基于EtherCAT总线的超精密运动控制系统设计
这是一篇关于运动控制系统,EtherCAT,超精密,主站控制器,上位机的论文, 主要内容为以EtherCAT为代表的工业以太网技术是网络技术和自动化控制技术在发展过程中相互结合的产物,其凭借优越的通信性能逐渐成为下一代自动化设备的标志性技术。目前国内研发的超精密装备大多数依赖国外的高端运动控制器为核心构建控制系统,在运动控制器方面受到国外技术垄断的威胁。因此,本文希望借助EtherCAT总线能够达到高性能的运动控制数据通信的特点,初步开发一套超精密运动控制系统框架,尝试在基于EtherCAT总线的情况下实现简单运动轨迹的超精密运动控制。本文将为后续自主研发超精密装备的数控系统提供理论和技术支持。本文研究了EtherCAT总线的技术原理,并对如何搭建运动控制系统的EtherCAT模块进行了方案设计;对目前多种常见的EtherCAT主站搭建方案进行分析,选取了合适的硬件设备和软件架构,通过Xenomai内核对操作系统进行了实时性改进;选取了用于调试的从站设备,将主站和从站连接之后测试了主站的功能是否正常,获取了主从站设备在EtherCAT总线中的具体信息;基于EtherCAT总线的技术原理,通过C语言编写了主从站通信的程序,尝试通过主站对从站设备发送简单的控制指令。根据运动控制系统的需求,对上位机的功能进行了开发。为控制系统设计了一套专用的G代码编译软件,使上位机能够将输入的普通G代码文件编译成主站控制器能够识别的具有特定格式的中间数组文件;设计了一套用于上位机与主站控制器通信的SSHTest软件,使上位机能够与主站控制器进行指令传输和文件传输;在SSHTest软件的基础上开发了一个简单的运动控制界面,使用户能够通过上位机对从站设备实现简单的运动控制。结合上位机的设计,开发了超精密运动控制系统主站控制器的功能。针对主站控制器内的“双内核”系统架构,设计了Linux进程与Xenomai进程之间跨域通信的方法;设计了直线插补和圆弧插补算法,将主站控制器无法识别的G代码指令信息解析成多个运动轴的控制信息;对插补数据的存取和处理进行了设计,确保数据能够在主站控制器内高效、安全、有序的传输。在完成了整个超精密运动控制系统框架的设计工作之后,对系统的实时性进行了测试,对气浮直线轴开展了控制实验。对经过实时内核改造的操作系统进行了任务调度延迟性测试,并对EtherCAT模块的周期性通信进行了实时性测试,避免由于实时性差的原因对系统的控制性能产生不利影响;搭建了气浮直线轴控制的实验平台,利用激光干涉仪对单轴控制精度进行了测试,之后检验了G代码控制双轴运行是否正常,并借助光谱共焦传感器完成了对双轴联动控制精度的测试。
基于EtherCAT总线的超精密运动控制系统设计
这是一篇关于运动控制系统,EtherCAT,超精密,主站控制器,上位机的论文, 主要内容为以EtherCAT为代表的工业以太网技术是网络技术和自动化控制技术在发展过程中相互结合的产物,其凭借优越的通信性能逐渐成为下一代自动化设备的标志性技术。目前国内研发的超精密装备大多数依赖国外的高端运动控制器为核心构建控制系统,在运动控制器方面受到国外技术垄断的威胁。因此,本文希望借助EtherCAT总线能够达到高性能的运动控制数据通信的特点,初步开发一套超精密运动控制系统框架,尝试在基于EtherCAT总线的情况下实现简单运动轨迹的超精密运动控制。本文将为后续自主研发超精密装备的数控系统提供理论和技术支持。本文研究了EtherCAT总线的技术原理,并对如何搭建运动控制系统的EtherCAT模块进行了方案设计;对目前多种常见的EtherCAT主站搭建方案进行分析,选取了合适的硬件设备和软件架构,通过Xenomai内核对操作系统进行了实时性改进;选取了用于调试的从站设备,将主站和从站连接之后测试了主站的功能是否正常,获取了主从站设备在EtherCAT总线中的具体信息;基于EtherCAT总线的技术原理,通过C语言编写了主从站通信的程序,尝试通过主站对从站设备发送简单的控制指令。根据运动控制系统的需求,对上位机的功能进行了开发。为控制系统设计了一套专用的G代码编译软件,使上位机能够将输入的普通G代码文件编译成主站控制器能够识别的具有特定格式的中间数组文件;设计了一套用于上位机与主站控制器通信的SSHTest软件,使上位机能够与主站控制器进行指令传输和文件传输;在SSHTest软件的基础上开发了一个简单的运动控制界面,使用户能够通过上位机对从站设备实现简单的运动控制。结合上位机的设计,开发了超精密运动控制系统主站控制器的功能。针对主站控制器内的“双内核”系统架构,设计了Linux进程与Xenomai进程之间跨域通信的方法;设计了直线插补和圆弧插补算法,将主站控制器无法识别的G代码指令信息解析成多个运动轴的控制信息;对插补数据的存取和处理进行了设计,确保数据能够在主站控制器内高效、安全、有序的传输。在完成了整个超精密运动控制系统框架的设计工作之后,对系统的实时性进行了测试,对气浮直线轴开展了控制实验。对经过实时内核改造的操作系统进行了任务调度延迟性测试,并对EtherCAT模块的周期性通信进行了实时性测试,避免由于实时性差的原因对系统的控制性能产生不利影响;搭建了气浮直线轴控制的实验平台,利用激光干涉仪对单轴控制精度进行了测试,之后检验了G代码控制双轴运行是否正常,并借助光谱共焦传感器完成了对双轴联动控制精度的测试。
