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机器视觉机器人相关运动控制算法

2015-06-18

机器视觉机器人相关运动控制算法

  强耦合、周期性、多频扰动等运动控制精度要求高的场合,常规PID调节就难以得到满意的控制效果。对于周期性、多频扰动常见的控制方法有以下几种:
  (1) 学习控制是一种通过重复的试运行来形成目标输入,从而在有限时间内产生所需输出的方法,它被认为是一种对目标输入的逆系统进行反复生成的方 法。
  (2) 自适应前馈控制是通过自动调节控制量的幅值和相位,来保证在输入端加一个与干扰幅值相等、相位相反的控制作用,以抑制周期干扰。
  (3) 内模控制(Internal Model Control)是将干扰模型包含在反馈环内,控制器的设计主要是选择一个适当的传递函数,使闭环 系统稳定,且具有期望的输入、输出性能,以抑制周期性干扰。这种方法还可处理多频干扰问题。
  (4) 重复控制则是采用内模原理,通过建立重复补偿器和稳定化补偿器,使系统具有内部稳定性和稳态鲁棒性,进而抑制周期性干扰。
  由于运动控制器的应用范围越来越广泛,为了适应新的情况、特定环境和对象,不断会有新的运动规划、多轴插补和控制滤波算法出现。
  运动控制技术已经成为现代化的"制器之技",运动控制器不但在传统的机械数控行业有着广泛的应用,而且在新兴的电子制造和信息产品的制造业中起着不可 替代的作用。通用运动控制技术已逐步发展成为一种高度集成化的技术,不但包含通用的多轴速度、位置控制技术,而且与应用系统的工艺条件和技术要求紧密相 关。事实上,应用系统的技术要求,特别是一个行业的工艺技术要求也促进了运动控制器的功能的发展。通用运动控制器的许多功能都是同工艺技术要求密切相关 的,通用运动控制器的应用不但简化了机械结构甚至简化了生产工艺。通用运动控制器的主要功能在多个行业得到广泛的应用:
  (1)运动规划功能 实际上是形成运动的速度和位置的基准量。合适的基准量不但可以改善轨迹的精度,而且其影响作用还可以降低对传动系统以及机械传递 元件的要求。通用运动控制器通常都提供基于对冲击(Jerk)、加速度和速度等这些可影响动态轨迹精度的量值加以限制的运动规划方法,用户可以直接调用相 应的函数。对于加速度进行限制的运动规划产生梯形速度曲线;对于冲击进行限制的运动规划产生S形速度曲线。一般说来,对于数控机床而言,采用加速度和速度 基准量限制的运动规划方法,就足已获得一种优良的动态特性。对于高加速度、小行程运动的快速定位系统如PCB钻床、SMT机,其定位时间和超调量都有严格 的要求,往往需要高阶导数连续的运动规划方法。
  (2)多轴插补、连续插补功能 通用运动控制器提供的多轴插补功能在数控机械行业获得了广泛的应用。近年来,由于雕刻机市场,特别是模具雕刻机市场的 快速发展,推动了运动控制器的连续插补功能的发展。在模具雕刻中存在大量的短小线段加工,要求段间加工速度波动尽可能小,速度的变化的拐点要平滑过渡,这 样要求运动控制器由速度前瞻(Look ahead)和连续插补的功能。正运动推出了专门应用于小线段加工工艺的连续插补型运动控制器,该控制器在 模具雕刻、激光雕刻、平面切割等领域获得了良好的应用。
  (3)电子齿轮与电子凸轮功能 不但可以大大地简化机械设计,而且可以实现许多机械齿轮与凸轮难以实现的功能。电子齿轮可以实现多个运动轴按设定的齿 轮比同步运动,这使得运动控制器在定长剪切(fixed-length cutting)和无轴传动的套色印刷方面有很好的应用。另外,电子齿轮功能还可 以实现一个运动轴以设定的齿轮比跟随一个函数,而这个函数由其他的几个运动轴的运动决定;一个轴也可以以设定的比例跟随其他两个轴的合成速度。如工业缝纫 机和绗缝机的应用中,Z轴(缝线轴)可以跟随XY轴(移动轴)的合成速度,从而使缝针脚距均匀。电子凸轮功能可以通过编程改变凸轮形状,无需修磨机械凸 轮,极大地简化了加工工艺。这个功能使运动控制器在机械凸轮的淬火加工、异型玻璃切割和全电机驱动弹簧机等领域有良好的应用。
  (4)比较输出功能 是指在运动过程中,位置到达设定的坐标点时,运动控制器输出一个或多个开关量,而运动过程不受影响。如在AOI的飞行检测 (Flying inspection)中,运动控制器的比较输出功能使系统运行到设定的位置即启动CCD快速摄像,而运动并不受影响,这样极大地提高了 效率,改善了图像质量。另外,在激光雕刻应用中,正运动的通用运动控制器的这项功能也获得了很好的应用。
