一种多轴柔化同步驱动方法及系统与流程

本发明涉及多轴驱动技术领域，尤其涉及一种多轴柔化同步驱动方法及系统。

背景技术：

贴片机是smt(surfacemounttechnology，表面贴装技术)组装生产线中的重要设备，也是smt生产线中成本和要求最高的一款设备。随着电子行业的发展，在smt工艺中对pcb(printedcircuitboard，印制电路板)的贴装要求越来越高，对贴片机的要求也越来越高，贴片机的效率决定着整条生产线的工作效率。

目前，贴片机的运动控制多基于mcu进行，其并行效果较差，响应速度受mcu运行限制；同时对于双侧同步驱动的情况，未很好的进行精度控制，使其使用精度及运行情况受到影响；除此之外，还存在路径规划不完善，导致电机运动不连贯，影响使用寿命等问题。

技术实现要素：

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种多轴柔化同步驱动方法及系统，基于硬件规划的柔化曲线，响应速度高、精度高，使得轴运动稳定。

本发明提出的一种多轴柔化同步驱动方法，包括如下步骤：

设置多轴的运动参数，并通过运动参数规划多轴运动的柔化曲线；

设置与电机关联的编码器；

通过柔化曲线实时修正多轴的运动，实现同步驱动。

进一步地，所述通过柔化曲线控制电机同时启动后，包括如下步骤：

通过编码器检测轴的实际运动参数，根据柔化曲线获取轴的设定运动参数；

判断轴的所述实际运动参数是否等于所述设定运动参数；

若否，则修正所述实际运动参数；

若是，则轴继续运动。

进一步地，所述修正所述实际运动参数，包括如下步骤：

判断所述轴的实际运动参数是否大于设定运动参数；

若是，则减少相应电机输出脉冲频率；

若否，则增加相应电机输出脉冲频率。

进一步地，所述轴通过所述电机驱动，所述设置与电机关联的编码器，通过编码器检测轴的实际运动参数，包括如下步骤：

设置偶数个电机和偶数个编码器，所述电机和所述编码器数量相等；

设置任意两个电机和任意两个编码器为一组，同一组中的编码器与电机一对一连接；

同一组中，使用另一电机的编码器实时计算当前轴的实际运动参数，实现轴的同步运动。

进一步地，所述通过柔化曲线控制电机同时启动，实现多轴同步驱动时，当多轴做减速运动时，包括如下步骤：

通过柔化曲线获得电机的设定输出脉冲数p，运动个过程中实时读取编码器的反馈值，得到设定剩余脉冲数δp；

通过电机的输出脉冲频率f，计算电机的剩余输出脉冲数p′；

比较p′与δp；

当δp等于0，p′大于0时，直接控制f等于0；

当p′等于0，δp大于0，则修正电机f值，直至δp＝0。

进一步地，通过以下公式修正电机f值：

f＝k*δp；

其中，k为修正系数，δp为剩余脉冲数。

一种多轴柔化同步驱动系统，包括设定模块、主控模块、关联模块和运行模块，所述主控模块分别与所述设定模块、所述关联模块、所述运行模块连接；

所述设定模块，用于设置多轴的运动参数，并通过运动参数规划多轴运动的柔化曲线；

所述主控模块，用于控制多轴同步驱动；

所述关联模块，用于设置与电机关联的编码器，通过编码器检测轴的实际运动参数；

所述运行模块，用于通过柔化曲线控制电机同时运行，实现多轴同步驱动。

进一步地，所述关联模块包括选取模块、连接模块和参数计算模块；

所述选取模块，用于设置偶数个电机和偶数个编码器，所述电机和所述编码器数量相等；

所述连接模块，用于设置任意两个电机和任意两个编码器为一组，同一组中的编码器与电机一对一连接；

所述参数计算模块，用于同一组中，使用另一电机的编码器实时计算当前轴的实际运动参数，实现同步驱动。

进一步地，多轴柔化同步驱动系统还包括参数设定模块、运动控制模块、判断模块和修正模块，所述修正模块包括脉冲调整模块；

所述参数设定模块，用于根据柔化曲线获取轴的设定运动参数；

所述判断模块，用于判断轴的所述实际运动参数是否等于所述设定运动参数，若否，则进入修正模块，若是，则进入运动控制模块；

所述运动控制模块，用于轴继续运动到设定位置后停止；

所述修正模块，用于修正所述实际运动参数；

所述脉冲调整模块，用于调整相应电机的输出脉冲频率f。

进一步地，多轴柔化同步驱动系统还包括功能模块，所述主控模块包括fpga和位移测量模块，所述功能模块包括电机运动模块、压力传感模块、接近开关模块、位移测量模块、编码器模块和多路电机选择模块；