基于EtherCAT总线的超精密运动控制系统设计
这是一篇关于运动控制系统,EtherCAT,超精密,主站控制器,上位机的论文, 主要内容为以EtherCAT为代表的工业以太网技术是网络技术和自动化控制技术在发展过程中相互结合的产物,其凭借优越的通信性能逐渐成为下一代自动化设备的标志性技术。目前国内研发的超精密装备大多数依赖国外的高端运动控制器为核心构建控制系统,在运动控制器方面受到国外技术垄断的威胁。因此,本文希望借助EtherCAT总线能够达到高性能的运动控制数据通信的特点,初步开发一套超精密运动控制系统框架,尝试在基于EtherCAT总线的情况下实现简单运动轨迹的超精密运动控制。本文将为后续自主研发超精密装备的数控系统提供理论和技术支持。本文研究了EtherCAT总线的技术原理,并对如何搭建运动控制系统的EtherCAT模块进行了方案设计;对目前多种常见的EtherCAT主站搭建方案进行分析,选取了合适的硬件设备和软件架构,通过Xenomai内核对操作系统进行了实时性改进;选取了用于调试的从站设备,将主站和从站连接之后测试了主站的功能是否正常,获取了主从站设备在EtherCAT总线中的具体信息;基于EtherCAT总线的技术原理,通过C语言编写了主从站通信的程序,尝试通过主站对从站设备发送简单的控制指令。根据运动控制系统的需求,对上位机的功能进行了开发。为控制系统设计了一套专用的G代码编译软件,使上位机能够将输入的普通G代码文件编译成主站控制器能够识别的具有特定格式的中间数组文件;设计了一套用于上位机与主站控制器通信的SSHTest软件,使上位机能够与主站控制器进行指令传输和文件传输;在SSHTest软件的基础上开发了一个简单的运动控制界面,使用户能够通过上位机对从站设备实现简单的运动控制。结合上位机的设计,开发了超精密运动控制系统主站控制器的功能。针对主站控制器内的“双内核”系统架构,设计了Linux进程与Xenomai进程之间跨域通信的方法;设计了直线插补和圆弧插补算法,将主站控制器无法识别的G代码指令信息解析成多个运动轴的控制信息;对插补数据的存取和处理进行了设计,确保数据能够在主站控制器内高效、安全、有序的传输。在完成了整个超精密运动控制系统框架的设计工作之后,对系统的实时性进行了测试,对气浮直线轴开展了控制实验。对经过实时内核改造的操作系统进行了任务调度延迟性测试,并对EtherCAT模块的周期性通信进行了实时性测试,避免由于实时性差的原因对系统的控制性能产生不利影响;搭建了气浮直线轴控制的实验平台,利用激光干涉仪对单轴控制精度进行了测试,之后检验了G代码控制双轴运行是否正常,并借助光谱共焦传感器完成了对双轴联动控制精度的测试。
基于EtherCAT总线的超精密运动控制系统设计
这是一篇关于运动控制系统,EtherCAT,超精密,主站控制器,上位机的论文, 主要内容为以EtherCAT为代表的工业以太网技术是网络技术和自动化控制技术在发展过程中相互结合的产物,其凭借优越的通信性能逐渐成为下一代自动化设备的标志性技术。目前国内研发的超精密装备大多数依赖国外的高端运动控制器为核心构建控制系统,在运动控制器方面受到国外技术垄断的威胁。因此,本文希望借助EtherCAT总线能够达到高性能的运动控制数据通信的特点,初步开发一套超精密运动控制系统框架,尝试在基于EtherCAT总线的情况下实现简单运动轨迹的超精密运动控制。本文将为后续自主研发超精密装备的数控系统提供理论和技术支持。本文研究了EtherCAT总线的技术原理,并对如何搭建运动控制系统的EtherCAT模块进行了方案设计;对目前多种常见的EtherCAT主站搭建方案进行分析,选取了合适的硬件设备和软件架构,通过Xenomai内核对操作系统进行了实时性改进;选取了用于调试的从站设备,将主站和从站连接之后测试了主站的功能是否正常,获取了主从站设备在EtherCAT总线中的具体信息;基于EtherCAT总线的技术原理,通过C语言编写了主从站通信的程序,尝试通过主站对从站设备发送简单的控制指令。