基于PLCopen规范的可编程控制系统功能块的开发与研究
这是一篇关于智能制造,可编程控制系统,Simulink仿真,运动控制,功能块的论文, 主要内容为伴随“中国制造2025”的行动计划出台,“智能制造”成为了制造业新的发展趋势,而作为实现“智能制造”的核心组成,可编程控制系统(PLC)成为了实现工业装备自动化、智能化的必要组成部分。随着工业自动化程度的不断提高,制造业对可编程控制系统提出了更高的要求,而判断可编程控制系统是否满足要求,便是通过其基于PLCopen规范开发的功能块来判断。本文利用Matlab/Simulink中的Simulink PLC Coder模块来实现可编程控制系统的功能块的开发,利用Matlab/Simulink强大的数值计算能力和灵活性的编程方式,去实现复杂功能块的编写,在完成功能块的编写后,可以基于Matlab/Simulink交互式的仿真环境,对被控对象进行系统建模,从而在Matlab/Simulink中完成功能块的数据分析,提高了功能块的开发效率。本文主要研究工作如下:(1)设计了基于IEC61131-3标准的功能块。采用了基于IEC61131-3标准的结构化文本(ST)语言和功能图块(FBD)设计了数字量I/O功能块、管理类功能块、单轴运动功能块和多轴运动功能块。同时针对复杂算法功能块编写较为困难等问题,提出了基于Matlab/Simulink快速生成功能块的方法。(2)设计了PLC系统测试平台。为了检证所设计的功能块是否能满足实际应用需求,设计搭建了以分布式实时以太网架构为基础的PLC测试系统,并详细阐述了测试系统中主从站单元的硬件设施、工作原理及运行系统等,同时在测试平台的编程软件中,设计了相应的人机交互界面,以便于实时控制功能块的运行。(3)论文研究成果验证。在所设计的PLC测试平台中,对本文设计开发的功能块进行实验测试。实验结果表明,本文所设计的功能块均满足实际应用要求,从而可以确定本文所提出的基于Matlab/Simulink快速生成功能块的方法符合工业需求,具有良好的工业应用价值。
面向手机柔性组装的同轴理线系统研究
这是一篇关于柔性组装,通用软件,同轴理线,视觉伺服,运动控制的论文, 主要内容为目前,随着手机等3C产品的广泛普及,行业内对相关自动化生产设备的需求也在不断上升。因此,能够有效提升产品开发效率、降低设备维护成本的柔性生产技术正在成为该领域的重点发展方向。本文以手机装配中的同轴理线工序为研究对象,在一套柔性组装的结构方案下,进一步研究设计相应的通用自动化软件平台。通过模块化的思想,从软硬件层面对自动化设备的设计框架进行通用性扩展。并在此基础上完成对同轴理线机的实际开发工作,进行相关的实验与分析。首先介绍手机组装的模块化结构方案,并通过分析自动化加工流程的特点,利用C++动态组件系统——CTK进行通用软件的架构设计。定义统一的接口,提供将所需自动化工具封装为标准插件的方法。同时,实现可视化编辑组合工具插件,构成自动化加工流程的功能。流程的保存和运行则是通过可扩展标记语言XML驱动的方式来完成。接下来,在此软硬件框架下对同轴理线机进行模块化开发工作:首先分析同轴理线的具体加工工艺,完成其功能模块的结构设计,主要包括抓取弯折模块、压板下压模块等。又以PC+运动控制卡的控制方式构建同轴理线机的运动控制系统,完成相应的电机选型和I/O分配工作,并设计完整的自动化加工流程。之后搭建视觉伺服平台,为图像处理功能的实现提供硬件基础。针对视觉系统,首先通过单应性矩阵计算和最小二乘法拟合来分别完成手眼标定和旋转中心标定工作;在实际生产过程中设计Blob分析算法满足目标定位的需要;利用Mark点定位算法,提供加工过程中示教点位的纠偏功能;最后,设计改进的模板匹配算法,实现对同轴线线头位置和角度的自动计算功能。基于上述工作内容,对同轴理线机开展相关的实验测试与分析。首先进行视觉系统的标定精度分析以及关键运动轴的重复性定位精度测试。之后根据通用软件框架下的工具插件开发流程,将同轴理线机自动化运行过程中所用到的运动控制和视觉伺服等功能进行封装,并通过可视化编辑的方式将其组合为完整的自动化加工流程,进行上机测试。通过实际的加工实验,证明其满足工序的设计要求,并且同轴理线机的开发也能够验证将功能单机的软硬件框架设计方案应用到实际机型的可行性。