所述电机运动模块，用于控制电机输出，生成轴运动的柔化曲线；

所述压力传感模块与压力传感器连接，用于接收压力传感器输送的压力信号；

所述位移测量模块与激光位移传感器连接，用于接收激光位移传感器输送的位移信号；

所述接近开关模块与接近开关连接，用于接收接近开关输送的电平信号；

所述编码器模块与编码器连接，用于接收编码器输送的运动位置和速度信号；

所述多路电机选择模块与电机连接，用于选择当前控制电机。

本发明提供的一种多轴柔化同步驱动方法及系统的优点在于：本发明结构中提供的一种多轴柔化同步驱动方法及系统，基于硬件规划、响应速度高、精度高的柔化曲线使得轴运动稳定；通过柔化曲线设定运动参数，不仅使得运动稳定，而且可以减少冲击，保护运动机构；通过修正电机的输出脉冲频率，实现电机的输出驱动，进而调整电机的运动参数，使得轴通过柔化曲线控制运动，实现轴的柔化运动，提高了运动精度；通过电机的同步驱动，实现了对多个pcb板或者电子元器件的同步吸取、移动和放置；编码器交叉检测电机的运动参数，不仅能实现同轴两端电机的同步驱动，而且能实现多轴的同步驱动；同时轴在运动的过程中，实时与柔化曲线通过反馈调节，实现多轴的同步驱动，改善了基于mcu的轴运动所引起的速度、精度控制问题，以及修正了由于运动规划不完善，所引起电机启停及运动不连贯的缺陷。

附图说明

图1为本发明一种多轴柔化同步驱动方法的步骤示意图；

图2为本发明一种多轴柔化同步驱动方法的步骤s2的细分步骤示意图；

图3为本发明一种多轴柔化同步驱动系统的系统框图；

图4为本发明一种多轴柔化同步驱动方法的轴的理论运动速度与运动时间的曲线图；

图5为本发明一种多轴柔化同步驱动方法的轴的理论运动距离与运动时间的曲线图；

其中，1、设定模块，2、主控模块，3、关联模块，4、连接模块，5、参数计算模块，6、运行模块，7、判断模块，8、修正模块，21、电机运动模块，22、压力传感模块，23、位移测量模块，24、编码器模块，25、接近开关模块，26、多路电机选择模块。

具体实施方式

下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明提出的一种多轴柔化同步驱动方法，包括如下步骤s1至s7：

s1：设置多轴的运动参数，并通过运动参数规划多轴运动的柔化曲线；

多轴采用同一柔化曲线，是实现多轴同步驱动的基础；所述运动参数包括运动速度和运动距离，并通过轴的运动距离规划轴运动的柔化曲线，轴通过电机驱动，当电机按柔化曲线启动输出，对于整个电机运动而言，不仅需要满足了其运动的平滑性需求，而且减少了电机输出运动的冲击，保护了相应的运动机构。

s2：设置与电机关联的编码器；

编码器与电机关联，由于轴通过电机的输出驱动，通过编码器实时测量电机的相关输出频率，实现对电机的实时监测，以及对编码器测量的反馈控制。

s3：通过编码器检测轴的实际运动参数，根据柔化曲线获取轴的设定运动参数；

通过步骤s1规划的柔化曲线，在轴运动的过程中实时计算轴的设定运动参数，使得轴的运动是在设定标准下进行。

s4：通过柔化曲线实时修正多轴运动；

启动装置和系统运行，根据柔化曲线计算轴的设定运动参数，通过柔化曲线控制电机的运动。

s5：判断轴的所述实际运动参数是否等于所述设定运动参数；

若否，则进入s6；

若是，则进入s7；

s6：修正所述实际运动参数；

s7：轴继续运动，同时通过反馈实现多轴同步驱动。

编码器实时检测轴的实际运动参数，并与柔化曲线的设定运动参数进行比较，实现轴运动与柔化曲线的实时反馈，进而实现同步驱动。

通过s1至s7，通过柔化曲线的规划和使用，同时电机按柔化曲线启动输出，实现了轴在设定运动参数下进行运动，对于整个电机运动而言，不仅满足了其运动的平滑性需求，而且减少了电机输出运动的冲击，保护了相应的运动机构。

