与主控系统中的微处理和点胶机的电机连接。运动控制芯片接收到微处理器发出的正确驱动电机指令之后，会产生相应的驱动电机信号去控制点胶机的电机。在本实施例中，电机控制芯片为MCX314，其可以同时控制步进电机和伺服电机，最大的电机总数目为4个。采用MCX314运动控制芯片，控制电机运动的位置更精确，有多种运动功能，方便编程，同时还具有回原点、直线插补、圆弧插补等功能。晶振电路为运动控制芯片工作提供时钟。

基于上述系统所实现的一种速度规划的点胶机示教方法，包括路径规划过程和速度规划过程。其中：

一、路径规划

路径规划的原理为：将把指定点胶机运动范围内的所有点胶点分为4个点胶域，计算各个点胶域中的点胶点到当前原点的距离之和，并选择距离之和最小的点胶域进行点胶运动；对于上述所选择的点胶域，在当前点胶点前后位置为L的点胶点中，优先选择与当前点胶点距离最近的点胶点进行点胶运动；完成一个点胶域的点胶运动之后，计算各个点胶域中剩下的点胶域与当前点胶点的距离之和，并选择距离之和最小的点胶域进行点胶运动；重复该步骤，从而完成所有点胶点的点胶运动。

在本实施例中，路径规划包括点胶点的分类、点胶域的选择、点胶域内点胶点的选择。

(1)指定点胶机运动范围，一般为矩形；

运动范围是所有点胶点的范围，并且不超出各运动轴的运动范围。系统原点作为分类的原点，再设置一个点胶点，与原点形成一个矩形，该点胶点不超出各轴的运动范围，矩形内包含所有点胶点。

(2)把运动范围内的点胶点以矩形对角线为边界分为四类；

以矩形的两条对角线为分界线，把各个点胶点分为四类，每一类点胶点再根据到原点的距离分大小进行排序，排序为i10～i1j。当有点胶点处于分界线上时，该点胶点的分类原则为：当前点胶点两个临域的点胶点个数之差大于0，则把该点胶点分类为点胶点数少的区域；如果点胶点临域的点胶点个数之差为0，则把该点胶点分类为所有点胶点到原点距离和小的区域内。当有点胶点位于矩形对角线的交线上时，把该点胶点分类到到点胶点数最少的临域中。

(3)设定搜索距离L，选择最优类点胶点集进行点胶运动；

选择最优点胶点集的方法为：计算各个点胶域的所有点胶点到原点的距离之和，先对距离原点距离最短的点胶域进行点胶运动。在选中的点胶域中，以i0j作为第一个点胶点。完成第一个点胶点的点胶运动之后，在该点胶点前后位置为L的点胶点中选择与该点胶点距离最近的点胶点为下一个点胶点。当该点胶点的前面或者后面的点胶点数小于L，则把L定为前后点胶点个数中较小值，该值大于0，如果前后点胶点数其中一个为0，则只在大于0的方向进行筛选。重复以上步骤完成一个点胶域的点胶运动。完成一个点胶域的点胶运动之后，在剩下的点胶域中，计算与当前点胶点的距离之和，选择距离当前点胶点最近的点胶域进行点胶运动。循环以上步骤，完成所有点胶域的点胶运动。

二、速度规划的方法包括：

速度规划方法的原理为：获取第i段轨迹的运动状态参数，进行第i段轨迹速度规划，先判断当前路径段是否能到达最大允许速度V_max，能到达则无需进行速度规划，否则进行速度规划，并计算本段轨迹能到达的最大速度V和手动减速点胶点L_i，计算得到结果存于主控系统的SD卡。

在本实施例中，速度规划包括计算每一段路径能到达的最大速度、进行速度规划时的手动减速点胶点，如图2所示。

(1)获取各轨迹的运动状态参数的预设值。

所述速度规划的轨迹段由示教获得，共n段。选取总路程最长的轴作为主轴进行速度规划。所述各阶段轨迹的运动状态参数的预设值包括：运动的最大允许速度V_max；从第i段轨迹运动到i+1段轨迹的拐点胶点速度V_ip；第i段轨迹的运动加速度a_i1；第i段轨迹的运动减速度a_i2。

根据预设值与各轨迹的初始状态参数，对主轴进行速度规划。两轴插补运动时的速度规划，路程较长的轴作为主轴。预设值包括运动的最大允许速度V_max、从第i段轨迹运动到i+1段轨迹的拐点胶点速度V_ip、第i段轨迹的运动加速度a_i1、第i段轨迹的运动减速度a_i2。初始状态参数包括第i段轨迹的初始速度V_i、第i段轨迹的X轴位移量S_xi、第i段轨迹的Y轴位移量S_yi、第i段轨迹的圆弧半径R_i。

