均匀涂覆点胶机运动控制方法及系统与流程

1.本发明涉及到实时点胶运动控制方法，涉及到均匀涂覆点胶运动控制方法及系统，尤其涉及到五轴联动设备相关的均匀涂覆点胶运动控制方法及系统。


背景技术：

2.点胶机又称涂胶机、滴胶机、打胶机、灌胶机等，专门对流体进行控制。并将流体点滴、涂覆于产品表面或内部的自动化设备，在汽车、3c、建筑、食品、包装等行业应用非常广泛。早期的点胶机一般是非标定制设备，出货量小，因此采用plc(可编程逻辑控制器)控制步进电机、伺服电机、电磁阀、气动缸设计相关流程工艺。随着批量标准化需求的增加，plc存在成本高的不足，点胶机开始逐渐使用通用运动控制器，而后又出现了点胶机专用的运动控制器。
3.运动控制器是集成运动轨迹插补、加减速算法和工具开关控制的嵌入式计算机软硬件系统，是计算机技术和机器人技术的结合运用。早期的点胶机一般是三轴，称为立式点胶机。这种点胶机的胶头指向始终与工件保持固定角度，适合平面点胶作业，对于多面点胶需要重新摆放定位工件。四轴、五轴(非联动)点胶机的运用就是为了解决以上重复摆放定位工件的问题，但对于空间复杂曲面(曲线轨迹)的点胶，就必须运用五轴联动技术。
4.五轴联动是基于rtcp(rotation tool centre point)技术的机器人运动轨迹控制算法，最开始应用于高端数控机床，其难点在于工件在空间旋转同时工具配合同步地走位，使工件和工具之间的相对位置和方向矢量同时可控，从而可实现空间(3d)复杂轨迹(曲面)的加工运动。
5.数控机床和点胶机都使用了运动控制器作为其主要部件，但是应用场景不同，其区别在于：数控机床是减材加工；而点胶机被称为是增材加工。不同的工艺需求决定其运动控制算法的着重点不同，体现在对位置、速度和工件初始定位的精准性上，如下表。数控机床的工具速度主要用于控制切削进给，精准性要求一般；而点胶机的工具速度必须保持与出胶速度相匹配，否则产生胶量不均匀的问题。
6.表1
[0007][0008][0009]
另外，在三轴或非五轴联动点胶机上，点胶作业过程中工件固定，点胶头的运动速度就是加工点的移动速度，该速度的实时变化曲线控制器厂商已经给定，是通过梯形速度(一次函数)或s型速度(二次及以上函数)曲线，由于三轴或非五轴联动点胶机只针对平面工件进行点胶，不能对空间复杂结构工件进行连续多面点胶作业，但是数控机床上的运动
控制器不能直接结合到点胶机。
[0010]
通用五轴联动运动控制器的内部rtcp算法不开放加工刀头与加工件在加工点处的实时相对运动信号。而仍采用梯形或s型速度跟踪不能准确跟踪实时相对运动速度，若在点胶机上直接采用机床上的五轴联动控制器将导致胶线不均匀。
[0011]
现有技术中存在如下的问题：第一、点胶领域的五轴联动运动控制器仅能够实现对平面的点胶操作，对于复杂结构表面很难实现均匀涂覆点胶；第二、现有的数控机床上的五轴联动运动控制器转用于点胶机，存在价格高和操作工艺不匹配的技术问题，现有的五轴联动速度实时跟踪困难，导致胶线控制不理想，在点胶过程中存在堆胶和断胶的问题。


技术实现要素：

[0012]
为了克服上述缺陷，本发明设计了一种五轴联动均匀涂覆点胶机运动控制方法和系统，用于实现对于空间(3d)复杂轨迹的点胶运动控制，实时跟踪点胶头和加工件加工点的相对运动，准确控制点胶头的点胶轨迹；另外通过相对合成运动速度控制出胶量，可实现空间复杂结构表面的均匀涂覆点胶，避免在点胶过程中出现的堆胶和断胶的现象。
[0013]
本发明提供的五轴联动均匀涂覆点胶机运动控制方法，实现对点胶头的实时跟踪，精准的对点胶头的点胶轨迹进行控制，并且通过点胶头与加工件的相对运动速度控制出胶的速度，实现出胶速度和点胶头运动速度相匹配，实现均匀的涂覆，解决了现有技术点胶过程中出现的堆胶和断胶的现象。为了实现上述技术效果，本发明采用了如下控制方法，控制器从一内部执行缓存内读取包含点胶轨迹和工艺的运动指令并解析运功指令进行插补运算获取插补参数；根据插补参数计算运动轨迹上一系列插补点在各轴上的插补点坐标，所述坐标包括位置坐标[xr,yr,zr]和旋转坐标[a,c]；根据所述插补点坐标，计算因一旋转轴旋转产生的移动轴补偿后的移动轴位置点坐标[xm,ym,zm]；轴驱动输出模块接收移动轴位置点坐标[xm,ym,zm]和旋转轴坐标[a,c]，计算运动轴驱动脉冲输出信号；当前时刻一加工件加工点相对于机台坐标系的运动为一运动矢量v