对于s7，在轴继续运动时，实时重复步骤s5，直至轴运动到设定位置后停止。

进一步地，所述步骤s6：修正所述实际运动参数，包括如下步骤s61至s63：

s61：判断所述轴的实际运动参数是否大于设定运动参数；

若是，则进入s62；

若否，则进入s63；

s62：减少相应电机输出脉冲频率；

s63：增加相应电机输出脉冲频率。

通过修正相应电机的输出脉冲频率，进而实时调整轴的实际运动参数，使得轴在设定的运动参数下进行运动。电机的输出脉冲频率通过柔化曲线控制修正，实现了多轴按照柔化曲线运动，进而实现多轴的同步驱动。

如图2所示，进一步地，所述步骤s2：设置与电机关联的编码器，通过编码器检测轴的实际运动参数，包括如下步骤s21至s23：

s21：设置偶数个电机和偶数个编码器，所述电机和所述编码器数量相等；

s22：设置任意两个电机和任意两个编码器为一组，同一组中的编码器与电机一对一连接；

s23：同一组中，使用另一电机的编码器实时计算当前轴的实际运动参数，实现同步驱动。

当同一组中的电机分别设置于轴的轴向两端，同时与电机连接的编码器分别设置于轴的轴向两端，当轴向两端的编码器交叉对电机进行检测轴的实际运动参数时。通过此种交叉检测的方式，当轴两端所承受的负载不同时，承受负载重的一端电机输出脉冲频率相对于另一边要大，以实现两侧的同步驱动，因此这种两侧交叉检测的方式，使得两侧的轴的实际运动参数实现实时检测、调整的效果，进而实现多轴的同步驱动。

如图4和5所示，通过以下计算柔化曲线，得到多轴全过程的理论运动速度和理论运动距离随时间变化的曲线，进一步地，所述步骤s1中通过运动参数规划轴运动的柔化曲线，其规划计算步骤如下：

s11：划分轴的运动阶段；

将轴的运动阶段划分为加速阶段、匀速阶段和减速阶段，其中，加速阶段的参数为：加速距离s1和加速时间t1，匀速阶段的参数为：匀速距离s2和匀速时间t2，减速阶段的参数为：减速距离s3和减速时间t3。

设定加速时间t1与减速时间t3相等；

s12：设定轴的最大加速度值accm；

accm的单位为μm/s²，其中s为时间单位秒。

s13：计算轴的加速距离，轴的加速距离通过以下公式计算：

s＝3v²/(4accm)；

其中，v为期望匀速速度，单位μm/s；

s14：设定加速阶段和减速阶段的加速度相同，计算轴的加速时间和离散时间；

设定加速阶段的初始速度和减速阶段的最终速度均为0，加速阶段的最终速度和减速阶段的初始速度相等，由于加速距离和减速距离阶段的加速度相同，因此加速距离s1与减速距离s2的运动距离相同。所以可以将加速距离s1与减速距离s2简化设为s。

设定期望运动距离sset，如果sset≥2s，则存在匀速度段sa＝sset-2s，此时可以达到期望匀速速度v。否则，不存在匀速段，达不到最大匀速速度，需要通过公式重新计算实际加减速距离s＝sset/2，实际最大运动速度

当计算加速时间时，设定轴的起始速度为0，由加速时间t1计算得到离散时间n，计算公式如下：

t1＝3v/(2accm)

