生产线搬运机械手控制系统研究

发布时间：2017-09-11 17:07

  本文关键词：生产线搬运机械手控制系统研究

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【摘要】：随着人力资源成本逐步提升,迫切需要搬运机械手代替人类劳动。目前大部分国产机械手使用PLC或者专用的控制系统,这使得系统成本大大提高。同时,国外的搬运机械手控制系统虽然性能优越,但是价格十分昂贵,技术也不对外公开。因此开发一种经济的控制系统具有重要意义。本文开发与设计了一套基于"ARM+THB6128"的主从式控制系统。该控制系统采用STM32作为主控制器,电机驱动模块作为从控制器,主从机之间采用串口进行通信。该控制系统具有较高的性价比以及一定的二次开发能力。论文的主要研究工作有以下几个方面：(1)本文采用矩阵变换的方法,推导出机械手末端位姿与控制变量之间的关系。得到运动学模型后,通过运动学反解,求出相应的关节变量,从而有利于X轴、Z轴、U轴、V轴电机控制。根据企业提出的控制系统的功能需求,进行了控制系统总体方案设计。控制系统总体方案设计是系统硬件设计与软件设计的基础。(2)在系统硬件总体结构设计的基础上,对系统电源模块、电机驱动模块、主控单元模块进行了芯片选择与电路设计。(3)为了防止电机丢步和过冲,需要对电机控制采用加减速算法。本文进行了梯形加减速与S加减速相关算法公式推导,同时对多轴联动算法进行了深入研究,将快速DDA算法应用于搬运机械手。(4)在控制系统算法研究的基础上,基于Keil进行了主从机通信模块、运动控制模块、主控单元模块、人机交互模块程序编写。对于人机交互模块,本文从硬件层、协议层、应用层等方面讨论了串口屏程序实现。(5)最后,运用Keil虚拟示波器软件仿真进行了系统加减速以及多轴联动算法验证。通过系统功能验证,满足了企业提出的低成本控制系统需求。总之,本文从位姿矩阵推导、硬件设计、算法研究等方面对搬运机械手进行了研究。通过多轴联动控制,搬运机械手能够按照预定的路径完成工作任务。
【关键词】：STM32 搬运机械手 运动控制 图形界面系统
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP241;TB49
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 绪论9-14
• 1.1 课题研究背景和意义9
• 1.2 机械手控制系统国内外研究现状9-12
• 1.2.1 国外研究现状9-10
• 1.2.2 国内研究现状10-12
• 1.3 论文研究的主要内容与解决的主要问题12-14
• 1.3.1 论文研究的主要内容12-13
• 1.3.2 论文解决的主要问题13-14
• 第2章 搬运机械手运动学分析与控制系统总体方案设计14-31
• 2.1 搬运机械手工作原理及工作流程14-16
• 2.1.1 搬运机械手工作原理14-15
• 2.1.2 搬运机械手工作流程15-16
• 2.2 机械手运动学分析16-23
• 2.2.1 平衡吊运动学分析结果17-18
• 2.2.2 机械手位姿矩阵18-22
• 2.2.3 机械手速度分析22-23
• 2.2.4 机械手加速度分析23
• 2.3 机械手运动学模型及运动学反解23-28
• 2.3.1 搬运机械手关键尺寸及电机型号介绍23-25
• 2.3.2 机械手运动学模型及运动学反解25-27
• 2.3.3 机械手工作空间27-28
• 2.4 控制系统功能需求与控制系统总体方案设计28-30
• 2.4.1 控制系统功能需求28-29
• 2.4.2 控制系统总体方案设计29-30
• 2.5 本章小结30-31
• 第3章 生产线搬运机械手控制系统硬件设计31-43
• 3.1 系统硬件总体结构设计31-32
• 3.2 系统电源模块32-34
• 3.3 电机驱动模块34-36
• 3.3.1 电机驱动模块简介34
• 3.3.2 电机驱动模块设计34-36
• 3.4 主控单元模块36-40
• 3.4.1 数据存储模块36-37
• 3.4.2 复位模块37-38
• 3.4.3 编码器模块38
• 3.4.4 串口屏驱动模块38-39
• 3.4.5 检测模块39-40
• 3.5 PCB布局布线与电磁抗干扰设计40-42
• 3.5.1 布局布线与抗干扰设计40-42
• 3.6 本章小结42-43
• 第4章 控制系统关键算法研究43-56
• 4.1 研究加减速算法的目的43
• 4.2 梯形加减速速度规划算法研究43-47
• 4.2.1 梯形曲线介绍43-44
• 4.2.2 梯形加减速算法公式推演44-45
• 4.2.3 梯形曲线离散化45-47
• 4.3 S曲线加减速速度规划算法研究47-50
• 4.3.1 S形加减速曲线介绍48
• 4.3.2 S形加减速公式推演48-49
• 4.3.3 S曲线加减速实例分析49-50
• 4.4 多轴联动算法研究50-55
• 4.4.1 多轴联动算法公式推导50-52
• 4.4.2 搬运机械手多轴插补器建立52-55
• 4.5 本章小结55-56
• 第5章 生产线搬运机械手控制系统软件设计56-74
• 5.1 软件开发环境及调试工具介绍56
• 5.2 系统软件总体结构设计56-57
• 5.3 主从机通信模块57-59
• 5.3.1 主从机通信协议制定57-58
• 5.3.2 从机指令解析58-59
• 5.4 动控制模块59-64
• 5.4.1 电机驱动模块59-60
• 5.4.2 梯形加减速模块60-63
• 5.4.3 S形曲线加减速模块63
• 5.4.4 多轴联动模块63-64
• 5.5 主控单元模块64-66
• 5.5.1 编码器模块64-65
• 5.5.2 复位模块65-66
• 5.6 人机交互模块设计66-73
• 5.6.1 人机交互界面设计66-68
• 5.6.2 人机交互界面软件构架68
• 5.6.3 硬件层代码实现68-70
• 5.6.4 协议层代码实现70-71
• 5.6.5 应用层代码实现71-73
• 5.7 本章小结73-74
• 第6章 系统功能测试74-79
• 6.1 电路部分测试74-75
• 6.2 软件部分测试75-78
• 6.2.1 速度控制测试75-77
• 6.2.2 位移控制测试77-78
• 6.2.3 多轴联动测试78
• 6.3 本章小结78-79
• 第7章 总结和展望79-81
• 7.1 总结79
• 7.2 展望79-81
• 致谢81-82
• 参考文献82-86
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果86

【参考文献】

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本文编号：831989