ω
；当前时刻一点胶头相对于机台坐标系的运动为一空间运动矢量vm，根据运动矢量v
ω
和空间运动矢量vm合成相对运动相关联的一实时输出信号，基于点胶头相对于加工件加工点的所述实时输出信号控制点胶阀的一出胶速度
[0014]
进一步地，所述实时输出信号包括一相对运动速度矢量vr，所述相对运动速度矢量vr是当前时刻点胶头相对于加工件加工点的运动矢量。准确的实现实时跟踪，通过直接跟踪点胶头的运动矢量进行控制。
[0015]
更进一步地，所述出胶速度相关于一胶量厚度，根据所述相对运动速度矢量vr的模值和胶量厚度系数ξ的乘积控制点胶阀的所述出胶速度。通过直接跟踪点胶头的运动矢量进行控制点胶量，避免出现胶的堆积与断胶等现象。
[0016]
更进一步地，所述运动矢量v
ω
是根据加工件加工点相对于机台坐标系在两个旋转轴作用下产生的。a轴和c轴是两个旋转轴矢量，会产生点胶头作业方向变换，以最佳(表面法矢量)进行点胶，如果跟踪信号不是出自同一解算器，在变速过程中加速容易产生断，减速容易产生堆胶。
[0017]
更进一步地，所述空间运动矢量vm相切于点胶头的运动轨迹曲线。
[0018]
更进一步地，所述出胶速度的控制信号输出方式包括d/a数模转换、pwm脉冲宽度
调制和pfm脉冲频率调制任一者。
[0019]
更进一步地，所述控制方法可支持双摇臂五轴、双转台五轴、抬臂+转台五轴点胶运动控制器。
[0020]
本发明还保护了一种五轴联动均匀涂覆点胶机运动控制系统，该系统采用本发明中保护的点胶运动控制方法，一控制器从一内部执行缓存内读取包含点胶轨迹和工艺的运动指令；所述控制器解析运动指令并进行插补运算获取插补参数；一细分插补模块，根据插补参数计算运动轨迹上一系列插补点在各轴上的坐标，坐标包括位置坐标[xr,yr,zr]和旋转坐标[a,c]；一rtcp算法解算模块，计算因一旋转轴旋转产生的移动轴补偿后的实际运动位置点坐标[xm,ym,zm]；一轴驱动输出模块，将移动轴位置点坐标[xm,ym,zm]和旋转轴坐标[a,c]转化为相应的运动轴驱动脉冲输出信号；一合成运动计算输出模块，根据当前时刻点胶头相对于加工件加工点的运动计算相对运动矢量vr，将相对运动矢量vr的模值和胶量厚度系数ξ的乘积作为信号输出，用于实时控制点胶阀的出胶量。
[0021]
更进一步地，相对运动矢量vr相关于加工件和点胶头相邻两个位置坐标[xr,yr,zr]的差分。
[0022]
更进一步地，所述细分插补模块中包含所述运动指令，其中，所述运动指令包括运动轨迹曲线类型和点胶工艺参数。
[0023]
更进一步地，所述运动轨迹曲线类型包括：直线、圆弧、柱螺旋、卷螺旋、贝塞尔/b样条(贝塞尔曲线组)曲线。
[0024]
更进一步地，所述点胶工艺参数包括：点胶速度、加速度、五轴联动/非联的模式、曲线控制点、点胶头作业矢量及点胶线宽度。
[0025]
更进一步地，所述点胶工艺参数包括：点胶速度、加速度、五轴联动/非联的模式、曲线控制点、点胶头作业矢量及点胶线宽度。
[0026]
更进一步地，包括一核心处理器，所述核心处理器采用arm+fpga双核架构，所述arm处理器负责指令收发、指令缓冲、指令解析和插补运算；所述fpga负责驱动脉冲平滑输出、轴实际位置反馈回读、限位防撞保护。
[0027]
更进一步地，所述rtcp算法解算模块计算所述实际运动位置点坐标[xm,ym,zm]包括：
[0028]
根据旋转轴a的轴矢量na和旋转角度α构造四元数qa,
[0029][0030]
根据旋转轴c的轴矢量nc和旋转角度γ构造四元数qc,
[0031][0032]
将插补点位置坐标[xr,yr,zr]扩展为四元数qr,
[0033]
qr＝[0 x
r y
r zr],
[0034]
对四元数qr两次用四元数乘法运算，得到旋转后的四元数qf,
[0035][0036]
将四元数降维成三维坐标，与原机台坐标相加进行运动补偿，得到合成运动位置
点坐标
[0037]
[xm,ym,zm]，
[0038]
xm＝x0+xf，ym＝y0+yf，zm＝z0+zf，其中，x0、y0、z0是原机台坐标。
