CN103454979B - 一种封装成PLCOpen指令的变速曲线圆弧快速插补方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业控制领域中的圆弧插补方法，一种封装成PLCopen指令的变速曲线圆弧快速插补方法，包括以下步骤：根据PLCopen标准，将所述的变速曲线圆弧快速插补方法封装成圆弧运动指令；通过圆弧运动指令获取圆弧插补参数，确定满足基于梯形曲线加减速控制的圆弧插补过程中的插补角度与时间的关系；根据插补周期计算圆弧下一个插补点坐标；圆弧运动指令将圆弧插补点坐标输出给位置闭环控制模块进行位置闭环控制。本发明提供的一种封装成PLCopen指令的变速曲线圆弧快速插补方法易于移植、修改与使用，而且避免变速曲线插补中三角函数的使用，提高了圆弧插补点的计算效率和插补方法的应用领域。

Description

一种封装成PLCOpen指令的变速曲线圆弧快速插补方法

技术领域

本发明涉及工业控制领域中的圆弧插补方法，特别是数控机床或机器人运动控制中的一种封装成PLCOpen指令的变速曲线圆弧快速插补方法。

背景技术

PLCopen标准是基于IEC61131-3标准，为解决不同厂商或同一厂商不同控制对象之间的运动控制系统不兼容问题，而提出的标准化编程语言和标准化的运动控制接口。通过使用PLCopen标准，实现了运动控制系统的兼容性、互换性、开放性和可重用性，提高了编程技术能在整个工业控制领域中广泛地使用。插补功能是工业控制系统的重要组成部分，对运动控制系统的性能起到至关重要的作用。圆弧是运动控制系统加工的基本线条之一，常用的圆弧插补方法分为脉冲增量插补和数字采样插补。

脉冲增量插补是在每个插补周期结束后，输出脉冲来控制电机运动。此方法仅需要加法和移位运算，实现起来较为简单，但是由于插补时间受到插补算法执行时间的限制，因此仅适用于对精度要求不高的运动控制系统中。脉冲增量插补算法主要包括逐点比较法插补、数字积分法插补、最小偏差法插补等。

数字采样插补输出的不是脉冲，而是与插补周期与给进速度有关的微小线段。数字采样插补包括粗插补和精插补两部分。粗插补是利用输出的微小线段逼近圆弧，精插补是对输出的微小线段进行数据点的密化，精插补涉及的算法相对简单，一般用脉冲增量插补算法即可。数字采样插补算法主要包括时间分割法和扩展数字积分法等。

目前圆弧插补算法大多针对专用运动控制系统，未进行标准化封装，不便于移植、修改与使用，而且圆弧插补点的计算使用三角函数或对三角函数的近似替换，降低了运动控制系统计算效率和圆弧加工精度。

发明内容

为了克服已有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种封装成PLCopen指令的变速曲线圆弧快速插补方法。该方法避免了变速曲线插补中三角函数的使用，提高了圆弧插补点的计算效率和圆弧加工精度。

为了实现上述发明目的,解决己有技术中存在的问题，本发明采取的技术方案是：一种封装成PLCOpen指令的变速曲线圆弧快速插补方法， 其特征在于包括以下步骤：

（A）根据PLCopen标准，把变速曲线圆弧快速插补方法封装成圆弧运动控制指令，是将圆弧参数计算与圆弧插补过程设计为功能块MC_MoveCircular2D，圆弧插补输入参数和启动信号设计为功能块MC_MoveCircular2D左侧的输入引脚，圆弧计算与插补过程的状态信息和错误信息设计为功能块MC_MoveCircular2D右侧的输出引脚，功能块MC_MoveCircular2D、输入引脚和输出引脚共同构成圆弧运动控制指令；

（B）通过圆弧运动控制指令获取圆弧插补参数，确定满足基于梯形曲线加减速控制的圆弧插补过程中的插补角度与时间t的关系                                                ；

       （1）                       

其中：为圆弧插补的初始角速度；为圆弧插补的目标角速度；为圆弧插补的角加速度；为圆弧插补的角减速度；为圆弧插补的加速结束时刻；为圆弧插补的恒速结束时刻；为圆弧插补的减速结束时刻；

