工业机器人开发之轨迹规划（一）
如何使机械运动部件控制最佳
原载于美国《MACHINE DESIGNE》原作：Chelmsford, Mass; 译者：沈阳芯源先进半导体技术有限公司，杨进录 摘 要：本文仅就电子生产设备中输送类机器电机驱动机构的特性及较好的控制方法进行了分析讨论。主要比较了运动速度随时间变化的函数曲线为梯形和S形曲线时，其性能的优劣。 关键词：梯形曲线，S形曲线，冲击量，振动，频率，加速度； Motion Control Gets Gradually Better Writer : Chelmsford, Mass; Translator: Jin-lu,Yang (Shen yang SIA-Yuan Advanced Semiconductor Tech Co. Ltd) Abstract: The paper discusses the property and the way for the better control of motion driven by motor in the transfer machines for manufacturing electronic products, with comparison of the strong and weak points of S-curve and trapezoidal motion profiles, which are characteristics of their velocities’ functions of time. Keywords: Trapezoidal Curve, S-Curve, Jerk, ibration, Frequency , Acceleratio 自动化装配设备中的电动机,总是在短时间内，频繁地快速启动﹑快速停止和间歇的运动方式。实现此种工作方式的首选控制方法是S-形曲线控制法。在芯片制作设备中，对此要求特别高,例如K&S公司的管芯粘结系统那样。 实现电机转速随时间变化的函数曲线呈现S形的控制芯片，把电机运行过程中，任何两种不同速度切换所产生的加速度均采取平滑过渡的方式，因此设备运行起来非常平稳，并且生产效率较其他方式高许多。 从工程物理学角度出发，研究任何运动状态时，其自然特性总是指数函数过渡优于阶跃函数过渡。换句话说，平缓变化优于突变；曲线优于拐点； 在运动控制中，同样如此。要想使机器运转得更快﹑定位更精确和更稳定可靠，那么，当它启动和停止时就必须是平缓的，而不是猛然加速和骤然减速。随着芯片制造技术的不断进步，越来越多的控制器开始利用这一简单原理，即让速度特性曲线为 S形，而不是梯形。 一个较好的解决方法 如果不考虑稳定性的话，机器可以转得很快，工厂的生产效率会很高。但无情的事实是，当对机器的冲击力超过一定限度时，机器的运行状态是很糟糕的。根据动力学的基本原理，引发这种状态的原因之一就是，当机器迅速启动和停止时，它的许多构件都存在振荡的趋势。 翻开机器制造业的历史就会发现，设计师们总是尽量采用刚性较强的机械结构和高转矩电机去克服不稳定的缺陷。然而，这不仅提高了制造成本，而且很可能是解决了这个问题，另一个问题又带出来了。 取而代之的是延用成熟的机械设计方案，只改变控制动态特性。如果把由传统的控制器驱动的负载速度曲线描绘出来的话，会发现它是梯形状的。梯形曲线方式在传送速度要求不高，以及负载与电机转动惯量之比非常低的场合是相当完美的。除去这一表面现象而外，从物理学观点出发，梯形曲线方式可能引发许多问题，尤其是在机器中产生的大量弹性形变才是真正的祸根。因为梯形方式招致加速度的突变，而且它是机械振动的策动力，感生出的能量会作用于机器的每一个构件。 摆脱此种困境的出路来自一个新的控制手段，那就是让加速度缓变，而不是突变。与此控制方式相关的运动速度曲线的外形是无拐点的；其特性是这些直线相互连接部分是S形曲线，使得机器运行更加平滑；不但把对转动惯量的瞬时扰动降到最低，还可提高机器运转速度和控制精度，使得各种构件的磨损率显著降低。 到目前为止，仅有技术水平最高的运动控制器能提供S形曲线控制技术。