[0039]
本技术中采用的技术方案相交于现有技术存在如下有益效果：
[0040]
第一、实现对点胶头实时进行跟踪，精准检测点胶头和加工件之间的相对运动，在五轴联动的基础上增加一个控制维度，实现平面点胶的情况下，对复杂空间结构的点胶轨迹实现点胶；
[0041]
第二、通过实时控制点胶头和加工件的相对运动，根据相对运动控制点胶头运动，同时根据相对运动和胶量厚度系数控制点胶头的出胶速度，保证出胶速度和点胶头的运动相匹配，实现胶线的均匀涂覆，防止出现堆胶和断胶的现象。
附图说明
[0042]
图1为本发明提供的相对运动速度矢量合成算法示意图；
[0043]
图2为本发明提供的五轴联动点胶机控制示意图；
[0044]
图3a-3d为各个曲线轨迹样例；
[0045]
图4为本发明提供的五轴联动均匀涂覆点胶机运动控制系统中控制模块的示意图；
[0046]
图5a-5b为本发明提供点胶轨迹示意图。
[0047]
符号说明
[0048]
表二
[0049]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
直线运动z轴
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ2ꢀꢀꢀꢀ
直线运动y轴
[0050]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
直线运动x轴
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ4ꢀꢀꢀꢀ
点胶喷头
[0051]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
工件安装平台
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ6ꢀꢀꢀꢀ
第一旋转a轴
[0052]7ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二旋转c轴
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ8ꢀꢀꢀꢀ
运动控制器
[0053]9ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
胶阀流量控制器
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
10
ꢀꢀꢀ
胶量同步控制信号
具体实施方式
[0054]
下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。然而，应当将本发明理解成并不局限于以下描述的这种实施方式，并且本发明的技术理念可以与其他公知技术或功能与那些公知技术相同的其他技术组合实施。
[0055]
在以下具体实施例的说明中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“轴向”、“径向”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。其中，
[0056]
表三
[0057]
[0058][0059]
本发明为了满足对复杂加工件的均匀点胶，提出了在传统五轴联动点胶机的基础上增加一个维度对加工件进行点胶，来解决现有技术中对点胶头的控制不能够做到实时跟踪，造成点胶时出现断交和堆胶的情况。
[0060]
考虑到采用五轴联动对非平面的加工件进行曲面或者空间点胶时，加工件在机台上也会产生运动，例如加工件在机台上进行旋转等运动，为了保证点胶头在工件上点胶位置的精准点胶以及均匀点胶，需要保证实时监测点胶头和工件之间的相对运动，进而控制点胶头的出胶量。
[0061]
本发明属于基于rtcp五轴联动控制方法的进一步改进，又称为5+1轴联动控制方法，是基于五轴点胶机应用需求特制的一种改进方法。本发明在常规五轴联动基础上增加一个加工点合成相对运动相关联的实时输出信号(也即第6个轴)，该实时输出信号可以采用d/a数模转换、pwm脉冲宽度调制和pfm脉冲频率调制三种方式输出，应用范围更广。