（C）根据插补周期计算圆弧下一个插补点坐标，包括以下步骤：

（a）计算圆弧插补进给步长

由公式（1）得计算公式为：

           （2）                                 

其中：i = 0,1,2…N，N为圆整后的整个圆弧插补过程中需要的插补周期总个数；R为圆弧半径；T为插补周期；

（b）计算X轴方向进给量与Y轴方向进给量

由公式（2）得与计算公式为：

         （3）                              

其中：为圆弧第i个插补周期的X轴插补点坐标；为圆弧第i个插补周期的Y轴插补点坐标；

（c）计算圆心到下一个插补点向量与X轴正向角度

由公式（1）得计算公式为：

           （4）                     

 其中：为圆弧起始角度；

（d）计算圆弧顺时针插补方向和逆时针插补方向的下一个插补点坐标和；

由公式（3）和（4）得和计算公式为：

         （5）                                

          （6）           

      （7）       

          （8）        

             （9）          

       （10）    

        （11）        

      （12）          

（D）圆弧运动控制指令将圆弧插补点坐标输出给位置闭环控制模块，进行位置闭环控制。

本发明有益效果是：本发明与已有技术相比具有以下优点，一是，本发明直接对圆弧角度进行插补与加减速控制，避免了插补终点判断，提高了圆弧加工精度、效率与稳定性。二是，本发明计算圆弧插补点坐标未使用三角函数，因此提高了计算效率。三是，本发明根据PLCopen标准，将变速曲线圆弧快速插补方法封装成圆弧运动控制指令，这样可将圆弧插补方法移植于数控机床或机器人工业控制中，提高了圆弧插补方法可移植性与应用领域。

附图说明

图1是本发明采用的运动控制系统组成框图。

图中：1、运动控制器，2、驱动器，3、执行器。

图2是本发明流程图。

图3是本发明根据PLCopen标准封装成的圆弧运动控制指令图。

图4是本发明计算下一个圆弧插补点坐标的流程图。

图5是本发明计算下一个圆弧插补点坐标的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，运动控制系统组成框图，包括运动控制器1、驱动器2、执行器3、被控对象和传感器，所述运动控制器1分别与驱动器2和传感器连接，所述驱动器2分别与传感器和执行器3连接，所述执行器3分别与传感器和被控对象连接，所述的被控对象与传感器连接。所述驱动器2包括X轴驱动器和Y轴驱动器，选自步进驱动器或伺服驱动器，所述执行器3包括X轴电机和Y轴电机，选自步进电机或伺服电机，所述传感器选自旋转编码器或光栅传感器。

所述运动控制器1包括圆弧运动控制指令、位置闭环控制模块、执行器接口和传感器接口；所述圆弧运动控制指令与位置闭环控制模块连接，主要用于产生圆弧插补点坐标；所述位置闭环控制模块与执行器接口和传感器接口连接，主要对圆弧运动控制指令产生的圆弧补点坐标进行位置闭环控制；所述执行器接口与驱动器2相连，主要用于产生脉冲量，输出给驱动器2驱动执行器3运动；所述传感器接口与传感器相连，主要通过传感器获取被控对象实际圆弧插补点坐标。

如附图2所示，本发明的一种封装成PLCopen指令的变速曲线圆弧快速插补方法，包括如下步骤：

第一步，根据PLCopen标准，将所述的变速曲线圆弧快速插补方法封装成圆弧运动控制指令；所述的圆弧运动控制指令的封装方法是将圆弧参数计算与圆弧插补过程设计为功能块MC_MoveCircular2D，圆弧插补输入参数和启动信号设计为功能块MC_MoveCircular2D左侧的输入引脚，圆弧计算与插补过程的状态信息和错误信息设计为功能块MC_MoveCircular2D右侧的输出引脚，功能块MC_MoveCircular2D、输入引脚和输出引脚共同构成圆弧运动控制指令。

所述的封装成圆弧运动控制指令如图3所示，主要包括输入引脚、输出引脚和功能块MC_MoveCircular2D。所述的封装成圆弧运动控制指令的输入引脚主要用于启动圆弧运动控制指令和输入圆弧插补所需的圆心坐标、终点坐标、圆弧插补进给速度等参数；所述的封装成圆弧运动控制指令的输出引脚主要用于显示圆弧计算与插补过程状态信息和错误信息；所述的封装成圆弧运动控制指令的功能块MC_MoveCircular2D主要用于圆弧参数计算与圆弧插补。

