多轴耦合运动系统的回原机理与无干涉策略研究——基于双动子升降直线模组的工程实践（二）

原创

于 2025-12-26 19:30:00 发布 · 1k 阅读

29 ·

CC 4.0 BY-SA版权

文章标签：

#运动控制 #自动化设备 #回原

引言

本文是基于一个双动子升降直线模组在回原问题上的工程案例进行展开，编写此文章的目的在于通过此案例，一方面深度探讨和解析运动控制系统回原技术问题，另一方面对该案例以及相似案例进行回原逻辑问题的解决方案可行性研究，并作为典型案例供大家参考。下文将按两方面分别撰写并整理，第一部分偏理论讲解，主要是对运控系统回原技术深度解析，第二部分偏工程实践，是回原逻辑设计与分析工程实践，同时结合代码仿真，值得学习和收藏。

🛠回原逻辑设计与分析工程实践

摘要

本文针对一种具有潜在空间干涉风险的双动子直线模组系统，在全部采用增量式编码器且不改变硬件的约束条件下，深入剖析其上电回原所面临的核心挑战。提出并详细阐述了一种基于“主从同步运动”与“顺序解耦”原则的智能回原解决方案。文章首先对问题进行系统性定义，随后逐步推演所提方案“同步运动回原法”的完整逻辑流程，并从运动控制原理、安全性及鲁棒性角度进行深度分析。最后，对方案的优缺点、潜在风险及通用性意义进行总结，为类似多轴耦合、空间受限的增量式运动系统回原问题提供一套切实可行的设计范式和理论参考。

同步回原

一、问题定义：双动子交替平台的回原挑战

1.1 系统描述

机械结构：一个水平（X轴）直线模组上承载两个独立动子（动子1， 动子2）。每个动子均配备一个垂直（Z轴）升降单元，构成X1-Z1、X2-Z2两个独立的运动链。
运动特性：两个动子可在X轴上独立移动，其Z轴可独立升降。通过精确的X-Z联动，实现两个动子在工作位与待机位之间的交替作业，以优化节拍。
关键约束：
1. 全部增量式：四个电机（X1, Z1, X2, Z2）均为增量式编码器，断电后位置丢失。
2. 空间干涉：两个动子平台在X方向上的投影存在重叠区域。当它们Z轴高度相近时，在X方向上的运动会发生物理碰撞。
3. 安全要求：上电回原过程中，绝对不允许发生任何形式的机械碰撞。

1.2 核心矛盾

设备断电时，两个动子的X和Z位置组合是完全未知的。上电后，一个最危险的潜在状态是：动子1和动子2在X轴上位置接近，且Z轴高度也相同。此时，若盲目启动任何单轴的回原运动（例如，直接让某个X轴寻找负极限），极有可能导致两个动子平台在运动路径上相互撞击。

因此，回原逻辑设计的首要目标是：在启动任何可能产生干涉轴（此处主要为X轴）的标准传感器回原流程之前，必须首先确保两个动子在物理空间上实现“解耦”，即创造出一个已知的安全初始几何布局。

二、解决方案：“同步运动回原法”全流程解析

本方案的核心思想是：利用设备固有的物理极限作为安全挡块，通过强制性的同步运动，将未知的、可能危险的位置分布，收敛到一个已知的、安全的“ parked ”状态，然后再执行标准的各轴独立回原。

2.1 阶段一：X轴水平同步解耦

目标：消除两个动子在X方向上的位置不确定性，确保它们在X轴上分离。

步骤1：建立主从同步关系
- 选择动子1的X轴作为主轴，动子2的X轴作为从轴。
- 在运动控制器中，建立两者在位置模式下的电子齿轮同步关系，设定齿轮比为 1:1。这意味着，从轴将严格跟随主轴的位置指令运动。
步骤2：向公共安全方向同步运动
- 方向选择：控制主从轴同步向负极限方向低速运动。
- 方向论证：选择负极限通常是基于机械设计。通常，设备的“待机位”或“Home位”设计在负极限附近。向此方向运动，是朝向一个预设的、机械结构上最不可能发生干涉的区域（通常是最外侧）移动。
- 速度设置：使用较低的“爬行速度”，以便在触发极限信号时能快速响应，减少冲击。
步骤3：依赖物理极限实现安全停止与逻辑判断
- 停止条件：任何一个动子的X轴触发负极限开关，立即触发运动急停。
- 逻辑标记：系统高速检测并记录是哪一个轴率先触发了负极限。这一信息至关重要。
  - 情况A（理想/常见）：动子1（主轴）先触发。这表明动子1已到达最外侧的物理安全位置。动子2（从轴）由于同步跟随，必然位于动子1的内侧（正方向一侧）。
  - 情况B（需处理）：动子2（从轴）先触发。这表明动子2机械上更靠外。这同样是一个明确的安全状态，因为动子2已靠外停止。
步骤4：解除同步，处理“后到”动子
- 解除电子齿轮耦合。
- 处理“后到”动子：对于那个未触发负极限的动子（即停留在模组中间某处的动子），它现在面临一个风险：如果它直接向负极限回原，会撞上已停在负极限的另一个动子。
- 安全避让路径：命令这个“后到”的动子，向正极限方向运动。其运动终点可以是：
  - 方案A（推荐）：运动一个大于两个平台长度之和的固定距离，确保即使最坏情况下，也能完全错开另一个动子。
  - 方案B：直接运动直至触发自身的正极限开关。
- 此时，两个动子在X轴上已分别位于两个极限位置（一负一正），实现了最大程度上的X向安全分离。