[0062]
从点胶机机械结构的角度分类，五轴点胶机分为双摇臂(上)五轴点胶机、双转台(下)五轴点胶机、摇臂+转台(上下)五轴点胶机，本专利的控制方法可以应用于上述三种点胶机中。
[0063]
结合图1-图5b对五轴联动均匀涂覆点胶机运动控制方法及控制系统进行说明。
[0064]
五轴联动均匀涂覆点胶机运动控制系统包括控制器、细分插补模块、rtcp算法解算模块、轴驱动输出模块、合成运动计算输出模块。
[0065]
控制器从执行缓存内读取运动指令，运动指令内容包括运动轨迹曲线类型和点胶工艺参数，控制器解析运动指令并进行插补运算获取插补参数。其中轨迹曲线类型包括：直线、圆弧、柱螺旋、卷螺旋、贝塞尔/b样条(贝塞尔曲线组)曲线；其中点胶工艺参数包括：点胶速度、加速度、五轴联动/非联的模式、曲线控制坐标点、点胶头作业矢量及点胶线宽度。轨迹曲线用于匹配复杂结构的点胶轨迹的拟合和选择，点胶工艺参数用于调整点胶作业的工作模式作为参考。插补参数根据轨迹描述参数进行自适应计算，插补参数包括：插补间隔、插补段数、微段长度和微段速度。
[0066]
细分插补模块，根据插补参数计算运动轨迹上一系列插补点在各轴上的坐标，例如位置坐标[xr,yr,zr]和旋转坐标[a,c])，其中细分插补模块中包含了控制器读取的需要的运动轨迹类型，图3a-3d中显示了各种曲线轨迹。图3a显示了3d和二维平面中的柱螺旋轨迹；图3b显示了3d和二维平面中的卷螺旋轨迹；图3c显示了3d和二维平面中贝塞尔曲线轨迹；图3d显示了3d和二维平面中b样条曲线轨迹。本发明运动控制器除支持常用的直线、圆弧轨迹外，还支持柱螺旋、卷螺旋和贝塞尔/样条曲线，其中柱螺旋、卷螺旋和贝塞尔/样条曲线，对轴卡类运动控制器的功能增强和改进。运动控制器支持五轴联动rtcp算法上的直线、圆弧、柱螺旋、卷螺旋和贝塞尔/样条曲线。实现空间复杂结构工件的连续多面点胶作
业，而无需换面重新摆放装夹工件，从而实现作业效率有效提高。
[0067]
图5a和图5b显示了点胶轨迹样例。图5a是本发明提供的一个柱螺旋点胶轨迹样例。在点胶作业过程中，点胶头沿轨迹运动同时，需要实时调整点胶头作业矢量。在工件任意装夹的限制下(不允许圆柱轴对中或不允许加工过程重新装夹)，需要支持rtcp五轴联动的点胶机才能完成。本发明的点胶运动控制方法支持在点胶过程中实施变速均匀涂覆效果。
[0068]
图5b是本发明提供的一个叶轮的叶片和支撑轮毂粘合加工的作业样例。由叶片和轮毂的两个复杂曲面相交形成的点胶加工轨迹线也非常复杂，无法用数学解析表达式描述这条空间曲线。所以，只能用有限个空间离散点加以拟合来进行逼近真实轨迹，而样条曲线就是采用光滑逼近拟合的方法。本发明的点胶运动控制方法支持rtcp五轴联动基础上的b样条曲线轨迹算法，所以本专利方法可以实现该应用场景的均匀涂覆。
[0069]
rtcp算法解算模块，根据位置坐标[xr,yr,zr]和旋转球坐标[a,c]解算出位置点与球坐标下产生的旋转运动的合成运动位置点坐标[xm,ym,zm]。具体根据如下步骤获得位置点坐标：
[0070]
第一步，根据旋转轴a的轴矢量na和旋转角度α构造四元数qa[0071][0072]
第二步，根据旋转轴c的轴矢量nc和旋转角度γ构造四元数qc[0073][0074]
第三步，将位置三维坐标[xr,yr,zr]扩展为四元数qr[0075]
qr＝[0 x
r y
r zr]
[0076]
第四步，对四元数qr两次用四元数乘法运算，得到旋转后的四元数qf[0077][0078]
第五步，将四元数降维成三维坐标，与原机台坐标相加进行运动补偿，得到合成运动位置点坐标[xm,ym,zm]，xm＝x0+xf，ym＝y0+yf，zm＝z0+zf，其中，x0、y0、z0是原机台坐标。
[0079]
通过rtcp算法解算模块实现以加工点为瞬时旋转中心，进行时变角度点胶加工，使点胶过程更精确。
[0080]
轴驱动输出模块，基于rtcp算法解算模块输出信号输出一脉冲信号，控制旋转轴和运动轴的移动。具体的将rtcp算法解算模块输出的移动轴位置点坐标[xm,ym,zm]和旋转轴坐标[a,c]转化为相应的运动轴驱动脉冲输出信号。其中运动轴包括第一旋转轴和第二旋转轴，以及x方向移动轴、y方向移动轴和z方向移动轴，其中，第一旋转轴和第二旋转轴分别如图4中第一旋转轴a轴6和第二旋转轴c轴7，控制机台上工件的旋转。
