直线加减速优化算法在陶瓷施釉机械手中的应用
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摘 要：控制系统的位置精度和运行时间是衡量施釉机器手好坏的主要性能指标，加减速模式特别是减速模式对其性能有着重要的影响。笔者针对在施釉机械手运动过程的最后减速段仍会出现低速运行的“尾巴”现象，提出了一种新的实时加减速优化算法，并给出了试验结果。结果表明，该算法可有效消除减速过程中的低速运行时间段，从而提高施釉机械手加工精度和效率。
关键词：加减速；施釉机械手；实时
1 引 言
目前，我国卫生陶瓷产品与国外的高档陶瓷产品相比较，釉面质量是最大的差距，如何提高釉面质量，是产品跻身于高档产品的重要措施。采用机械手施釉可使卫生陶瓷产品施釉高效连续化，并为提高施釉质量提供先进的控制手段[1]。
除了保证施釉机械手位置精度以外，定位时间也已成为衡量施釉机械手性能好坏的一个重要指标。施釉机械手对位置误差的精确控制是控制系统设计的关键，直线减速模式是最常用的一种减速模式。传统的直线加减速算法[2]有一定的局限性,即这种算法只能适应于加工长度固定的情况，并没有考虑加工长度是一个动态变化的情况，而机械手实际工作状态往往又是在连续手动方式下进行，其机械手的进给量是一个动态变化的过程，因此，若按照上述算法，“尾巴”现象仍会在减速区出现。另外，由于伺服电机存在一个“死区”[3]，当速度低于伺服电机的“死区”速度后，伺服电机将不再转动，又将导致位置误差。为了消除减速过程中出现的“尾巴”现象，提高位置精度，本文提出一种实时直线加减速算法，以传统的直线加减速算法相比，此算法不仅可消除减速过程中出现的“尾巴”现象，而且能使系统性能得到明显改善。
2实时直线加减速算法
2.1减速点的计算
插补系统是一个离散的采样系统，所以计算减速点需要采用离散的方法来求取[3]。假设Vmin为伺服电机的“死区”速度，根据（1）、（2）式可得到减速段的时间系数n。
通过（2）式求解得出n值。在离散采样系统中，n必须是一个整数，所以需要根据（3）式把n化成整数。
然后根据（1）、（2）、（3）、（4）式推出（5）式，算出减速点的距离[4] [5]。
2.2加速度的计算
假设ai为第i个插补周期加速度， Vt为第i个插补周期的速度，利用公式（6）、（7）可以实时求出在减速段每个插补周期的加速度值。
本算法的关键就在于抓住了减速区长度Sd是一个动态变化值，必须在每一个周期都重新计算加速度值，所以在减速区是一个变减速运动。
3 判断条件的设置
根据实验结果发现，通过计算减速点和加速度，还不能完全解决直线加减速的“尾巴”现象。所以在减速阶段设置一个判断条件：当剩下的距离小于或等于某个定值时，就在一个周期内匀速走完剩下的距离。
4 实时直线加减速算法的实现
4.1程序框图
图1给出了实时直线加减速算法的程序框图。其中L为剩下的距离，S0为一个周期走完的标准距离， V是当前速度，Vcmd是目标速度，S1是以初速度为零、给定的加速度匀加速至Vcmd的时间内所运动的距离。
4.2仿真与实验结果
为了检验所提出算法的有效性，由上海交通大学机器人研究所提供开发平台上进行实验。系统的硬件平台由ARM公司的PXA270作为中央控制器和基于DSP6713的插补运动控制器等几部分组成。在手轮方式下,采用两种不同算法进行对比实验，实验结果如表1所示。实验所采用的参数如下：匀速时的速度Vp＝120mm/s,最大加速度a=1500mm/s，
5 结束语
本文采用了一种实时直线加减速算法，提出了减速点计算和实时加速度计算的方法，在减速最后阶段以一个周期插补完为条件，实现精确定位，同时减少了定位时间。该算法消除了在任何模式下速段的“尾巴”现象。目前，上述理论方法开发的施釉机械手已经成功应用于广东西玉陶瓷有限公司施釉生产线上，经过一段时间的生产实践表明：该机械手施釉轨迹重复性好，容易保证釉层厚度均匀，釉面质量稳定，大大降低了工人的劳动强度，提高了生产效率。
参考文献
[1] 汪用瑜，张淋.单片机在卫生陶瓷施釉机械手上的开发应用[J].
中国陶瓷，2009,45（3）：44-46.
[2] 李曦，唐小琦，陈吉红等.NC伺服的加减速控制算法的研究与
实现[J].机床与液压，2000,（3）：3-4。
[3] 陈友东，王田苗，魏洪兴.数控系统的直线和S形加减速研究[J].
中国机械工程，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] 郭新贵，李从心，阮雪榆.采用线性加减速伺服系统的快速准
确定位方法[J].机械工程学报，2003,39（7）：74-78.