其中，ts为fpga单次计算周期，v为当轴有匀速阶段时期望匀速速度或者当轴无匀速阶段时的最大运动速度。

s15：根据离散值，计算每个计算周期输出的速度值；

对于加速阶段，设定开始速度vstart＝0，结束速度vend＝v；

对于减速阶段，设定开始速度vstart＝v，结束速度vend＝0；

通过如下公式可以得到多轴在加速阶段或者减速阶段的理论运动速度v(its)：

其中，1≤i≤n；

同时，通过如下公式可以得到多轴在加速阶段或者减速阶段的理论运动距离s(its)：

其中，1≤i≤n。

进一步地，当多个电机运动趋于停止目标，并做减速运动停止时，为了保证多轴传动的精度，可以通过如下步骤进行调整电机的输出脉冲频率，如下步骤s71至s75：

s71：通过柔化曲线获得电机的设定输出脉冲数p，运动个过程中实时读取编码器的反馈值，得到设定剩余脉冲数δp；

s72：通过电机的输出脉冲频率f计算电机的剩余输出脉冲数p′；

s73：比较p′与δp，若δp等于0，p′大于0时，则进入步骤s74，若p′等于0，δp大于0，则进入步骤s75；

s74：直接控制f等于0；

s75：修正电机f值，直至δp＝0，通过以下公式修正电机f值：

f＝k*δp；

其中，k为修正系数，δp为剩余脉冲数。

步骤s75中一旦δp＝0，则f应该立即清零，防止产生多余的脉冲造成电机的过冲现象，提高了电机输出脉冲频率的控制，进而提高多轴传动的精度

如图3所示，一种多轴柔化同步驱动系统，包括设定模块1、主控模块2、关联模块3和运行模块6，所述主控模块2分别与所述设定模块1、所述关联模块3、所述运行模块6连接；

所述设定模块1，用于设置多轴的运动参数，并通过运动参数规划多轴运动的柔化曲线；

所述主控模块2，用于控制多轴同步驱动；

所述关联模块3，用于设置与电机关联的编码器，通过编码器检测轴的实际运动参数；

所述运行模块6，用于通过柔化曲线实时修正多轴运动，实现多轴同步驱动。

进一步地，所述关联模块3包括选取模块31、连接模块32和参数计算模块33；

所述选取模块31，用于设置偶数个电机和偶数个编码器，所述电机和所述编码器数量相等；

所述连接模块32，用于设置任意两个电机和任意两个编码器为一组，同一组中的编码器与电机一对一连接；

所述参数计算模块33，用于同一组中，使用另一电机的编码器实时计算当前轴的实际运动参数，实现多轴同步驱动。

进一步地，多轴柔化同步驱动系统还包括参数设定模块4、运动控制模块5、判断模块7和修正模块8，所述修正模块8包括脉冲调整模块；

所述参数设定模块4，用于根据柔化曲线获取轴的设定运动参数；

所述判断模块7，用于判断轴的所述实际运动参数是否等于所述设定运动参数，若否，则进入修正模块8，若是，则进入运动控制模块5；

所述运动控制模块5，用于轴继续运动到设定位置后停止；

所述修正模块8，用于修正所述实际运动参数；

所述脉冲调整模块，用于调整相应电机的输出脉冲频率f。

进一步地，多轴柔化同步驱动系统还包括功能模块9，所述主控模块2包括fpga和位移测量模块23，所述功能模块9包括电机运动模块21、压力传感模块22、位移测量模块23、编码器模块24、接近开关模块25和多路电机选择模块26；

所述fpga用来实现整个同步驱动系统的逻辑控制；

所述电机运动模块21，用于控制电机输出，生成轴运动的柔化曲线；

所述压力传感模块22与压力传感器连接，用于接收压力传感器输送的压力信号；

所述位移测量模块23与激光位移传感器连接，用于接收激光位移传感器输送的位移信号；在控制贴装头中使用时，进行pcb板的位置测量。

所述接近开关模块25与接近开关连接，用于接收接近开关输送的电平信号；

所述编码器模块24与编码器连接，用于接收编码器输送的运动位置和速度信号；

所述多路电机选择模块26与电机连接，用于选择当前控制电机。

接近开关选用tl-w3mc12m型号，接近开关在金属物质靠近其3mm以内触发低电平，平时为高电平。

激光位移传感器选用ild1300-200型号，其测量范围为60～260mm，精度100μm。输出为4～20ma的模拟量。

需要说明的是，所述多轴可以是2轴、4轴、6轴、8轴中的任一种，进行多个轴运动的驱动，同时读取每个电机的编码器值。

轴柔化同步驱动系统中设置的通讯接口可以是网口、can和rs485一种或多种；网口支持modbustcp协议，rs485支持modbusrtu协议，can支持canopen协议；通讯接口支持和多轴运动控制项目的主控模块2通信，可以接入总线网络以实现远程监测和控制，实现了多轴驱动的信号输送和远程操作，可以适应不同协议通讯和调试，提高了实用性。

通过以上多轴柔化同步驱动方法及系统，可以使多轴运动的响应速度高和精度高，规划轴运动的柔化曲线使得多轴运动稳定，同时柔化曲线还可以减少电机冲击，保护了运动机构，提高了电机的使用寿命。

实施例选用贴片机中含4个贴装轴的贴装头同时驱动，贴装头上设置有激光位移传感器、吸取装置、z轴旋转电机、z轴移动电机，吸取装置上设置有真空发生器和检测吸取装置吸取状态的压力传感器，吸取装置包括对待吸取对象进行吸取的吸嘴和支撑吸嘴运动的吸嘴杆。

