一种多轴联动管道插补全闭环运动控制方法

1.一种多轴联动管道插补全闭环运动控制方法，其特征在于，对已规划运动轨迹插补点通过动态修正方法重新计算获得修正后的运动轨迹插补点，通过加减速方法得到新的轨迹插补点；再以此插补点为圆心、以最大轮廓允许误差为管道半径、以运动方向为法矢量，通过双反馈偏差对新的轨迹插补点进行管道内偏移规划进而得到空间轨迹目标位置点；由轴控制部分实现加工过程中轴运动插补点，经PID控制实现对轴传动装置中伺服电机的平稳转动；
所述通过双反馈偏差对新的轨迹插补点进行管道内偏移规划进而得到空间轨迹目标位置点，具体为：
若LLn＝L*Sc；
if(Ln>Er){Ln＝Er；}
C
根据Pn、Ln及Po’至Po”的方向向量得出Pn；
其中，L表示管道插补半径偏移计算的来源条件，由双反馈位置及轨迹方向计算所得，Emin表示轮廓最小阈值，Pn表示动态修正后轨迹规划所得坐标位置，PnC表示管道插补后的目标位置点，Ln表示PnC与Pn之间的距离，Sc表示轮廓误差调整比例，Er表述最大允许轮廓误差。
2.根据权利要求1所述的一种多轴联动管道插补全闭环运动控制方法，其特征在于，所述动态修正是通过各个机床轴外接位置传感装置所得反馈坐标位置，与各个伺服电机编码器反馈计算所得反馈坐标位置，以二者之间对应关系对位置点不断进行修正，重新计算已规划轨迹点。
3.根据权利要求1所述的一种多轴联动管道插补全闭环运动控制方法，其特征在于，所述最大轮廓允许误差是指加工工件实际轮廓与理论轮廓之间允许存在的最大误差值。
4.根据权利要求1所述的一种多轴联动管道插补全闭环运动控制方法，其特征在于，所述双反馈偏差是指各轴由外接位置传感装置得到的机床轴实际位置与伺服电机编码器反馈计数得到的半闭环位置值之差。

一种多轴联动管道插补全闭环运动控制方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及到全闭环数控机床控制领域，具体地说是针对双位置传感装置反馈机床轴的多轴联动管道运动插补的全闭环运动控制方法。\n背景技术\n[0002] 当今数控机床已被广泛应用，高精度、高速度加工及低成本始终是先进制造业加工工艺的矛盾存在，对数控机床多轴联动轮廓精度、定位精度、重复定位精度也日益提高，现有数控技术不能完美解决带分配轴复杂传动装置结构多样化所带来的多轴联动运动控制要求。半闭环控制系统无法控制机床轴传动机构所产生的传动误差以及加工过程中传动系统磨损而产生的误差等，无法满足加工工艺的控制要求。光栅尺等外接传感装置对数控机床各坐标轴进行全闭环控制，虽然一定程度上能够满足轴定位精度、重复定位精度，但存在运动控制过程中伺服电机转速不平稳、易引起机床轴振动情况，一方面造成加工精度受到影响，另一方面还会造成加快机床传动装置的磨损。\n[0003] 随着现代制造业的迅速发展，机床结构也在不断发生变化，比如出现了带分配传动装置的伺服电机控制多机床坐标轴的机械结构，传统的运动控制方法已经不能很好的适用于此类机床。而此类机床传动结构复杂、机械间隙较大、轴行程范围内传动线性不稳定等，同样需要外界位置传感装置实现定位，同时更加需要合适的运动控制方法实现全闭环联动。\n发明内容\n[0004] 针对现有运动运动控制的处理方法存在的问题，本发明的目的是提供一种可根据光栅尺等外接位置传感装置及伺服电机编码器反馈在动态修正运动轨迹插补位置基础上增加管道插补方法，实现动态规划运动轨迹。\n[0005] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种多轴联动管道插补全闭环运动控制方法，对已规划运动轨迹插补点通过动态修正方法重新计算获得修正后的运动轨迹插补点，通过加减速方法得到新的轨迹插补点；再以此插补点为圆心、以最大轮廓允许误差为管道半径、以运动方向为法矢量，通过双反馈偏差对新的轨迹插补点进行管道内偏移规划进而得到空间轨迹目标位置点；由轴控制部分实现加工过程中轴运动插补点，经PID控制实现对轴传动装置中伺服电机的平稳转动。\n[0006] 所述动态修正是通过各个机床轴外接位置传感装置所得反馈坐标位置，与各个伺服电机编码器反馈计算所得反馈坐标位置，以二者之间对应关系对位置点不断进行修正，重新计算已规划轨迹点。\n[0007] 所述最大轮廓允许误差是指加工工件实际轮廓与理论轮廓之间允许存在的最大误差值。