(2)获取第i段轨迹的初始状态参数；其中1≦i≦n。

所述第i段轨迹的初始状态参数包括：第i段轨迹的初始速度V_i；第i段轨迹的X轴位移量S_xi；第i段轨迹的Y轴位移量S_yi；第i段轨迹的圆弧半径R_i。

(3)根据所述所述运动状态参数的预设值与所述初始状态参数，对第i段轨迹进行速度规划计算，得到的结果是第i+1段轨迹的初始状态。

以所述速度Vi先匀加速到V_max，再以V_max进行匀速运动，最后匀减速至V_ip，若匀加减速运动的路程小于等于总路程，则规划成功。否则以所述V_i和V_ip计算手动减速点胶点，需要进行手动减速点胶点计算的判断依据公式为：

此时无法无法运动到最大允许速度V_max，能运动到的最大速度V与初始速度V_i、拐点胶点速度V_ip、主轴总路程S_i的关系为：

由上式可确定手动减速点胶点的位置以及到达手动减速点胶点时主轴的运动速度。能运动到的最大速度V的计算公式为：

手动减速点胶点L_i计算公式为：

(4)重复执行上述步骤(2)、(3)，计算得到所有轨迹段的速度规划数据。

需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种速度规划的点胶机示教系统，其特征是，包括人机交互系统、主控系统和电机驱动系统；

所述人机交互系统包括昆仑通泰组态屏；昆仑通泰组态屏配有USB接口和RS232接口，其中USB接口用于与存储有人机交互界面安装文件的U盘连接，RS232接口用于与主控系统的微处理器连接，昆仑通泰组态屏通过U盘导入上位机事先编写好的人机交互界面，使用者通过该人机交互界面进行点胶机的路径规划和速度规划控制；

所述主控系统包括微处理器、RS232电路和SD卡；微处理器搭载modbus协议和FSMC协议，基于modbus协议微处理器通过RS232电路与人机交互系统连接通信，基于FSMC协议微处理器直接与电机驱动系统连接通信；RS232电路同时与微处理器和人机交互系统连接，以实现微处理器和人机交互系统之间的通信；SD卡直接连接在微处理器上，用于存储通过人机交互系统输入的CAD轨迹文件；

所述电机驱动系统包括运动控制芯片；运动控制芯片同时与微处理器和点胶机的电机连接，用于将接收微处理器发出的正确驱动电机指令，并产生相应的驱动电机信号去控制点胶机的电机。

2.根据权利要求1所述的一种速度规划的点胶机示教系统，其特征是，主控系统的微处理器为STM32微处理器。

3.根据权利要求1所述的一种速度规划的点胶机示教系统，其特征是，电机驱动系统的运动控制芯片为MCX314运动控制芯片。

4.根据权利要求1所述的一种速度规划的点胶机示教系统，其特征是，昆仑通泰组态屏中执行的路径规划过程具体为：将把指定点胶机运动范围内的所有点胶点分为4个点胶域，计算各个点胶域中的点胶点到当前原点的距离之和，并选择距离之和最小的点胶域进行点胶运动；对于上述所选择的点胶域，在当前点胶点前后位置为搜索距离L的点胶点中，优先选择与当前点胶点距离最近的点胶点进行点胶运动；完成一个点胶域的点胶运动之后，计算各个点胶域中剩下的点胶域与当前点胶点的距离之和，并选择距离之和最小的点胶域进行点胶运动；重复该步骤，从而完成所有点胶点的点胶运动；其中搜索距离L为设定值。

5.根据权利要求1所述的一种速度规划的点胶机示教系统，其特征是，昆仑通泰组态屏中执行的速度规划过程具体为：将路径规划所确定的路径轨迹进行分段，并获取各分段轨迹的运动状态参数；判断当前分段轨迹是否能到达预定的最大允许速度：能到达，则无需进行速度规划；否则，进行速度规划，此时计算本分段轨迹能到达的最大速度和手动减速点胶点，并将计算得到结果存于主控系统的SD卡中。

6.根据权利要求5所述的一种速度规划的点胶机示教系统，其特征是，第i段分段轨迹的最大速度V的计算公式为：

其中，a_i1为第i段分段轨迹的运动加速度，a_i2为第i段分段轨迹的运动减速度，V_i为第i段分段轨迹的初始速度，V_ip为从第i段分段轨迹运动到i+1段轨迹的拐点胶点速度，S_i为第i段分段轨迹的主轴总路程，1≦i≦n，n为分段数。

7.根据权利要求5或6所述的一种速度规划的点胶机示教系统，其特征是，第i段分段轨迹的手动减速点胶点L_i的计算公式为：

其中，V为第i段分段轨迹的最大速度，V_i为第i段分段轨迹的初始速度，a_i1为第i段分段轨迹的运动加速度，1≦i≦n，n为分段数。