所述待吸取对象为pcb板或者电子元器件。

通常贴片机在使用前对贴片机所处的坐标系进行校准和复位归零，获得坐标零点，此后的距离值均是此零点下的绝对值。归零完成后，开始进行多轴运动速度、运动距离的设置，通过运动距离规划多轴运动的柔化曲线，贴片机启动后，电机运动模块21生成轴运动的柔化曲线，并通过柔化曲线控制电机输出的实时脉冲，通过电机控制多轴移动，直到到达设定位置后停止。同时在运动之后、停止之前可以读取本次运动的时间。

贴片机中含4个贴装轴的贴装头同时驱动的步骤如下s11至s19：

s11：贴片机通电后，检测接近开关的输出信号，判断4个贴装轴的吸嘴杆是否完全抬起；输出信号显示吸嘴杆不完全抬起时，则控制吸嘴杆继续抬起，直至吸嘴杆完全抬起；

通过判断吸嘴杆抬起后，贴装头再移动的方式，防止移动过程中撞击台面的凸起物。

s12：二维平台带动贴装头移动，使贴装头上的激光位移传感器对准待吸取对象a，待吸取对象的初始坐标为(x1，y1)；

激光位移传感器检测待吸取对象a的距离，换算后得到吸嘴需下降的位移量，位移量的精度为±0.1mm；

s13：二维平台带动贴装头移动，使贴装头上的吸嘴对准待吸取对象a；

贴装头根据步骤s12计算得到的吸嘴需下降的位移量运动，使得吸嘴准确对准待吸取对象a。

s14：吸嘴吸起待吸取对象a；

贴装头上的z轴移动电机启动，将4个贴装轴对应的4个z轴移动电机分成两组，编码器对电机进行交叉检测，实现同组中两z轴移动电机的同步驱动，4个z轴移动电机同时启动，驱动吸嘴向下靠近待吸取对象a；同时导通真空发生器上的真空阀，让吸嘴可靠吸起待吸取对象a；

s15：吸嘴杆向上抬起，通过检测接近开关信号，判断吸嘴杆是否完全抬起；

s16：二维平台带动贴装头移动，使得待吸取对象a移动至目标位置(x2，y2)；

贴装头移动过程中，始终监测压力传感器的真空阀状态，确保待吸取对象a未脱落；同时4个贴装头的z轴旋转电机可根据要求旋转一定角度，使得待吸取对象a准确放置于目标位置。

s17：贴装头上的z轴移动电机启动，驱动吸嘴向下靠近台面；

断开真空发生器上的真空阀，让吸嘴释放元件a，并平稳放置于目标位置(x2，y2)；

s18：吸嘴杆向上抬起，检测接近开关的输出信号，判断吸嘴杆是否完全抬起；

当检测到的吸嘴杆完全抬起时，进入步骤s19；

当检测到的吸嘴杆并未完全抬起时，重复步骤s18，直至检测到吸嘴杆完全抬起；

s19：动作结束。

以上s11至s19中，4个贴装轴的驱动电机分别为x轴移动电机、y轴移动电机、z轴移动电机和z轴旋转电机，其中x轴移动电机和y轴移动电机用于驱动二维平台移动以带动贴装头实现二维的平移移动，z轴移动电机用于驱动吸嘴在与二维平台垂直方向上移动，以实现吸嘴吸取待吸取对象a，z轴旋转电机用于对待吸取对象a进行旋转，以实现将待吸取对象a准确放置于目标位置。

同时z轴移动电机驱动轴运动以实现吸嘴吸取待吸取对象a时，当出现吸嘴与待吸取对象a之间出现倾斜，需要将吸嘴旋转才能牢牢吸取待吸取对象a时，此时将启动z轴旋转电机，以驱动轴实现对吸嘴的旋转，进而实现牢牢吸取待吸取对象a的目的。

需要说明的是，x轴移动电机、y轴移动电机、z轴移动电机和z轴旋转电机均通过柔化曲线实时输出脉冲频率，进而实现通过上述电机驱动的多轴同步驱动。

x轴移动电机、y轴移动电机、z轴移动电机和z轴旋转电机的启动也是通过柔化曲线实现的，实现由上述电机驱动的多轴的同步启动。

贴片机通过以上方式进行相应的控制运动，实现贴片机中含4个贴装轴的贴装头同步驱动。

需要说明的是，本发明中的轴是通过相应电机驱动。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。