\n[0008] 所述双反馈偏差是指各轴由外接位置传感装置得到的机床轴实际位置与伺服电机编码器反馈计数得到的半闭环位置值之差。\n[0009] 所述通过双反馈偏差对新的轨迹插补点进行管道内偏移规划进而得到空间轨迹目标位置点，具体为：\n[0010] 若LEr){Ln=Er;}\n[0013] 根据Pn、Ln及Po’至Po”的方向向量得出PnC；\n[0014] 其中，L表示管道插补半径偏移计算的来源条件，由双反馈位置及轨迹方向计算所C\n得，Emin表示轮廓最小阈值，Pn表示动态修正后轨迹规划所得坐标位置，Pn 表示管道插补后的目标位置点，Ln表示PnC与Pn之间的距离，Sc表示轮廓误差调整比例，Er表述最大允许轮廓误差。\n[0015] 本发明具有以下优点及有益效果：\n[0016] 1.适应性强。凡是采用带全闭环反馈装置的机床，具备执行终端位置反馈，不管是线性坐标轴，还是旋转轴，不管是采用光栅尺、球栅尺，还是外接位置编码器，都可以采用本发明的方法。\n[0017] 2.加工路径轮廓精度可得到保障。在运动轨迹规划过程中，可保证运行轨迹精确、轮廓误差小，而传统全闭环控制方法需要全程全闭环控制，虽然也能够保证插补精度，但要求机床轴机械传动性好，对于传动性较差的机床轴易引起震动，甚至出现过动情形。\n[0018] 3.速度平滑度高、动态性好。本发明在引入运动轨迹点的动态修正机制基础上，增加管道插补方法，既避免了为保证速度规划的平稳性而带来的实际电机运转的不稳定，也保证轴运动速度的平稳性，同时较完全采用全闭环控制而言，可调高伺服环速度比例增益，减小随动误差，提高加工精度。\n[0019] 4.运动安全性高。本发明通过管道插补方法，在提高速度平滑性的同时，可有效降低轴运动超差、超载的可能性；同时当出现外接传感装置信号异常的状态下，比如光栅尺读数紊乱等原因，可避免轴运动失常甚至飞车的情况，及早报告超差，保护机床不被损坏。\n附图说明\n[0020] 图1为本发明方法流程图；\n[0021] 图2为本发明适用机床结构总体框图；\n[0022] 图3为本发明两轴直线运动管道插补示意图；\n[0023] 图4为本发明圆弧运动管道插补示意图；\n[0024] 图5为本发明管道插补流程图。\n具体实施方式\n[0025] 下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。\n[0026] 一种多轴联动管道插补全闭环运动控制方法，对运动指令利用各轴伺服电机编码器反馈与机床位置传感装置对已规划运动轨迹点通过动态修正方法重新得到修正后运动轨迹点，通过加减速方法得到新的轨迹插补点，再以此插补点为圆心、以最大轮廓允许误差为管道半径、以运动方向为法矢量，通过双反馈偏差对新的轨迹插补点进行管道内偏移规划进而得到空间轨迹目标位置点，由轴控制部分实现加工过程中轴运动插补点，经PID控制实现对轴传动装置中伺服电机的平稳转动。\n[0027] 所述已规划轨迹点为在运动轨迹规划过程中，上一伺服周期形成的命令位置。\n[0028] 所述动态修正方法，通过机床轴最终执行端的外接位置传感装置所得轴反馈位置，与伺服电机编码器反馈计算所得轴反馈位置，二者之差对轴运动规划位置点进行修正，重新计算已规划轨迹点。\n[0029] 所述修正后运动轨迹点，为通过动态修正方法对已规划轨迹点重新计算所得的运动插补位置。\n[0030] 所述加减速方法，为数控技术常用的运动轨迹加减速控制方法，如直线加减速、S曲线加减速、指数加减速等，根据运动形式（直线插补、圆弧插补）并重新计算运动规划剩余距离。\n[0031] 所述直线插补是指对两轴及三轴联动的直线段运动指令进行轨迹规划，形成运动轨迹插补点。\n[0032] 所述圆弧插补是指对XY平面、YZ平面、ZX平面的圆弧运动指令进行轨迹规划，形成运动轨迹插补点。\n[0033] 所述最大轮廓允许误差是指加工工件实际轮廓与理论轮廓之间允许存在的最大误差值。\n[0034] 所述管道半径是管道插补方法的重要依据，插补点形成的轨迹包络在以理论轨迹为中心以此管道半径的管道内，此方法以最大轮廓允许误差为管道半径。\n[0035] 所述双反馈偏差是指各轴由外接位置传感装置得到的机床轴实际位置与伺服电机编码器反馈计数得到的半闭环位置值之差。