一种多轴联动无极运动控制系统的制作方法

本发明涉及多轴运动控制，具体是一种多轴联动无极运动控制系统。

背景技术：

1、在多轴数控加工、工业机器人连续轨迹作业以及自动化精密装配等领域，运动控制系统需要同时驱动多个伺服轴沿复杂路径进行协调运动；

2、现有方案普遍采用集中式运算架构，由单一控制器对整条路径进行全局速度规划与插补运算，再将生成的脉冲或总线指令逐轴下发，此种集中式方案存在三方面不足：其一，当运动过程中需要根据实时工况调整某个轴的运动速度时，无法实现运动过程中的无级调速；其二，各轴之间缺乏独立的同步校验机制，一旦某一轴因负载波动或通信延迟出现执行滞后，其余轴无法及时感知并自动调整，导致轴间同步精度下降；其三，多轴联动中各轴通过目标路径相互耦合，某一轴滞后会引发其他轴转矩上升的耦合响应，现有单轴独立监控无法区分自身故障与耦合响应，容易误判干预对象，导致轮廓误差扩大；其四，速度调整依赖于预设的加减速曲线，当实际负载条件与预设条件偏差较大时，固定曲线无法适应变化，造成运动冲击或效率损失；

3、如何实现多轴运动过程中的在线无级调速、轴间自适应同步以及故障源的准确识别与协同干预，是我们所需要解决的问题，为此，现提供一种多轴联动无极运动控制系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种多轴联动无极运动控制系统。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种多轴联动无极运动控制系统，包括以下：

3、指令解析模块，用于接收任务级运动指令并对其进行解析和分解，生成各运动轴的轴级运动段序列以及采集实际运行参数；

4、时序同步模块，用于为轴级运动段序列中的每个运动段绑定统一的同步时间标签进而获得运动段指令集；

5、分段执行模块，用于根据运动段指令集驱动运动轴执行运动并生成对应的执行完成信号；

6、同步校验模块，用于根据各运动轴的执行完成信号，在预设的同步校验窗口内对各运动轴进行校验获得同步校验报告；

7、状态监控模块，用于将实际运行参数与对应的预设正常范围进行比对获得运行异常事件并执行轴间耦合因果判定；

8、动态干预模块，用于根据同步校验报告、运行异常事件以及轴间耦合因果判定结果生成对应的动态干预策略并执行。

9、进一步的，接收任务级运动指令并对其进行解析和分解，生成各运动轴的轴级运动段序列以及采集实际运行参数的过程包括：

10、接收上层控制系统下发的任务级运动指令，所述任务级运动指令以文本指令或结构化数据的形式描述待执行的多轴运动任务，包含目标路径的几何描述信息、整体运动速度要求以及速度规划曲线；

11、从所述任务级运动指令中提取目标路径的几何描述信息，所述几何描述信息包括路径上一系列有序路径点的空间坐标，以及每个有序路径点包含各个运动轴方向上的坐标分量；

12、各运动轴均配置有伺服驱动单元和位置传感器，并以预设的采样周期实时采集各运动轴的实际运行参数，所述实际运行参数包括伺服电机的实际输出转矩以及运动速度值；

13、将相邻的有序路径点之间进行连接，将整条目标路径划分为若干首尾相接的运动段，为各个运动段沿目标路径顺序依次分配唯一的运动段标识；

14、根据预设的速度规划曲线，将每个运动段赋能一个确定的运动段类型，所述运动段类型包括加速运动段、匀速运动段和减速运动段；

15、对于每个运动段，根据该运动段的起始路径点和终止路径点的空间坐标，获得该运动段在各运动轴方向上的位移分量，对于每个运动轴，将该运动轴在所有运动段上的位移分量按照运动段的先后顺序排列，并结合对应的运动段类型，形成该运动轴的轴级运动段序列。

16、进一步的，为轴级运动段序列中的每个运动段绑定统一的同步时间标签进而获得运动段指令集的过程包括：

17、接收各运动轴的轴级运动段序列，以运动段标识作为各运动轴之间的同步对齐依据，确保对于同一运动段标识，各运动轴的运动段在物理上同步开始和同步结束，根据高精度同步时钟源读取当前的基准时刻；

18、根据对应运动段在各运动轴方向上的位移分量获得总位移量，进而根据总位移量获得预计耗时，对于每个运动段，根据该运动段在所属运动轴的轴级运动段序列中的排序位置以及所有前序运动段的预计耗时，获得该运动段的预计同步起始时刻；

19、将各个运动轴在各运动段上的位移分量、预设运动速度和预计同步起始时刻封装为带时间标签的运动段指令，将各运动轴对应的全部带时间标签的运动段指令组成运动段指令集，按照各运动轴的时间标签顺序根据升序依次下发至对应的分段执行模块。

20、进一步的，根据运动段指令集驱动运动轴执行运动并生成对应的执行完成信号的过程包括：

21、接收带时间标签的运动段指令集，将其存入本地的运动段缓存队列中；

22、从运动段缓存队列的队首取出当前待执行的运动段指令，读取其时间标签，在当前时间大于或等于对应时间标签所指示的时刻时，启动该运动段的执行，根据该运动段指令中的运动段类型，将对应运动轴的运动状态机切换至对应的运动状态；