所述的封装成圆弧运动控制指令的输入引脚至少包括能流输入引脚Execute、轴组引脚AxesGroup、圆心坐标引脚AuxPoint、圆弧终点坐标引脚EndPoint、圆弧插补方向选择引脚PatchChoice、圆弧插补进给速度引脚Velocity、圆弧插补加速度引脚Acceleration、圆弧插补减速度引脚Deceleration、圆弧插补平面选择引脚TransitionMode、圆弧插补方式选择引脚TransitionParameter和扩展引脚BufferMode。所述的能流输入引脚Execute主要用于输入能够启动圆弧运动控制指令的脉冲或高电平能流；所述的轴组引脚AxesGroup主要用于存储运动控制系统圆弧加工控制过程中所需的联动轴ID，如X轴与Y轴；所述的圆心坐标引脚AuxPoint主要用于输入圆弧插补所需的圆心坐标值；所述的圆弧终点坐标引脚EndPoint主要用于输入圆弧插补终点坐标值；所述的圆弧插补方向选择引脚PatchChoice主要用于输入圆弧顺时针插补选择值或圆弧逆时针插补选择值；所述的圆弧插补进给速度引脚Velocity主要用于输入圆弧插补所需的线速度值；所述的圆弧插补加速度引脚Acceleration主要用于输入圆弧插补加速度值；所述的圆弧插补减速度引脚Deceleration主要用于输入圆弧插补所需的减速度值；所述的圆弧插补平面选择引脚TransitionMode主要用于输入圆弧插补所需的XOY平面选择值；所述的圆弧插补方式选择引脚TransitionParameter主要用于输入相对圆弧插补选择值或绝对圆弧插补选择值；所述的扩展引脚BufferMode用于圆弧运动控制指令扩展功能所需的输入值。

所述的封装成圆弧运动控制指令的输出引脚至少包括能流输出引脚ENO、完成状态引脚Done、指令执行状态引脚Busy、插补执行状态引脚Active、指令被打断状态引脚CommandAborted、错误状态引脚Error和错误ID引脚ErrorID。所述的能流输出引脚ENO主要用于能流输入引脚Execute的能流输出；所述的完成状态引脚Done主要用于显示圆弧插补结束状态；所述的指令执行状态引脚Busy主要用于显示圆弧运动控制指令正在被执行状态；所述的插补执行状态引脚Active主要用于显示圆弧运动控制指令正在执行圆弧插补状态；所述的指令被打断状态引脚CommandAborted主要用于显示圆弧运动控制指令执行过程中因另一个圆弧运动控制指令被执行而打断状态；所述的错误状态引脚Error主要用于显示圆弧运动控制指令输入参数超出系统设定值、计算圆弧参数错误和插补过程轴限位的错误状态；所述的错误ID引脚ErrorID用于显示圆弧运动控制指令产生的错误ID号。

第二步，通过圆弧运动控制指令获取圆弧插补参数，确定满足基于梯形曲线加减速控制的圆弧插补过程中的插补角度与时间t的关系；

      所述的圆弧插补参数主要从圆弧运动控制指令的输入引脚获取，包括圆心坐标引脚AuxPoint输入的圆心点坐标，圆弧终点坐标引脚EndPoint输入的圆弧终止点坐标、圆弧插补进给速度引脚Velocity输入的速度v、圆弧插补加速度引脚Acceleration输入的加速度和圆弧插补减速度引脚Deceleration输入的减速度；根据圆弧插补参数计算圆弧半径、圆弧插补的初始角速度、圆弧插补的目标角速度、角加速度、角减速度、初始角度、末角度、插补角度、基于梯形曲线加减速控制的圆弧插补的加减速结束时间节点；

