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基于ARM的切割机器人系统平台设计

作 者: 齐冲
导 师: 王宗义; 接东旭
学 校: 哈尔滨工程大学
专 业: 控制工程
关键词: ARM PCL6045BL 嵌入式 运动控制器 Linux操作系统
分类号: TP242
类 型: 硕士论文
年 份: 2013年
下 载: 32次
引 用: 0次
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内容摘要


在现代化重型装备制造业当中,特别是船舶工业和机械制造业,基于数控技术的切割机器人是必不可少的主要生产设备。但在该领域中,主要设备大多数为价格昂贵,维护成本高且不易运输的大型数控系统,长期缺少小型的、低成本的、高精度的自动化设备。因此将成本低、体积小、精度高、稳定性强的嵌入式系统应用到工业领域中是当今世界的一个热门的、具有积极现实意义的研究方向。本文基于韩国三星公司的ARM9处理器S3C2440芯片和日本NPM公司的专用DSP运动控制芯片PCL6045BL设计了一款具有实际工业应用价值的通用型切割机器人系统平台。系统平台提供了丰富的运动控制功能,同时又具有良好的软件支持能力,这使得平台本身具有极强的功能扩展能力。本文分析了切割机器人的性能需求,阐述了将嵌入式系统引入工业领域的重要意义;在硬件方面,详细介绍了主要芯片S3C2440和PCL6045BL的性能指标和特点,并设计了包含电源供电电路、复位电路、JTAG调试电路、USB模块电路、存储器模块电路、串口通信电路、LCD显示模块电路等在内的硬件电路并留有通用I/O接口和地址数据总线以供扩展功能之用;在软件方面,将嵌入式的Linux操作系统内核及文件系统移植到硬件平台上。在以此为软件平台的基础上,编写了针对运动控制芯片PCL6045BL的驱动程序。在应用层封装了可调用驱动程序的应用函数(API),并且对其进行了测试,展现了系统平台基本运动控制功能的运行效果及性能指标。同时利用跨平台的QT GUI工具QT-Embedded函数库编写Linux系统下包含有各种控制模式和功能的人机交互界面;最后,本文将切割机器人系统平台实际应用到了椭球开孔的实际工业问题中。本文设计的切割机器人系统平台体积小、稳定性高、实时性良好,控制精度满足了实际工业生产的要求。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第1章 绪论  11-19
  1.1 课题研究的背景及意义  11
  1.2 切割机器人的相关控制技术介绍  11-16
    1.2.1 运动控制技术概述  12-14
    1.2.2 切割机器人运动控制器的特点和分类  14-15
    1.2.3 国内外运动控制器的研究现状及发展趋势  15-16
  1.3 嵌入式系统概述  16-18
    1.3.1 嵌入式系统定义  16
    1.3.2 嵌入式系统组成  16-17
    1.3.3 嵌入式系统特点及发展趋势  17-18
  1.4 本文主要的研究内容和结构安排  18-19
第2章 切割机器人总体方案设计  19-27
  2.1 切割机器人系统功能需求分析  19-20
  2.2 切割机器人结构组成分析  20-25
    2.2.1 切割机器人的机械结构分析  20-21
    2.2.2 切割机器人的运动控制器硬件部分总体设计  21-23
    2.2.3 切割机器人系统软件部分总体设计  23-25
  2.3 切割机器人的整体控制方案分析  25-26
  2.4 本章小结  26-27
第3章 运动控制器硬件设计  27-49
  3.1 运动控制系统的电源、时钟及复位模块电路设计  27-30
    3.1.1 运动控制器系统电源模块设计  27-28
    3.1.2 系统时钟模块设计  28-29
    3.1.3 运动控制器系统复位模块  29-30
  3.2 核心处理单元 ARM9 S3C2440A  30-32
    3.2.1 ARM 的起源与发展  30
    3.2.2 S3C2440 的功能特点和性能指标  30-32
  3.3 存储系统模块电路设计  32-35
    3.3.1 SDRAM 功能特点及其接口电路设计  32-33
    3.3.2 NOR Flash 和 NAND Flash 功能特点及接口电路设计  33-35
  3.4 人机交互系统硬件模块设计  35-41
    3.4.1 通信模块电路分析和设计  36-38
    3.4.2 显示模块电路分析和设计  38-41
  3.5 JTAG 调试接口模块电路分析  41-42
  3.6 运动控制芯片及其接口电路分析和设计  42-47
    3.6.1 PCL6045BL 的功能描述  42-43
    3.6.2 PCL6045BL 与核心处理器 S3C2440A 的接口设计  43-44
    3.6.3 PCL6045BL 与外部接口电路设计  44-47
  3.7 本章小结  47-49
第4章 系统软件搭建及 PCL6045BL 驱动程序开发  49-69
  4.1 Linux 操作系统  49-52
    4.1.1 Linux 操作系统结构组成和功能特点  49-51
    4.1.2 嵌入式 Linux 操作系统  51-52
  4.2 移植嵌入式 Linux 操作系统  52-59
    4.2.1 建立交叉编译环境  52-53
    4.2.2 Boot Loader 原理分析及移植  53-54
    4.2.3 移植嵌入式 linux 操作系统内核  54-56
    4.2.4 构建并移植文件系统  56-59
  4.3 运动控制器中 PCL6045BL 的驱动及 API 函数设计  59-68
    4.3.1 嵌入式 Linux 系统下的 PCL6045BL 设备驱动方法  59-60
    4.3.2 驱动模型下的 PCL6045BL 寄存器配置  60-63
    4.3.3 PCL6045BL 的用户层函数封装  63-65
    4.3.4 系统平台的运动控制功能测试  65-68
  4.4 本章小结  68-69
第5章 系统应用程序设计  69-83
  5.1 嵌入式图形用户界面介绍  69-70
  5.2 QT/Embedded 概述  70-73
    5.2.1 QT 简介  70
    5.2.2 QT 的特征及开发平台的组成  70-71
    5.2.3 QT 在 Linux 操作系统下的工作原理  71-72
    5.2.4 QT/Embedded 在嵌入式 Linux 操作系统下的工作原理  72-73
  5.3 切割机器人系统的 GUI 开发环境搭建  73-74
  5.4 切割机器人系统的图形用户界面设计  74-81
    5.4.1 主功能界面的设计  75-76
    5.4.2 选型功能界面的设计  76-78
    5.4.3 参数输入功能界面的设计  78-80
    5.4.4 通讯模块的设计  80-81
  5.5 本章小结  81-83
第6章 切割机器人系统平台的应用  83-93
  6.1 椭球上开圆形孔的相贯线计算  83-86
    6.1.1 椭球开正交孔  83-84
    6.1.2 椭球开偏心孔  84-86
  6.2 椭球开圆形孔的作业流程分析  86-91
  6.3 切割机器人系统平台的误差分析  91-92
    6.3.1 误差来源  91-92
    6.3.2 误差补偿方法  92
  6.4 本章小结  92-93
结论  93-95
参考文献  95-99
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  99-100
致谢  100

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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