23、当任一运动轴的运动段执行完成时，生成对应的执行完成信号。

24、进一步的，根据各运动轴的执行完成信号，在预设的同步校验窗口内对各运动轴进行校验获得同步校验报告的过程包括：

25、设置一个预设的同步校验窗口时长，当接收到来自任意一个运动轴的执行完成信号后，以接收到第一个执行完成信号的时刻作为同步校验窗口的起始时刻，启动同步校验窗口；

26、在同步校验窗口内，等待接收来自其他运动轴的并且具有相同运动段标识的执行完成信号，并记录各运动轴的执行完成信号到达时刻；

27、当接收到来自任意一个运动轴的执行完成信号后，以接收到该信号的时刻作为同步校验窗口的起始时刻，启动同步校验窗口计时；

28、在同步校验窗口计时期间，等待接收来自其他运动轴的并且具有相同运动段标识的执行完成信号，并记录各运动轴的执行完成信号到达时刻；

29、当同步校验窗口计时到达预设的同步校验窗口时长时，关闭同步校验窗口，汇总当前窗口内已接收到的执行完成信号，形成运动轴标识集合；

30、将已接收到执行完成信号的运动轴标识集合与参与当前多轴运动任务的全部运动轴进行比较，若存在某个运动轴在该同步校验窗口内未发送执行完成信号，则判定该运动轴在本运动段上存在同步滞后事件；

31、对于存在同步滞后事件的运动轴，获得该运动轴对应的同步滞后量；

32、将各个运动轴的同步完成状态、存在同步滞后事件的运动轴标识及其对应的同步滞后量整合为同步校验报告。

33、进一步的，将实际运行参数与对应的预设正常范围进行比对获得运行异常事件的过程包括：

34、针对实际运行参数，预先设定对应的正常范围，将每个采样周期采集到的实际运行参数与对应的上限阈值和下限阈值进行比较：

35、当实际运行参数介于下限阈值与上限阈值之间时，判定该参数处于正常状态，当实际运行参数低于下限阈值或高于上限阈值时，判定该参数处于异常状态；

36、当任一运动轴的任意一项实际运行参数连续预设次数的采样周期均处于异常状态时，生成运行异常事件，所述运行异常事件包含异常运动轴标识、异常参数类型、异常参数当前值以及异常参数偏离正常范围的方向。

37、进一步的，执行轴间耦合因果判定的过程包括：

38、在各运动轴执行运动段的过程中，持续采集各运动轴的实际位置、实际输出转矩和运动速度值，进而获得各运动轴的位置误差；

39、同时获取各运动轴在预设滑动时间窗口内的转矩变化量，根据各运动轴的位置误差、转矩变化量、预设位置误差增长阈值、预设耦合响应时间窗口以及预设转矩变化阈值，区分疑似滞后轴、耦合响应轴和独立异常轴；

40、将疑似滞后轴判定为滞后源故障，将独立异常轴判定为独立轴负载故障，获得轴间耦合因果判定结果。

41、进一步的，根据同步校验报告、运行异常事件以及轴间耦合因果判定结果，生成对应的动态干预策略的过程包括：

42、对接收到的同步校验报告和运行异常事件进行事件类型分类，确定当前需要干预的事件类型；

43、当事件类型为同步滞后事件且故障源为滞后源故障时，读取疑似滞后轴的实际输出转矩，判断疑似滞后轴是否具有提速裕量；

44、当疑似滞后轴具有提速裕量时，对疑似滞后轴生成提速指令，使其在后续运动段中提高运动速度以追赶耦合响应轴，同时保持耦合响应轴的运动速度不变，使各运动轴的预计完成时刻趋于一致；

45、当疑似滞后轴不具有提速裕量时，即疑似滞后轴实际输出转矩大于等于预设的允许提速转矩上限时，生成协调降速指令，同时降低疑似滞后轴和耦合响应轴的下一运动段运动速度，且保持疑似滞后轴与耦合响应轴的速度调整比例与该运动段内两轴位移分量比例一致；

46、当事件类型为运行异常事件且故障源为独立轴负载故障时，对独立异常轴生成降速指令，将其在当前运动段或下一运动段中的运动速度按预设的降速比例向下调整，以降低转矩需求，其他运动轴保持原有运动速度不变；

47、将所生成的提速指令、协调降速指令或降速指令封装为速度调整指令，所述速度调整指令包含目标的运动轴标识和对应的调整后运动速度值。

48、进一步的，执行动态干预策略的过程包括：

49、将速度调整指令实时发送至对应的运动段缓存队列中，以在线更新该运动轴后续待执行运动段中的运动速度值；

50、在执行速度调整指令后，持续监控各运动轴的预计完成时刻偏差，当预计完成时刻偏差连续预设次数采样周期内小于预设同步收敛阈值时，判定干预生效，按预设恢复步长逐步提高被降速运动轴的运动速度，直至恢复至原始预设运动速度。

51、与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过时序同步模块为轴级运动段序列中的每个运动段绑定统一的同步时间标签，使各运动轴在同一时间基准下协调运动；配合同步校验模块在预设的同步校验窗口内对各运动轴的执行完成信号进行汇总比对，能够及时发现并量化轴间同步滞后，解决了传统多轴联动控制中因各轴独立计时导致的累积同步误差问题，显著提升了多轴联动的轨迹跟踪精度和运动同步性；

52、通过状态监控模块将实际运行参数与预设正常范围进行实时比对，能够在异常发生的第一时间识别运行异常事件，并执行轴间耦合因果判定以确定异常轴对其他运动轴的影响路径和影响程度；动态干预模块根据同步校验报告、运行异常事件以及轴间耦合因果判定结果，生成对应的动态干预策略并执行，实现了从被动响应到主动干预的控制模式转变，有效避免了因单轴滞后或异常引发的系统性故障，提高了多轴运动控制系统在复杂工况下的运行可靠性和连续作业能力；

53、本发明实现了多轴联动运动控制系统中各运动轴的高精度同步协调运行与异常主动干预，提高了多轴联动运动控制的同步精度、运行安全性及应对异常的自适应能力。