[发明专利]高速智能花样机多维动态协同运动控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高速智能花样机多维动态协同运动控制方法，属于花样机控制技术领域。

背景技术

电子花样机是一种结合嵌入式系统、伺服控制、步进电机驱动和精密机械制造技术为一体的数控精密高端新型缝制设备，其主要用于复杂图案的缝制和加工，在服装、鞋类、箱包及各种需要特殊缝制的行业都有用武之地。

目前，国内中低速的电子花样机产品比较成熟，已经在市场上大量应用；但具有自主知识产权的高速智能花样机还较为少见。相比国外，如日本、德国等国家的同类产品，我国的电子花样机产品在速度及运行稳定性方面还存在一定差距。

高速智能电子花样机要同时具有高速缝制速度和运行平稳性两个关键性能指标。由于其正常的工作过程中，常规采用步进电机控制的二维平面，即工作台，在满足Z轴运动限制条件下，要求频繁的瞬间加速和瞬间停止，其启动至停止的时间在10ms～30ms，并且每次运动距离在0～12.7mm跳变；机械平台在短距离如此频繁的启停，又要同时满足高进给量和瞬间启停的平稳性需求，这对花样机的机械性能、步进电机驱动及三轴协同运动控制技术都提出了较为苛刻的要求。

专利公开号为CN 1794561A的专利中公开了一种电子花样机电机运动控制方法，虽然实现了主轴电机的连续运行，但是由于花样机的主轴速度随着针迹的不同都在变化，所以很难实现电子花样机的高速平稳运行，同时也会因速度的变化带来机器的抖动等不良现象。另外，在步距小于0.33m时的缝制速度可达到3000针/分的技术指标没有实用意义。

2006年中国科技杂志《武汉科技学院学报》的《富怡牌电脑绣花机工作原理》中讲述了一种半互斥的三轴协调控制方法。同样采用类似的方法，在保持主轴伺服电机匀速运行的情况下，检测其主轴电机的角度，进一步控制绣框电机X轴和Y轴的运动。但是是一体式的控制方法，没有将运算处理和控制相分离，使得控制系统不能实现运算和控制的并序运行，从而减缓了系统的速度，也降低了机器的性能。同时，800针/分的缝制速度，也不能很好地适应高速电子花样机运动的需求。

专利公开号为CN 101519831A的专利公开了一种电脑花样缝纫机运动控制方法，虽然能够实现电子花样机的运动控制，也弥补了之前专利中所讲的不能高速平稳运行的不足，但是在连贯性的处理上，依然没有解决，过冲等现象会时有发生。

专利公开号为CN102605573A的专利公开了一种电脑花样缝纫机运动控制方法，将花样信息处理与控制分开，利用ARM9的良好高速运算性能，通过五步加速和四步减速法使得主轴速度平稳过渡，防止过冲等现象。但是影响花样机高速平稳运动的瓶颈在于XY轴步进电机驱动的工作平台运动情况，与伺服电机控制的主轴关联不大。主轴运动完全能够满足控制要求，对主轴的控制没有实际意义。此外，对XY轴步进电机采用“升速-匀速-降速”的三步驱动，在实际中，受限于高速性能要求，以及花样机步进运动的距离(0.1mm～12.7mm)，步进电机很可能还未及加速到匀速阶段，就面临降速要求，而此时所示控制曲线还处于匀速状态，则无法满足运动系统的降速要求，故可能会产生抖动震荡，影响系统整体平稳性能。

上述方法都能实现三维协同运动，但是也忽略了一点关键的事实：那就是，花样机高速性能得以实现的瓶颈主要集中在XY轴平面的运动，XY轴平面的运动速度和平稳性能是决定整体速度和性能的关键。

电子花样机系统是一种典型的三维运动系统，其Z轴采用伺服电机驱动机针机构作垂直运动，X轴和Y轴采用步进电机驱动送布机构完成平面移动，移动的距离为缝制一针的距离，简称针距。[参考文献4：王博伟，张凯龙，梁克，杨志义，周兴社，智能缝制设备三维协同运动建模与控制方法[J].计算机工程与应用，2007，43(2)：231-234.]定义的三轴时空配合过程如图1所示。其中：质点N代表针尖末端；平面α代表送布机构；A为质点N(针尖)向下运动时与平面α的交点；B为质点N(针尖)向上回复运动时与平面α的交点；H为质点N(针尖)向上运动的最高点；L则为质点N(针尖)向下运动的最低点。

定义1.[参考文献4]将电子花样机运动系统定义为一个六元组F(E，S，S₀，I，f，O)，其中：

1)E＝{N，α}是系统的元素集合；

2)S表示位置区间集合；

S＝{[A，A]，(A，A-δ]，(A-δ，L]，(L，B-δ]，(B-δ，B)，[B，B]，(B，B+δ]，(B+δ，H]，(H，A+δ]，(A+δ，A)}

其中，δ→+0。