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随着2015年3月《中国制造2025》计划的提出和推进,“中国制造”不再是以前意义上的低成本生产和代加工,而是以“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”为基本方针,逐步实现中国制造综合实力进入世界强国前列。在世界工业4.0(德国提出,也被称为第四次工业革命的高科技计划)大环境下,机器人在工业生产中也得到广泛的应用。随着生产中对工业机器人的功能和性能的要求越来越精细,对机械手臂插补控制系统的研究和开发也具有更加重要的意义。基于单片机、ARM等插补控制器受制于算法的运算速度和实时的插补速度,且并行处理能力差。因此,采用FPGA(Field Programmable Gate Array)作为主控芯片的方案更适合应用在电机控制领域。本文结合国内外工业机器人的发展和研究现状,以六自由度机械手臂的轨迹插补控制方法为研究对象,完成了机械臂插补控制系统的研究与设计。全文分析了六自由度机械手臂的结构和控制特点,以ABB公司的工业机器人IRB4400为例,通过对其建立D-H模型,完成了机械手臂的运动学分析,为机械臂控制系统的设计提供了前提条件。本课题在深入研究机械手臂插补控制技术的现有插补算法的基础上,对直线、圆弧、Bezier曲线、B样条曲线和NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline)插补原理的优缺点作了对比,进而深入研究了NURBS插补算法。通过综合考虑插补算法在实现过程中的实时处理、误差约束和速度规划等因素,本课题借助QuartusⅡ13.0开发环境在Altera公司的FPGA EP4CE22E22C8中完成了NURBS曲线插补控制器的设计。系统软件方面,本课题采用Verilog HDL描述语言,根据EDA自顶向下的设计方法,完成了基于S型速度自适应控制的NURBS曲线插补控制器的设计;采用C++语言完成上位机用户控制界面的设计。系统硬件方面,本课题利用Altium Designer软件完成插补控制器硬件平台的设计,在此基础上完成了硬件电路的焊接和调试。本文通过Modelsim仿真器中的功能和时序仿真,验证分析了插补控制器的功能和性能。最终,通过设计的上位机界面、硬件插补控制器与机械手臂的联机调试,完成了整个插补控制系统的设计。本文的系统根据时间采样插补的过程,在PC端完成粗插补,利用FPGA硬件完成精插补,上、下位机之间通过USB总线方式实时传送数据。测试结果表明,本文的控制系统具有良好的可靠性、通用性和可移植性。