  (5)探针信号锁存功能 可以锁存探针信号产生的时刻,各运动轴的位置,其精度只与硬件电路相关,不受软件和系统运动惯性的影响,在CMM测量行业有 良好的应用。
  另外,越来越多的OEM厂商希望将他们自己丰富的行业应用经验集成到运动控制中去,针对不同的应用场合和控制对象,个性化设计运动控制器的功能。正运动已经开发了通用运动控制器应用开发平台,使通用运动控制器具有真正面向对象的开放式控制结构和系统重构能力,用户可以将自己设计的控制算法加载到 运动控制器的内存中,而无需改变控制系统的结构设计就可以重新构造一个特殊用途的专用运动控制器。
  今后基于计算机标准总线的运动控制器仍然是市场的主流,但是,基于网络的嵌入式运动控制器会有较大的发展。基于计算机标准总线的通用运动控制器主要是 板卡结构,采用的总线大都为ISA、PCI。由于它们的应用依附于通用PC计算机平台,从工业控制的角度分析,这种运动控制器的优缺点如下。
  优点:
  (1) 硬件组成简单,把运动控制器插入PC总线,连接信号线就可组成系统;
  (2) 可以使用PC机已经具有的丰富软件进行开发;
  (3) 运动控制软件的代码通用性和可移植性较好;
  (4) 可以进行开发工作的工程人员较多,不需要太多培训工作,就可以进行开发。
  缺点:
  (1) 采用板卡结构的运动控制器采用金手指连接,单边固定,在多数环境较差的工业现场(振动,粉尘,油污严重),不适宜长期工作。
  (2) PC资源浪费。由于PC的捆绑方式销售,用户实际上仅使用少部分PC资源,未使用的PC资源不但造成闲置和浪费,还带来维护上的麻烦。
  (3) 整体可*性难以保证,由于PC的选择可以是工控机,也可以是商用机。系统集成后,可*性差异很大。并不是由运动控制器能保证的。
  (4) 难以突出行业特点。不同行业、不同设备其控制面板均有不同的特色和个性。
  嵌入式PC的运动控制器能够克服以上缺点。这种产品会有较好的市场前景。由于SOM(system on module)和 SOC(system on chip)技术的快速发展,嵌入式PC运动控制器获得了良好的发展。嵌入式运动控制器产品可以很方便地将在PC上开发的应用 系统,不加任何改动就可以很方便地移植过来。作为用户来讲,他们仅仅开发跟其具体项目有关、相对独立的人机界面就可以了。由于嵌入式PC的运动控制平台具 有标准PC的接口功能,用户不需要再购买工业PC就能很方便的组成他们自己的系统。这种嵌入式运动控制器既提高了整个系统的可*性,有时系统更加简洁和高 度集成化。
  随着工业现场网络总线技术的发展,基于网络的运动控制器获得了极大的发展,并已经开始应用于多轴同步控制中。越来越多的传统的以机械轴同步的系统开始 采用网络运动控制器控制的电机轴控制,这样可以减少系统地维护和增加系统的柔性。
  由于我国的特殊市场需求,一些其他的专用运动控制系统也会越来越多。例如图像伺服控制的专用运动控制器,力伺服的专用运动控制器等。根据用户的应用要 求进行客制化的重构,设计出个性化的运动控制器将成为市场应用的一大方向。
  一个典型的运动控制系统主要由运动部件、传动机构、执行机构、驱动器和运动控制器构成,整个系统的运动指令有运动控制器给出,因此运动控制器是整个运 动控制系统的灵魂。用户必需使用通用运动控制器提供的标准功能进行二次开发,根据自己的应用系统的工艺条件,应用运动控制器的相关功能,开发出集成了自己 的工艺特点和行业经验的应用系统。同时,用户还需要了解构成运动控制系统的其他部件,必须保证机械系统的完备,才能集成出高质量的运动控制系统。从我国的 经济发展的情况来看,通用运动控制器的应用和市场仅仅是刚刚启动。与美国和欧洲发达国家相比,我国在运动控制器技术开发上政府的投入很少,在该领域没有形 成统一的产品标准。高等院校的教育还没有跟上,没有培养出一大批能够开发和应用运动控制器的人才。在市场推广过程中碰到的最大困难就是国内的系统集成商和 设备制造商缺乏应用工程师。使得运动控制器的应用工作受阻,售后技术支持难度加大。因此,快速培养一大批运动控制器的开发应用人才是加快新的技术革命和新 的产业革命的关键。

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