直線加減速優(yōu)化算法在陶瓷施釉機(jī)械手中的應(yīng)用

摘 要：控制系統(tǒng)的位置精度和運(yùn)行時(shí)間是衡量施釉機(jī)器手好壞的主要性能指標(biāo)，加減速模式特別是減速模式對(duì)其性能有著重要的影響。筆者針對(duì)在施釉機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過(guò)程的最后減速段仍會(huì)出現(xiàn)低速運(yùn)行的“尾巴”現(xiàn)象，提出了一種新的實(shí)時(shí)加減速優(yōu)化算法，并給出了試驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明，該算法可有效消除減速過(guò)程中的低速運(yùn)行時(shí)間段，從而提高施釉機(jī)械手加工精度和效率。

關(guān)鍵詞：加減速；施釉機(jī)械手；實(shí)時(shí)

1 引 言

目前，我國(guó)衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)品與國(guó)外的高檔陶瓷產(chǎn)品相比較，釉面質(zhì)量是最大的差距，如何提高釉面質(zhì)量，是產(chǎn)品躋身于高檔產(chǎn)品的重要措施。采用機(jī)械手施釉可使衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)品施釉高效連續(xù)化，并為提高施釉質(zhì)量提供先進(jìn)的控制手段[1]。

除了保證施釉機(jī)械手位置精度以外，定位時(shí)間也已成為衡量施釉機(jī)械手性能好壞的一個(gè)重要指標(biāo)。施釉機(jī)械手對(duì)位置誤差的精確控制是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，直線減速模式是最常用的一種減速模式。傳統(tǒng)的直線加減速算法[2]有一定的局限性，即這種算法只能適應(yīng)于加工長(zhǎng)度固定的情況，并沒(méi)有考慮加工長(zhǎng)度是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的情況，而機(jī)械手實(shí)際工作狀態(tài)往往又是在連續(xù)手動(dòng)方式下進(jìn)行，其機(jī)械手的進(jìn)給量是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，因此，若按照上述算法，“尾巴”現(xiàn)象仍會(huì)在減速區(qū)出現(xiàn)。另外，由于伺服電機(jī)存在一個(gè)“死區(qū)”[3]，當(dāng)速度低于伺服電機(jī)的“死區(qū)”速度后，伺服電機(jī)將不再轉(zhuǎn)動(dòng)，又將導(dǎo)致位置誤差。為了消除減速過(guò)程中出現(xiàn)的“尾巴”現(xiàn)象，提高位置精度，本文提出一種實(shí)時(shí)直線加減速算法，以傳統(tǒng)的直線加減速算法相比，此算法不僅可消除減速過(guò)程中出現(xiàn)的“尾巴”現(xiàn)象，而且能使系統(tǒng)性能得到明顯改善。

2實(shí)時(shí)直線加減速算法

2.1減速點(diǎn)的計(jì)算

插補(bǔ)系統(tǒng)是一個(gè)離散的采樣系統(tǒng)，所以計(jì)算減速點(diǎn)需要采用離散的方法來(lái)求取[3]。假設(shè)Vmin為伺服電機(jī)的“死區(qū)”速度，根據(jù)（1）、（2）式可得到減速段的時(shí)間系數(shù)n。

通過(guò)（2）式求解得出n值。在離散采樣系統(tǒng)中，n必須是一個(gè)整數(shù)，所以需要根據(jù)（3）式把n化成整數(shù)。

然后根據(jù)（1）、（2）、（3）、（4）式推出（5）式，算出減速點(diǎn)的距離[4] [5]。

2.2加速度的計(jì)算

假設(shè)ai為第i個(gè)插補(bǔ)周期加速度， Vt為第i個(gè)插補(bǔ)周期的速度，利用公式（6）、（7）可以實(shí)時(shí)求出在減速段每個(gè)插補(bǔ)周期的加速度值。

本算法的關(guān)鍵就在于抓住了減速區(qū)長(zhǎng)度Sd是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化值，必須在每一個(gè)周期都重新計(jì)算加速度值，所以在減速區(qū)是一個(gè)變減速運(yùn)動(dòng)。

3 判斷條件的設(shè)置

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過(guò)計(jì)算減速點(diǎn)和加速度，還不能完全解決直線加減速的“尾巴”現(xiàn)象。所以在減速階段設(shè)置一個(gè)判斷條件：當(dāng)剩下的距離小于或等于某個(gè)定值時(shí)，就在一個(gè)周期內(nèi)勻速走完剩下的距離。

4 實(shí)時(shí)直線加減速算法的實(shí)現(xiàn)

4.1程序框圖

圖1給出了實(shí)時(shí)直線加減速算法的程序框圖。其中△L為剩下的距離，S0為一個(gè)周期走完的標(biāo)準(zhǔn)距離， V是當(dāng)前速度，Vcmd是目標(biāo)速度，S1是以初速度為零、給定的加速度勻加速至Vcmd的時(shí)間內(nèi)所運(yùn)動(dòng)的距離。

4.2仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了檢驗(yàn)所提出算法的有效性，由上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所提供開(kāi)發(fā)平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)的硬件平臺(tái)由ARM公司的PXA270作為中央控制器和基于DSP6713的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)控制器等幾部分組成。在手輪方式下，采用兩種不同算法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。實(shí)驗(yàn)所采用的參數(shù)如下：勻速時(shí)的速度Vp＝120mm/s，最大加速度a=1500mm/s，

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用了一種實(shí)時(shí)直線加減速算法，提出了減速點(diǎn)計(jì)算和實(shí)時(shí)加速度計(jì)算的方法，在減速最后階段以一個(gè)周期插補(bǔ)完為條件，實(shí)現(xiàn)精確定位，同時(shí)減少了定位時(shí)間。該算法消除了在任何模式下速段的“尾巴”現(xiàn)象。目前，上述理論方法開(kāi)發(fā)的施釉機(jī)械手已經(jīng)成功應(yīng)用于廣東西玉陶瓷有限公司施釉生產(chǎn)線上，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的生產(chǎn)實(shí)踐表明：該機(jī)械手施釉軌跡重復(fù)性好，容易保證釉層厚度均勻，釉面質(zhì)量穩(wěn)定，大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率。

參考文獻(xiàn)

[1] 汪用瑜，張淋.單片機(jī)在衛(wèi)生陶瓷施釉機(jī)械手上的開(kāi)發(fā)應(yīng)用[J].

中國(guó)陶瓷，2009，45（3）：44-46.

[2] 李曦，唐小琦，陳吉紅等.NC伺服的加減速控制算法的研究與

實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)床與液壓，2000，（3）：3-4。

[3] 陳友東，王田苗，魏洪興.數(shù)控系統(tǒng)的直線和S形加減速研究[J].

中國(guó)機(jī)械工程，2006，（15）：1600-1604.

[4] Jae Wook Jeon.Efficient acceleration and deceleration technique

for short distance movement in CNC machine tools[J]. Electronics

Letters.2000，36(8)：766-768.

[5] 郭新貴，李從心，阮雪榆.采用線性加減速伺服系統(tǒng)的快速準(zhǔn)

確定位方法[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2003，39（7）：74-78.