下压式充电装置运动控制系统设计
这是一篇关于下压式充电装置,运动控制,数字滤波,测量精度,冲击压力的论文, 主要内容为随着电动汽车的推行,电动汽车充电慢的问题日趋严峻,大功率充电技术需求非常明确和急迫。电动公交车大功率充电倾向于下压式的充电方式,其运动控制系统可实现对下压式充电装置的升弓和降弓操作,并具有对下压式充电装置的充电极板的实时在线压力测试、温度检验等功能。本文根据下压式充电装置的工程应用需求,设计了基于PLC的下压式充电装置运动控制系统,其使用三菱公司的FX3U系列PLC作为主控制器,FX3U-4AD拓展模块进行温度和压力的采样;使用“梯形图”编程语言进行数字滤波和逻辑控制,以实现温度和压力的数字量转换与高精度测量、下压式充电装置升弓或降弓启动时的“柔性运动”以及降弓停止时冲击压力的高精度控制。首先,分析了下压式充电装置的结构组成、运动控制原理和功能需求,设计了下压式充电装置运动控制系统的整体方案,包括PLC等电气元件选型、人机界面的设计、I/O接口定义以及电气连接图设计;然后,对系统采集的信号进行了滤波算法的编程设计,并根据系统运动控制逻辑,设计了运动控制程序和模拟数字量转换程序,为下压式充电装置降弓停止时冲击压力的高精度控制奠定基础;最后,搭建了测试环境,进行实物仿真和系统调试。本文针对下压式充电装置运动控制系统的设计工作达到预期目的,设计的控制系统具备柔性启动和停止功能,运动更平稳;系统的压力和温度的测量精度(显示精度)满足±1N和±0.1℃的要求;冲击压力满足小于60N的要求。本文所设计的基于PLC控制的下压式充电装置运动控制系统具有良好的技术性能和实用价值,能够满足当前电动公交领域的工程应用需求。被设计
挂板式光伏清洁机器人结构设计及控制系统研究
这是一篇关于光伏清洁机器人,硬件系统,软件系统,运动控制,线性二次型调节器的论文, 主要内容为随着全球对环境保护和可持续发展的认识不断加深,可再生能源的需求不断增加,光伏发电由于其具有的高效、可靠、安全、环保等特点,已成为最受欢迎的清洁能源之一。然而,灰尘、污垢等污染物的积累会降低光伏板的发电效率和使用寿命,影响光伏发电的稳定性和可靠性。因此,定期对光伏板进行清洁具有十分重要的意义。使用机器人进行光伏板清洁是一种高效且稳定的清洁方式,它可以降低清洁成本,减少人工干预。目前,已有多个机构研发出光伏清洁机器人,但这些机器人仍然存在一些问题,例如环境适应能力差、清洁效率低、清洁质量差以及无法实现完全自动化清洁等。基于对当前光伏清洁机器人问题的分析,本文设计了一款挂板式光伏清洁机器人,并对其机械结构设计、系统建模、控制策略设计以及机电系统设计进行了研究。本文的主要研究内容和成果如下:(1)根据光伏清洁机器人的结构功能需求,设计了挂板式光伏清洁机器人的机械结构。首先,通过对光伏板上的污渍类型进行分析,比较各种清洁方案的优缺点,并设计了一种由电机驱动螺旋滚刷的清洁结构。其次,考虑了不同的移动方式,并结合实际工作情况,设计了一套简化的履带结构作为机器人的移动方案。对挂板式光伏清洁机器人的悬挂装置进行设计,在悬挂轮上增加了弹簧结构,抑制偏摆并增大机器人能承受的极限偏摆角范围。最后,对机器人的整体机械结构进行了设计,在UG NX12.0软件中建立了机器人三维模型,搭建实验样机。(2)根据所设计的机器人结构,对挂板式光伏清洁机器人运行过程中可能出现的偏摆问题的原因进行分析,并对机器人的运动控制方案进行研究。对挂板式光伏清洁机器人的运动分析,给出了机器人平移与旋转运动的完整描述,研究了机器人与光伏板间的力和运动关系,建立了挂板式光伏清洁机器人动力学模型。基于所建立的运动学模型,提出了一种基于线性二次型调节器(LQR)的机器人控制方案。最后在MATLAB simulink模块中对机器人动力学模型和控制器进行了仿真研究。仿真结果表明,所提出的控制方案可以有效的纠正机器人的偏摆问题。(3)为了满足挂板式光伏板清洁机器人的控制要求,对机器人的硬件系统与软件系统进行了设计。