[0081]
合成运动计算输出模块，计算相对运动矢量vr；将相对运动矢量vr的模值和胶量厚度系数ξ的乘积作为信号输出，用于实时控制点胶阀的出胶量，使点胶阀的出胶量与点胶头的运动速度相匹配。
[0082]
其中，控制系统中控制器获得插补参数，控制器将获取的插补参数数据传输至细分插补模块中，细分插补模块根据接收的插补参数信息计算具体的插补点以及插补点在各
轴上的位置坐标[xr,yr,zr]和旋转坐标[a,c]，合成运动计算输出模块根据运动矢量v
ω
和空间运动矢量vm合成相对运动相关联的一实时输出信号，基于所述实时输出信号控制点胶阀的一出胶速度。相对运动速度信号输出采用三种方式：d/a数模转换、pwm脉冲宽度调制和pfm脉冲频率调制。其中，d/a数模转换、pwm宽度脉冲调制信号可驱动各类电动阀与气动阀，其中，pfm脉冲频率调制信号优选驱动逐点模式的压电喷射阀。
[0083]
本发明通过改进rtcp五轴联动算法，增加了基于点胶头与加工件在加工点处的实时相对运动速度的同步输出信号，用该信号控制出胶量能保证出胶和运动速度同步变化，从而实现较好的五轴联动点胶的胶线均匀涂覆效果。
[0084]
同时本发明运动控制器硬件核心处理器采用arm+fpga的双核架构，实现了控制方法的实时性处理。设计了五轴联动点胶专用运动控制器的硬件电路，从而实现了产品化。
[0085]
由于该点胶机运动控制系统中采用的点胶运动控制方法对于实时性要求非常高，因此更适合于在嵌入式平台上实现。在开发阶段，在pc机上进行了算法验证和仿真。仿真验证正确后再移植到嵌入式平台上编译运行。本系统中包含的运动控制器中硬件核心处理器采用arm+fpga双核架构。其中，arm处理器需要支持硬浮点运算、主频≥100mhz的器件。
[0086]
arm处理器内实现的处理方法如下：
[0087]
通过以太网或rs232与ipc机(工控机)进行通信，接收并解析指令；根据指令进行运动速度规划与运动轨迹粗略插补计算；采用改进后的rtcp五轴联动点胶运动控制方法中关于相对速度计算、坐标矢量运算、点胶头(刀尖)移动补偿运算；将运算得到的移动量与fpga的实时数据通信，通信接口采用并行总线时序逻辑；开关量输入输出、模拟量输入输出控制。
[0088]
fpga处理器的逻辑单元(cells)数要求≥5000，可用io引脚数≥144。
[0089]
fpga处理器内运算控制如下：
[0090]
fpga处理器对脉冲平滑插补计算并将计算数据进行输出；电机编码器脉冲信号回读计数；限位开关状态监控与防撞机保护；相对运动速度信号的pwm、pfm调制输出；逻辑信号到物理轴驱动映射。
[0091]
本系统中将上述实时控制方法的算法嵌入在arm+fpga的硬件平台上，实现一种标准化点胶专用运动控制器产品。
[0092]
本发明相较于现有技术具有如下有益效果：
[0093]
第一、实现对点胶头实时进行跟踪，精准检测点胶头和加工件之间的相对运动，在五轴联动的基础上增加一个控制维度，实现平面点胶的情况下，对复杂空间结构的点胶轨迹实现点胶；
[0094]
第二、通过实时控制点胶头和加工件的相对运动，根据相对运动控制点胶头运动，同时根据相对运动和胶量厚度系数控制点胶头的出胶速度，保证出胶速度和点胶头的运动相匹配，实现胶线的均匀涂覆，防止出现堆胶和断胶的现象。如无特别说明，本文中出现的类似于“第一”、“第二”的限定语并非是指对时间顺序、数量、或者重要性的限定，而仅仅是为了将本技术方案中的一个技术特征与另一个技术特征相区分。同样地，本文中出现的类似于“一”的限定语并非是指对数量的限定，而是描述在前文中未曾出现的技术特征。同样地，本文中在数词前出现的类似于“大约”、“近似地”的修饰语通常包含本数，并且其具体的含义应当结合上下文意理解。同样地，除非是有特定的数量量词修饰的名词，否则在本文中
应当视作即包含单数形式又包含复数形式，在该技术方案中即可以包括单数个该技术特征，也可以包括复数个该技术特征。
[0095]
本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。