然而，这种情况正在悄然发生着变化，芯片制造商们正在设法提供一种特殊的集成电路，自动执行S形曲线控制功能，而成本却与传统控制芯片相差无几。 S形与梯形曲线控制技术的比较 为了弄清楚S形与梯形曲线控制的差别，首先研究两种控制方式的速度曲线的形状：其中的一条是由S形曲线控制器产生的，另一条是由传统的梯形控制器产生的，如图1所示。  S形曲线由7个截然不同的部分（或曰阶段）组成；在第一阶段，负载从静止开始做变加速运动；也就是说，加速度并非常数，而是按照线性速率增加的加速运动；到本阶段结束时加速度到达最大值；在第二阶段，加速度保持在第一阶段结束时获得的加速度，使之维持一个常数，而负载速度继续增加，即匀加速运动状态；在第三阶段，负载在已经有的加速度的基础上，以线性速率产生斜玻向下的加速度，即加速度匀速递减的加速运动；当加速度减为零时，负载的速度达到最大值；第四阶段，加速度为零，速度为一不变的常数，维持在最大值上，即匀速运动；第五到第七阶段，反向重复第一到第三阶段的状态。 相比之下，梯形曲线方式仅可划分三个阶段。第一阶段，加速度从零突然跳到最大值，负载速度线性增加，即做匀加速运动；第二阶段，因为加速度突然跌回到零，负载速度维持恒定值，即做匀速运动；第三阶段，加速度由零突然跌到负的最大值，然后又返回到零，故负载速度线性减到零，即做匀减速运动。 从某种意义上说，梯形曲线方式是S形曲线方式中的一个特例。它所缺少的仅仅是加速度斜升和下降的那些转换过程。而这些过程是非常重要的，因为它们会减少冲击对机器的影响。冲击（jerk）定义为加速度对时间的变化率（即加速度对时间的一阶导数）。在梯形曲线运动方式中，当加速度从某一个值跳到另一个值的那些瞬间冲击量为无限大。而S形曲线方式，无论是加速度改变的过程中，还是零值及非零值的任何时候，它的冲击值总是一个常数。实质上，就是这些转换过程把伴随冲击产生的能量在一定的时间范围内分散开了，从而减少了它对机器的伤害作用。 虽然冲击经常被人们忽视，但是在运动系统中它却是潜在的严重隐患。因为它可能引起振动﹑颤抖和过冲。一般说来，冲击量越大，转换成振动能量越多，频谱越宽。 因为梯形曲线方式存在着加速度的瞬时变化，因此引入了大的冲击，时刻都会在很宽的频带范围内产生强烈的振动。相反，S形曲线方式给负载注入的振动能量较少，同样重要的一点还有，那就是振动频率也低。  运动形式的程序设计 谈到运动形式的程序设计，绝大部分梯形曲线方式仅仅需要确定三个变量，即拐点﹑最大速度和加速度。每一个运动周期，总是负载以确定好的加速度启动，加速到规定的最大速度值；为避免冲过运动终点，在到达前减速（即产生负加速度）。 典型的S形曲线方式的程序设计，同样采用上述三个参数，但必须确定第四个参数值，即冲击量的数值。然而，某些系统并不需要直接确定冲击量的值，只需要程序员选择加速度从零到最大值之间变换（即第一阶段）所需要的时间量即可；这种方法也能产生类似的效果。 要想使S形曲线方式获得最佳效果，关键是调整转换时间（第一和第三阶段）和以最大加速度运行时间（第二阶段）之比。如果转换阶段时间太长，运动是极其平滑的，可是速度太慢。这样慢的运行方式在制药行业可能被接受，例如需要自动输运液体或浆料的场合。另一种情况是，如果第二阶段设定时间太长，并且以加速度的最大值加速运行，那么，机器的动作就会很快；然而，就不如前者那样平滑了。尽管如此，即使是最简单的过度过程，只要有，也比根本就没考虑过度过程的运动系统，甚至与前面提到的梯形曲线方式相比，都会大大地削减机器振动的强度。  S形曲线方式应用范围 01 传送速度快，并且每次运动结束时，揉性扰动小； ▼高速缝合，压合，装订，绑结等； ▼抓取投放设备； ▼绘图/记录仪； ▼自动龙门吊装系统 02 运动平滑 ▼制药或化学分析自动化； ▼诊断扫描器； ▼半导体制造设备； ▼科学仪器仪表装置； ▼电梯； 03 减少振动 ▼加工机床； ▼机器人； ▼天线/跟踪系统； |
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