\n[0036] 所述外接位置传感装置可以为光栅尺、球栅尺，也可以为旋转轴的外接编码器。\n[0037] 所述管道内偏移规划，是此发明方法的关键技术，是指通过轨迹规划点经过各轴双反馈偏差得到的位置点与理论轨迹之间的垂直距离，再经过管道插补方法得到目标位置点，此位置点为当前插补周期的指令位置。\n[0038] 本发明包括双反馈位置计算、插补命令位置修正、轨迹规划、管道插补、PID控制五部分。\n[0039] 参见图1，描述了本发明总体流程图，包括轴数据采集、位置修正、轨迹规划、管道插补、PID及驱动输出部分。\n[0040] 所述双反馈位置计算，包括两种机床坐标位置，一是由各机床轴所在位置传感装置如光栅尺等反馈的位置读数计算所得实际机床位置，一是由各轴伺服电机编码器反馈计数计算所得电机反馈位置。其中对于未配置外接位置传感装置的机床轴可由电机反馈计算所得。计算公式如下：\n[0041] Pgf[axis]=(posCount[axis]-inputOffset[axis])/inputScale[axis];\n[0042] Pm[axis]=(motorFbCount[axis]-motorInputOffset[axis])/motorInputScale[axis];\n[0043] 其中axis表示机床轴序号；posCount表示机床轴位置传感装置反馈读数，motorFbCount表示电机编码器计数，参见图2所示；inputOffset表示机床轴参考零点所在处位置传感装置的读数；motorInputOffset表示电机编码器偏移计数；inputScale表示位置传感装置读数单位与轴位置单位的转换比例系数；motorInputScale表示电机编码器计数单位与轴位置单位的转换比例系数。\n[0044] 参见图5，描述了本发明管道插补方法实现的流程。\n[0045] 这里所述位置修正，是对轨迹规划所得命令位置的一种动态修正。\n[0046] 参见图3与图4，分别描述了直线插补与圆弧插补过程各种坐标位置点的获得信息。根据Pgf、Pm坐标位置，可对命令位置Po进行修正，获得Po’、Po”坐标位置，同时能够计算得出L、D。其中Pn表示前一伺服周期已规划的命令位置，Po’表示由各轴双反馈偏差计算所得坐标位置，Po”表示Po’在规划轨迹上投影所得坐标位置，L表示管道插补半径偏移计算的来源条件，D表示轨迹插补点动态修正位移值。\n[0047] 通过D的获得，重新计算运动规划剩余距离，但不影响轴运动规划速度，在运动规划周期内计算新的插补位置Pn。Pn的获得，通过轨迹规划实现。\n[0048] 这里所述管道插补，是对Pn进行再一次修正，修正的方法是以Pn为圆心，以轨迹运动方向（圆弧运动为Pn点的切线方向）为法向量，以最大允许轮廓误差Er为半径，根据L及Po’相对于Po”的偏移方向，获得新的目标指令坐标位置PnC。图中PoC为上一周期的目标指令坐标位置。管道插补实现如下：\n[0049] 1）已知：\n[0050] ●Po’、Po”之间的距离L；\n[0051] ●Po’至Po”的方向向量；\n[0052] ●最大轮廓允许误差Er，取值越大，规划轨迹点越远离理论轨迹，但更能使电机转速平稳；\n[0053] ●轮廓最小阈值Emin，取值越大，规划轨迹点越接近理论轨迹，反之则能够是电机转动更平稳；\n[0054] ●轮廓误差调整比例Sc，范围0%～99%，用于计算新管道插补点与理论轨迹间的距离，当取值为“0”时，管道插补无效，即，插补点始终在轨迹上，取值越大，规划轨迹点越远离理论轨迹，但更能使电机转速平稳；\n[0055] ●已由轨迹规划所得Pn。\n[0056] 2）若LEr){Ln=Er;}\n[0060] 4）根据Pn、Ln及Po’至Po”的方向向量可独得出PnC。\n[0061] PID控制是通过轴命令位置与反馈位置计算得出对轴的输出速度，为控制伺服输出做准备。\n[0062] 驱动、反馈设备部分是本发明实现的基础，包括伺服单元和外接位置传感装置。其中外接位置传感装置安装在轴运动执行的终端，可以是光栅尺、球栅尺，也可能是旋转轴的外接编码器。光栅尺等外接位置传感装置的分辨率、安装位置以及机床轴的负载特性等决定了轴定位精度的好坏；对于线性轴来说，传感装置的线性误差可通过线性补偿来提高轴定位精度。