所述的圆弧半径R计算公式为：

          （1）                         

其中：为圆弧插补初始点的X轴坐标；为圆弧插补初始点的Y轴坐标；

由公式（1）得圆弧插补的初始角速度计算公式为：

      （2）

 其中：为圆弧初始线速度；

由公式（1）得圆弧插补的目标角速度计算公式为：

    （3）                                                            

由公式（1）得角加速a计算公式为：

     （4）                                               

 由公式（1）得角减速度d计算公式为：

      （5）                                                       

由公式（1）得初始角度正弦值和余弦值计算公式为：

        （6）

 由公式（6）得的计算公式为：

      （7）                                      

由公式（1）得末角度正弦值和余弦值计算公式为：

       （8）

 由公式（8）得的计算公式为：

         （9）                                    

由公式（7）和（9）得整个圆弧插补角度计算公式为：

        （10）                 

由公式（2）、（3）、（4）、（5）和（10）得基于梯形曲线加减速控制的圆弧插补的加减速结束时间节点计算公式为：

          （11）

 其中：为圆弧插补的加速结束时刻；为圆弧插补的恒速结束时刻；为圆弧插补的减速结束时刻；

由公式（11）确定满足基于梯形曲线加减速控制的圆弧插补过程中的插补角度与时间t的关系；

     （12）           

第三步，根据插补周期T计算圆弧下一个插补点坐标，计算流程如图4所示；    

（a）计算圆弧插补进给步长；

由公式（12）得计算公式为：

                             （13）

  其中：i = 0,1,2…N，N为圆整后的整个圆弧插补过程中需要的插补周期总个数；

（b）计算X轴方向进给量与Y轴方向进给量，如附图5所示；

由和公式（13）得和计算公式为：

                                   （14）                  

其中：为当前圆弧插补点；为下一个圆弧插补点；

由公式（14）得与计算公式为：

                           （15）                

（c）计算圆心到下一个插补点向量与X轴正向角度；

由公式（7）和（12）得计算公式为：

             （16）          

（d）计算圆弧顺时针插补方向和逆时针插补方向的下一个插补点坐标；

由公式（15）和（16）得和计算公式为：

       （17）                           

      （18）                  

         （19）                  

          （20）                                   （21）                             （22）           

          （23）

            （24）               

第四步，圆弧运动控制指令将圆弧插补点坐标输出给位置闭环控制模块，进行位置闭环控制，重复第三步至第四步直到圆弧插补结束。

本发明的一种封装成PLCopen指令的变速曲线圆弧快速插补方法进行圆弧加工与控制过程为：由第一步将变速曲线圆弧快速插补方法封装成圆弧运动控制指令，通过输入引脚输入圆弧插补参数，能流输入引脚Execute启动圆弧运动控制指令，功能块MC_MoveCircular2D根据圆弧插补参数，由第二步至第四步计算每个插补周期的插补角度和插补点坐标，并将圆弧插补点坐标输出给位置闭环控制模块；传感器接口获取由传感器检测的被控对象实际圆弧插补点坐标，并输出给位置闭环控制模块；位置闭环控制模块根据实际圆弧插补点坐标对圆弧运动控制指令产生的弧插补点坐标进行位置闭环控制，并将控制后的圆弧插补点坐标输出给执行器接口；执行器接口根据位置闭环控制模块位置闭环控制后的圆弧插补点坐标产生脉冲量，输出给驱动器驱动执行器运动；执行器带动被控对象完成变速曲线的圆弧加工与控制。

最后说明的是本发明的一种封装成PLCopen指令的变速曲线圆弧快速插补方法不局限于上述实施例，还可以做出各种修改、变换和变形。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。凡是依据本发明的技术方案进行修改、修饰或等同变化，而不脱离本发明技术方案的思想和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围之内。

Claims (1)

1.一种封装成PLCOpen指令的变速曲线圆弧快速插补方法， 其特征在于包括以下步骤：

（A）根据PLCopen标准，把变速曲线圆弧快速插补方法封装成圆弧运动控制指令，是将圆弧参数计算与圆弧插补过程设计为功能块MC_MoveCircular2D，圆弧插补输入参数和启动信号设计为功能块MC_MoveCircular2D左侧的输入引脚，圆弧计算与插补过程的状态信息和错误信息设计为功能块MC_MoveCircular2D右侧的输出引脚，所述功能块MC_MoveCircular2D、输入引脚和输出引脚共同构成圆弧运动控制指令；

（B）通过圆弧运动控制指令获取圆弧插补参数，确定满足基于梯形曲线加减速控制的圆弧插补过程中的插补角度与时间t的关系                                                ；

    （1）                          

其中：为圆弧插补的初始角速度；为圆弧插补的目标角速度；为圆弧插补的角加速度；为圆弧插补的角减速度；为圆弧插补的加速结束时刻；为圆弧插补的恒速结束时刻；为圆弧插补的减速结束时刻；

（C）根据插补周期计算圆弧下一个插补点坐标，包括以下步骤：

（a）计算圆弧插补进给步长

由公式（1）得计算公式为：

          （2）                                  

其中：i = 0,1,2…N，N为圆整后的整个圆弧插补过程中需要的插补周期总个数；R为圆弧半径；T为插补周期；

（b）计算X轴方向进给量与Y轴方向进给量

由公式（2）得与计算公式为：

    （3）

 其中：为圆弧第i个插补周期的X轴插补点坐标；为圆弧第i个插补周期的Y轴插补点坐标；

（c）计算圆心到下一个插补点向量与X轴正向角度

由公式（1）得计算公式为：

       （4）

 其中：为圆弧起始角度；

（d）计算圆弧顺时针插补方向和逆时针插补方向的下一个插补点坐标和；

由公式（3）和（4）得和计算公式为：

      （5）

        （6）              

      （7）           

     （8）                       

        （9）                      

       （10）               

       （11）         

      （12）         

     （D）圆弧运动控制指令将圆弧插补点坐标输出给位置闭环控制模块，进行位置闭环控制。