基于工業(yè)以太網(wǎng)的運(yùn)動控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、運(yùn)動控制系統(tǒng)是自動化控制領(lǐng)域的一個分支，是機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。運(yùn)動控制系統(tǒng)還廣泛地應(yīng)用于印刷、包裝、紡織、半導(dǎo)體加工等行業(yè)，起到了提高效率、節(jié)能降耗、增強(qiáng)企業(yè)競爭力的作用。本文研究了工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)與運(yùn)動控制技術(shù)相融合的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了具有開放性總線式的運(yùn)動控制系統(tǒng)，并對運(yùn)動控制系統(tǒng)中的一些核心技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)研究。
　　 首先，對基于工業(yè)以太網(wǎng)的運(yùn)動控制平臺進(jìn)行了需求分析，分析了運(yùn)動控制系統(tǒng)開發(fā)、應(yīng)用、集成過程中涉及的

2、角色以及他們對運(yùn)動控制系統(tǒng)的功能性需求。在需求分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行了系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計和軟件架構(gòu)設(shè)計，提出了在通用標(biāo)準(zhǔn)計算機(jī)上實現(xiàn)總線實時同步控制的基本思路。在軟件架構(gòu)設(shè)計中，對系統(tǒng)的模塊進(jìn)行了分解，并分析了系統(tǒng)組件間的依賴關(guān)系。
　　 其次，研究了工業(yè)以太網(wǎng)在運(yùn)動控制中的應(yīng)用，在通用操作系統(tǒng)上實現(xiàn)運(yùn)動控制系統(tǒng)的方法，分析了非周期性通訊和周期性通訊的過程。在控制器端不需要特定硬件設(shè)備的情況下，由串行總線的首節(jié)點提供精確的周期性通訊信號，從

3、而降低了對主控制器的實時性要求。通過動態(tài)地延遲補(bǔ)償?shù)姆绞娇梢员ＷC運(yùn)動控制總線上各節(jié)點間的同步性。提出了節(jié)點內(nèi)存映射機(jī)制，在此基礎(chǔ)上設(shè)計和實現(xiàn)了運(yùn)動控制網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議和控制器協(xié)議層驅(qū)動程序。采用面向操作的應(yīng)用程序接口設(shè)計方法，使運(yùn)動控制總線可以從不同的層次進(jìn)行擴(kuò)展，從而適應(yīng)不斷變化的用戶需求和平臺自身的演進(jìn)升級。對以太網(wǎng)運(yùn)動控制總線控制端的實時性進(jìn)行了實驗驗證，結(jié)果表明在通用操作系統(tǒng)下通過內(nèi)核驅(qū)動編程可以滿足控制器對實時性的要求。
　

4、　 接著，給出了運(yùn)動控制系統(tǒng)控制器軟件多層架構(gòu)設(shè)計方案，利用有限狀態(tài)機(jī)和多線程技術(shù)可以有效地分離邏輯控制和功能實現(xiàn)。利用委托、λ表達(dá)式、表達(dá)式樹等技術(shù)實現(xiàn)了多層有限狀態(tài)機(jī)，解決了量子框架中存在的諸多問題，可以通過層次化的直接編碼表現(xiàn)多層狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)。本文提出了多層狀態(tài)變量的概念，擴(kuò)展了多層有限狀態(tài)機(jī)的語義。將多層狀態(tài)機(jī)應(yīng)用于運(yùn)動控制引擎的設(shè)計實現(xiàn)，研究了具有前瞻功能的運(yùn)動控制引擎的功能設(shè)計和處理流程。設(shè)計了數(shù)控程序中間語言和數(shù)控程序編譯

5、器，采用中間語言可以有效地減少運(yùn)行時的計算工作量，提前發(fā)現(xiàn)代碼中的錯誤，減少執(zhí)行時的復(fù)雜邏輯判斷。重點說明了自動模式下的功能設(shè)計和處理流程，利用多層狀態(tài)機(jī)可以實現(xiàn)具有前瞻功能的運(yùn)動控制系統(tǒng)中停止、暫停等復(fù)雜的流程控制。
　　 此外，研究了復(fù)雜型面高速加工速度規(guī)劃的方法，提出了基于時間分割的前加減速插補(bǔ)算法和動態(tài)前瞻算法，對段間連接、累積誤差、速度修調(diào)、加速度控制等問題進(jìn)行了深入地研究。通過速度平攤和段間連接計算，可有效處理離散數(shù)

6、據(jù)的計算誤差。該方法具有自適應(yīng)性，當(dāng)路徑間的夾角較大時，前瞻算法限制了路徑的末速度并產(chǎn)生減速效果，在減速段可以消除大部分殘余長度，以實現(xiàn)精確的軌跡加工。對于未消除的殘余長度，由于末速度和段間連接線段的長度較小，使得位置誤差較小，從而滿足插補(bǔ)精度的要求。當(dāng)路徑間夾角較小時，路徑末速度受設(shè)定速度的限制而以段間連接計算為主，保證了加工速度的平滑性，從而滿足小線段高速加工的要求。
　　 最后，將以上研究成果應(yīng)用于數(shù)控雕刻機(jī)的控制系統(tǒng)，進(jìn)

7、行了系統(tǒng)性的驗證。與其它的解決方案相比，具有系統(tǒng)擴(kuò)展方便、機(jī)床布局靈活、成本低等特點。針對數(shù)控雕刻機(jī)數(shù)控程序容量大的問題，提出了分塊管理方法，可以有效降低系統(tǒng)內(nèi)存的占用，提高系統(tǒng)的響應(yīng)。在CAM產(chǎn)生的刀具軌跡中，不再包含實體信息，而線框模型在三維顯示時無法使用燈光進(jìn)行渲染，因而呈現(xiàn)不出三維效果。本文提出了線段頂點著色法，從而解決了數(shù)控加工中密集三維路徑顯示問題。最后，對小線段高速加工算法進(jìn)行了加工實驗驗證。
　　 本研究的成功實