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基于PMAC的工业机器人控制系统研究与实现

作　者: 兰文宝
导　师: 赵靖
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 工业机器人 PLC程序 CLIPPER PMAC 优化
分类号: TP242.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

工业机器人运行稳定、速度快、精度高、适应环境能力强，市场前景十分广阔。机器人控制系统是机器人系统中的指挥中枢，因此机器人控制系统必须可靠性高、功能全面、响应速度快。本文分析了工业机器人控制系统的现状和发展趋势，接着设计了工业机器人控制系统的硬件平台，编写了机器人控制系统的部分软件，最后探讨了从控制角度降低工业机器人系统的运行误差的办法，具体如下。首先建立了工业机器人的正、逆运动学模型，运动学模型是工业机器人运动控制的理论基础，它是工业机器人控制系统软件部分的运动控制模块的算法基础。之后设计了工业机器人控制系统的硬件部分。首先进行控制系统总体设计，然后对主要部件进行选型。工业机器人控制系统的运动控制器选择了PMAC运动控制器系列的CLIPPER PMAC控制器。伺服系统选择松下的A4系列驱动器和对应的电机。之后设计了示教盒硬件电路并制作电路板。最后设计了与PMAC与驱动器的接口板和安全及逻辑处理电路。控制系统采用目前机器人行业主流配置与主流技术，具有良好的开放性，并且设计专用电路排除干扰提高系统可靠性。接着设计了工业机器人控制系统的软件部分。工业机器人控制系统软件包括上位机人机交互界面、PMAC运动控制、示教盒部分单片机程序。详细设计了示教盒的功能、组成和通讯协议，并编写了示教盒的单片机程序。最后编写PMAC运动控制卡软件，包括机器人运动程序，PLC程序，以及相关变量的定义。运动程序规划了运动模式、速度、加速等。PLC程序组织各子程序有效运行系统并监控系统运行状态。机器人控制系统的软件按模块化、分层次设计，结构清晰，便于修改以及后续升级维护；各个功能模块相对独立，便于调试和编写。最后探讨了从控制角度降低工业机器人系统的运行误差办法。通过自动方式和手动方式调整PMAC运动控制器的PID参数减小误差，引入模糊控制理论进一步减小误差。并以圆弧轨迹为例，采集并分析了系统运行所产生误差曲线。通过对比原始曲线、PMAC本身PID调整以后的曲线和引人模糊控制器曲线，确定这是一种有效的降低误差的方法。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-9
第1章绪论  9-18
  1.1 工业机器人概述  9-10
  1.2 工业机器人及其控制系统现状与发展趋势  10-15
    1.2.1 工业机器人发展现状  10-11
    1.2.2 工业机器人的控制系统现状和发展趋势  11-15
  1.3 研究的目的和意义  15-16
  1.4 本文主要内容  16-17
  1.5 论文的整体组织结构  17-18
第2章运动学建模  18-26
  2.1 引言  18
  2.2 运动学建模  18-25
    2.2.1 建立坐标系  18-19
    2.2.2 运动学正解算法  19-20
    2.2.3 运动学逆解算法  20-25
  2.3 本章小结  25-26
第3章控制系统硬件设计  26-38
  3.1 引言  26
  3.2 控制系统部分的总体方案  26-27
  3.3 运动控制器的选择  27-31
    3.3.1 PMAC 运动控制器简介  27-28
    3.3.2 PMAC 控制器的选型  28-29
    3.3.3 PMAC 与系统连接  29-31
  3.4 工控机的选型  31
  3.5 伺服系统的选择  31-34
    3.5.1 伺服驱动器和伺服电机的选型  31-33
    3.5.2 伺服系统连接  33-34
  3.6 安全处理单元设计  34-35
  3.7 示教盒硬件设计  35-37
  3.8 本章小结  37-38
第4章控制系统软件设计  38-54
  4.1 引言  38
  4.2 上位机程序结构  38-39
  4.3 示教盒程序设计  39-41
  4.4 PMAC 程序设计  41-53
    4.4.1 正、逆运动学求解程序  42-44
    4.4.2 运动程序  44-46
    4.4.3 PLC 程序  46-52
    4.4.4 程序变量说明  52-53
  4.5 本章小结  53-54
第5章控制系统 PID 参数优化  54-64
  5.1 引言  54-56
    5.1.1 圆弧运动控制实验  54-56
  5.2 调整 PMAC 参数降低误差  56-58
    5.2.1 调整 PMAC 参数实验  57-58
  5.3 构造模糊控制器降低误差  58-62
    5.3.1 定义语言变量和语言值隶属函数  58-59
    5.3.2 定义规则库  59-60
    5.3.3 求模糊关系  60-62
    5.3.4 模糊控制实验  62
  5.4 本章小结  62-64
结论  64-65
参考文献  65-69
致谢  69

基于PMAC的工业机器人控制系统研究与实现

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