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《山东大学》 2011年
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基于工业以太网的运动控制系统关键技术研究

杨林  
【摘要】:运动控制系统是自动化控制领域的一个分支,是机器人和数控机床的重要组成部分。运动控制系统还广泛地应用于印刷、包装、纺织、半导体加工等行业,起到了提高效率、节能降耗、增强企业竞争力的作用。本文研究了工业以太网技术与运动控制技术相融合的控制系统,实现了具有开放性总线式的运动控制系统,并对运动控制系统中的一些核心技术进行了详细研究。 首先,对基于工业以太网的运动控制平台进行了需求分析,分析了运动控制系统开发、应用、集成过程中涉及的角色以及他们对运动控制系统的功能性需求。在需求分析的基础上进行了系统架构设计和软件架构设计,提出了在通用标准计算机上实现总线实时同步控制的基本思路。在软件架构设计中,对系统的模块进行了分解,并分析了系统组件间的依赖关系。 其次,研究了工业以太网在运动控制中的应用,在通用操作系统上实现运动控制系统的方法,分析了非周期性通讯和周期性通讯的过程。在控制器端不需要特定硬件设备的情况下,由串行总线的首节点提供精确的周期性通讯信号,从而降低了对主控制器的实时性要求。通过动态地延迟补偿的方式可以保证运动控制总线上各节点间的同步性。提出了节点内存映射机制,在此基础上设计和实现了运动控制网络通讯协议和控制器协议层驱动程序。采用面向操作的应用程序接口设计方法,使运动控制总线可以从不同的层次进行扩展,从而适应不断变化的用户需求和平台自身的演进升级。对以太网运动控制总线控制端的实时性进行了实验验证,结果表明在通用操作系统下通过内核驱动编程可以满足控制器对实时性的要求。 接着,给出了运动控制系统控制器软件多层架构设计方案,利用有限状态机和多线程技术可以有效地分离逻辑控制和功能实现。利用委托、λ表达式、表达式树等技术实现了多层有限状态机,解决了量子框架中存在的诸多问题,可以通过层次化的直接编码表现多层状态机结构。本文提出了多层状态变量的概念,扩展了多层有限状态机的语义。将多层状态机应用于运动控制引擎的设计实现,研究了具有前瞻功能的运动控制引擎的功能设计和处理流程。设计了数控程序中间语言和数控程序编译器,采用中间语言可以有效地减少运行时的计算工作量,提前发现代码中的错误,减少执行时的复杂逻辑判断。重点说明了自动模式下的功能设计和处理流程,利用多层状态机可以实现具有前瞻功能的运动控制系统中停止、暂停等复杂的流程控制。 此外,研究了复杂型面高速加工速度规划的方法,提出了基于时间分割的前加减速插补算法和动态前瞻算法,对段间连接、累积误差、速度修调、加速度控制等问题进行了深入地研究。通过速度平摊和段间连接计算,可有效处理离散数据的计算误差。该方法具有自适应性,当路径间的夹角较大时,前瞻算法限制了路径的末速度并产生减速效果,在减速段可以消除大部分残余长度,以实现精确的轨迹加工。对于未消除的残余长度,由于末速度和段间连接线段的长度较小,使得位置误差较小,从而满足插补精度的要求。当路径间夹角较小时,路径末速度受设定速度的限制而以段间连接计算为主,保证了加工速度的平滑性,从而满足小线段高速加工的要求。 最后,将以上研究成果应用于数控雕刻机的控制系统,进行了系统性的验证。与其它的解决方案相比,具有系统扩展方便、机床布局灵活、成本低等特点。针对数控雕刻机数控程序容量大的问题,提出了分块管理方法,可以有效降低系统内存的占用,提高系统的响应。在CAM产生的刀具轨迹中,不再包含实体信息,而线框模型在三维显示时无法使用灯光进行渲染,因而呈现不出三维效果。本文提出了线段顶点着色法,从而解决了数控加工中密集三维路径显示问题。最后,对小线段高速加工算法进行了加工实验验证。 本研究的成功实施为工业以太网在运动控制领域广泛应用提供了一个有效途径,为开放式运动控制器的设计和开发提供了一个解决方案。
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