本文选择以STM32F103C8T6为主控芯片的系统板作为主控模块,负责完成数据采集、角度融合任务、控制滚刷电机和人机交互等任务;采用Odrive开源方案的FOC电机驱动器驱动机器人行走电机,该驱动器具有控制精度高、转矩波动小、效率高、动态响应快等优点,能实现对机器人运动的精确控制。为了实时获取机器人的偏摆角度,采用MPU6050六轴加速度陀螺仪传感器来检测机器人的位姿。同时,通过HC-SR04超声波传感器来检测机器人位移距离,感知光伏板的边缘,避免机器人从光伏板上掉落。最后,对所编写的软件系统进行说明,其中包括MPU6050数据获取与角度滤波融合算法、超声波模块的功能实现、滚刷电机驱动程序和行走电机控制程序。(4)对所设计的挂板式光伏清洁机器人进行实验测试,首先对机器人进行了防偏摆和直行运动实验,测试结果表明机器人能够稳定地行走在光伏板上,当机器人受到干扰时,能够及时纠正偏摆问题,避免卡死现象的发生。其次,对机器人的直行运动能力进行了测试,验证了机器人在直行时也能够保持稳定运行。最后对机器人的清洁能力进行了分析,测试结果表明机器人具有较好的清洁效率和精度,满足光伏板的清洁需求。
绳索驱动机械臂线性解耦设计及其运动控制
这是一篇关于绳索驱动,柔性机械臂,运动学解耦,线性传动,运动控制的论文, 主要内容为绳索驱动机械臂在太空维修、核电设备检测、灾害环境探测中具有重要的应用前景。然而,由于绳索仅能在张紧状态下提供单向动力,因而传统绳驱机械臂的驱动绳数量大于总自由度数,且从驱动空间到关节空间的运动学存在非线性、非一致性映射,导致驱动变量与关节变量之间的正、逆向求解模型复杂,各驱动绳之间存在运动学耦合,使得绳驱机械臂的求解效率低、运动精度难以提高。基于此,本文研制了一种具有独立驱动和线性解耦功能的绳驱机械臂,建立了其运动学模型,开发了运动控制软硬件,并进行性能测试和实验验证。针对传统绳驱机械臂的驱动空间维数大于关节空间维数且两者之间存在非线性映射的问题,设计了一种具有独立驱动和线性解耦功能的绳驱机械臂,极大简化了运动学求解和运动控制方法。通过两种非线性传动机构的串行连接实现了等效的线性传动。所设计的机械臂中,每个自由度均可独立驱动,且驱动变量与关节变量之间为线性映射。机械臂的关节通过“S”型布局的绳索进行驱动,结合工作空间的分析确定了整臂的布置方案。采用几何分析法设计关节所对应的驱动模块,并设计了包含所有驱动模块的驱动箱。进而结合静力学模型分析绳索拉力和电机扭矩需求,确定部件的型号参数。根据所设计的绳驱机械臂的结构特点,建立了包括驱动空间、关节空间及任务空间的运动学模型,并进行不同空间之间的正、逆运动学求解,编写了计算程序。根据理论分析,进一步验证了驱动空间到关节空间的线性映射关系。分别采用D-H法和雅克比矩阵伪逆法推导绳驱机械臂的关节空间到末端工作空间的正、逆运动学方程,实现了基于三次多项式插值的关节轨迹规划,并进行了仿真验证。开发了融合实时操作系统LINUX和机器人开源操作系统ROS的绳驱机械臂运动控制器,包括用于任务设计、算法调试、状态显示以及运动控制的上位机,以及用于实时数据采集反馈的下位机。整个控制系统基于CAN总线通信协议设计了双层控制架构,在LINUX系统中完成基于ROS的上位机软件设计,在STM32开发板中完成下位机软件设计。运动控制方面,提出了采用基于关节编码器反馈的运动补偿方法以及通过分析静力学模型进行绳索变形补偿的方案。最后完成绳驱机械臂样机研制,并进行末端精度测试和物体抓取实验。结果表明所研制的机械臂样机具有线性解耦和独立驱动的特点且达到预期指标。
U型纵梁腹面冲孔直列式冲孔单元关键技术研究