根据运动控制系统的需求,对上位机的功能进行了开发。为控制系统设计了一套专用的G代码编译软件,使上位机能够将输入的普通G代码文件编译成主站控制器能够识别的具有特定格式的中间数组文件;设计了一套用于上位机与主站控制器通信的SSHTest软件,使上位机能够与主站控制器进行指令传输和文件传输;在SSHTest软件的基础上开发了一个简单的运动控制界面,使用户能够通过上位机对从站设备实现简单的运动控制。结合上位机的设计,开发了超精密运动控制系统主站控制器的功能。针对主站控制器内的“双内核”系统架构,设计了Linux进程与Xenomai进程之间跨域通信的方法;设计了直线插补和圆弧插补算法,将主站控制器无法识别的G代码指令信息解析成多个运动轴的控制信息;对插补数据的存取和处理进行了设计,确保数据能够在主站控制器内高效、安全、有序的传输。在完成了整个超精密运动控制系统框架的设计工作之后,对系统的实时性进行了测试,对气浮直线轴开展了控制实验。对经过实时内核改造的操作系统进行了任务调度延迟性测试,并对EtherCAT模块的周期性通信进行了实时性测试,避免由于实时性差的原因对系统的控制性能产生不利影响;搭建了气浮直线轴控制的实验平台,利用激光干涉仪对单轴控制精度进行了测试,之后检验了G代码控制双轴运行是否正常,并借助光谱共焦传感器完成了对双轴联动控制精度的测试。
蛇形机器人臂测控系统设计与试验研究
这是一篇关于绳驱机器人,运动学,自适应阻抗控制,运动控制系统的论文, 主要内容为与传统刚性机械臂相比,蛇形机器人臂的运动学具有超冗余自由度特征,更方便携带操作工具进入狭窄且有障碍的半封闭空间内完成操作任务,在航空发动机、航天复杂结构件的非拆解内窥检测与维护等领域,有着广阔的应用前景。本文针对一种具有22个运动学自由度的蛇形机器人臂,在运动学建模与控制、闭环控制算法和运动控制系统软硬件设计等方面开展研究,实现了蛇形机器人臂在复杂结构环境中的内窥运动控制和环境交互功能。首先,根据蛇形机器人臂的应用场景和基本特点,对机器人的总体结构进行了简要介绍。针对蛇形臂的结构特点建立了机构运动学模型,分析了蛇形臂驱动空间、关节空间和任务空间三者之间的相互映射关系并进行了仿真分析。给出了蛇形臂的齐次变换矩阵,研究了关节空间至任务空间的正运动学求解问题,以及关节空间至驱动空间的逆运动学求解问题。基于B样条函数插值和末端跟随算法对蛇形臂的路径规划问题进行了研究,为实现蛇形臂在复杂狭小空间中完成内窥操作任务奠定基础。其次,为了提高系统操作的安全性,研究了蛇形机器人臂的自适应阻抗控制问题。为提高蛇形臂与环境的交互能力,设计了一种蛇形臂伺服刚度控制的方法。基于并联机构关节中单个驱动器的动力学建模和受控模型的建立,提出了一种新的自适应阻抗控制律设计方法。通过构造与系统状态和估计参数相关的积分函数,建立了估计参数的更新规律和闭环系统控制律,降低了模型不确定性对控制性能的负面影响。针对冗余驱动并联机构中每个驱动器分别采用自适应阻抗控制,利用自适应机制和阻抗控制下各驱动器力位信号有界稳定的特点,可实现并联机构驱动空间内的协调稳定控制。详细阐述了所设计的自适应阻抗控制律的实现方法,并通过仿真验证了算法的稳定性、闭环控制效果以及不同参数对控制器性能的影响。通过该自适应阻抗协调控制算法可以使蛇形臂具备良好的力位协调控制能力和动态响应特性,提高蛇形臂的运动柔顺性和交互操作的安全性。通过实验对自适应阻抗控制器的工程可行性进行了进一步的验证。论文研究过程中,设计并搭建了完整的蛇形机器人臂测控系统。测控系统采用PC机和运动控制卡结合的控制模式,主要包括通讯模块、伺服驱动模块和传感模块,以实现蛇形机器人臂的信息监测、运动控制和人机分离的操作模式;软件方面包含总体架构与功能组成、控制流程设计与闭环控制算法实现、系统状态监测与状态恢复以及上位机人机交互界面设计等,为完成期望的操作任务提供了良好的平台。为提高控制算法的稳定性,设计卡尔曼滤波器对绳索拉力进行实时滤波;为解决非线性方程组求解问题,基于扩展卡尔曼滤波设计了关节角度观测器并进行了验证。为了验证建模正确性、算法设计可行性、测控系统搭建方案合理性,开展了蛇形臂的模拟运动控制、轨迹跟踪精度和自适应阻抗控制等实验。通过单关节和多关节协同运动控制、开放空间和狭小半封闭空间内窥检测模拟控制等实验,验证了运动学建模的正确性以及测控系统的稳定性;通过轨迹跟踪精度实验验证了蛇形机器人臂的实际操作性能;通过自适应阻抗控制实验验证了控制算法的工程可行性,测试了控制器设计参数对被控系统运动性能的影响,完成了蛇形臂在复杂环境中的安全控制性能验证。论文最后,讨论了未来可进一步开展的研究和实验工作。
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