这是一篇关于纵梁,腹面冲孔,冲孔单元,运动控制,冲孔策略的论文, 主要内容为基于直列式冲孔单元的U型纵梁腹面冲孔工艺与装备是一种全新技术,具有冲孔频次快、加工效率高等优点,在国内尚且处于空白。作为这种新型工艺装备的核心部件,直列式冲孔单元担负着选模、冲孔、寻孔的重任。本文以冲孔单元为研究对象,围绕冲孔单元在结构设计、运动控制、冲孔策略等方面开展相关关键技术的研究,目的是在完成纵梁冲孔功能的前提下,实现冲孔单元冲孔的快速性、准确性、稳定性,为实现高端纵梁腹面冲孔数控设备的国产化奠定基础。本文主要研究内容和结论如下:(1)U型纵梁腹面冲孔工艺分析与冲孔单元技术参数确定。通过分析典型U型纵梁图纸,得到了纵梁腹面孔的种类、数量、占比等信息,确立了基于多工位压力机的U型纵梁腹面冲孔生产线设备布置和冲孔工艺流程。通过冲孔过程数值模拟,确定了合理的压边力参数,分析了压边力对冲孔质量的影响,获取了冲孔力-行程曲线和孔的断面形状。考虑到压力机的偏载和冲孔单元的功能要求,进行冲孔单元的布置,得到了冲孔单元在压力机台面的布局图。最后通过分析计算确定了冲孔单元的主要技术参数,为冲孔单元结构设计提供了依据。(2)直列式冲孔单元结构设计。基于冲孔工艺和冲孔单元技术参数要求,进行了由冲模组件、选模组件、Y轴运动系统以及模架组成的单、双模具冲孔单元总体结构设计。设计了由凸、凹模等装置完成冲孔功能,通过由压料板、氮气弹簧、复位弹簧等装置完成压边、卸料和复位功能的冲模组件,设计了由气动气缸和齿轮齿条等装置实现选模功能的选模组件,设计了依靠伺服电机和滚珠丝杠系统完成模架机身寻孔的Y轴运动系统,设计了实现支撑、导向的功能的模架与Z向导轨。直列式冲孔单元的结构设计的完成为后续冲孔单元运动控制研究和冲孔策略制定奠定了基础。(3)直列式冲孔单元Y轴运动系统运动控制研究。为了得到良好的寻孔运动曲线,针对冲孔单元Y轴运动系统,建立了机械部分和电气控制部分的数学模型,运用MATLAB软件进行运动控制仿真分析。通过仿真,分析了传统梯形、五次S型和新型五次多项式这三种不同的加减速算法,在长行程和短行程两种情况下运动的优劣性。通过分析比较,最终选择新型五次多项式型加减速算法,其所用时间较少而且平滑性最好,可提高冲孔单元Y向运动的平稳性和定位的准确性,因此更适合冲孔单元Y轴运动系统运动控制。(4)直列式冲孔单元冲孔策略研究。通过分析影响多工位压力机U型纵梁腹面冲孔效率的影响因素,得出缩短路径并不能有效提高效率,在压力机设备确定的情况下,减少冲孔次数可以有效提高冲孔效率的结论。通过建立冲孔策略数学模型,得到了冲孔库和模具库,制定了基于单冲模式和基于多冲模式的冲孔策略,并进行案例分析,得到了相应的冲孔策略流程图和冲孔策略信息表。最后,比较了不同冲孔模式的冲孔效率,结果表明,基于多冲的冲孔策略冲孔效率最高。冲孔策略的研究为冲孔策略自动生成软件的开发奠定了基础。(5)直列式冲孔单元冲孔策略生成软件的开发。基于冲孔策略研究成果,运用Visual Studio软件开发工具,开发了冲孔策略自动生成软件。软件可以实现汽车纵梁腹面孔的信息提取、模具库的建立、模具的适配和冲孔策略的自动生成等功能,为下位机编程提供输入接口,初步实现了商业运用。
一种具有智能控制的移动机器人的设计与开发
这是一篇关于移动机器人,运动控制,自动模式,智能控制,动力学的论文, 主要内容为机器人系统是现代工业、运输、医学、军事、航天和其他人类活动领域自动化的基础。工业机器人早已成为汽车、飞机、造船、仪器制造等企业熟悉的技术设备。如果没有机器人的日常帮助,现代世界已经是不可想象的。因此,研究机器人在各方面都很有用:首先,了解机器人的原理和装置,其次,独立设计和创建移动机器人。论文研究一种移动机器人及其控制系统,开发操纵机器人样机。利用上述技术,研究基于视觉的导航系统并在室内环境验证其准确性。提出了移动机器人的运动学模型,该模型是一种小型遥控车辆,配备了必要的传感器,用于轨迹规划和识别需要捕获和移动的物体。对多关节移动机器人的运动学模型方程进行了理论分析和计算。基于结构运动学方案,利用Kompas3D建立了移动机器人的三维模型。设计了移动机器人的控制系统,并进行了建模分析。使用PWM(脉宽调制)控制器控制直流6v齿轮电机。设计了基于Arduino的自动模式下控制移动机器人的算法。并结合机器人工程应用需求,分析了机器人在研究和设计过程中遇到的问题。最后对动态控制系统进行了建模分析,比较了不同控制方法。讨论了内环动力学和外环运动学之间的联系。分析了分布式控制和集中控制算法的差异,研究了分布式控制器在速度控制中的应用。
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