论文部分内容阅读
在工业自动化领域,伺服运动控制系统作为机器人及数控设备的核心组成部分,对其相关技术的研究尤为重要。目前各领域技术的进步,促使工业设备需求的不断提高,传统伺服控制系统中使用的工业现场总线受限于老旧的协议技术及硬件规格,导致其数据传输速度、实时性等方面越来越难以满足逐渐提高的系统总线数据传输需求。基于新现场总线技术的多轴伺服控制系统在自动化控制领域的应用已成为一种趋势。本文针对EtherCAT实时工业以太网总线技术的研究,开发出基于开源EtherCAT主站的四轴机械臂伺服控制系统,将该控制系统应用于Scara四轴机械臂,实现了控制器主站与伺服从站设备间通过EtherCAT协议进行稳定数据通讯,以及对Scara机械臂的基本控制功能。本文主要研究内容如下:首先对EtherCAT主站通信协议进行深入研究,从主站系统的组成、通信原理、数据帧结构、报文寻址方式等多个方面详细介说明EtherCAT协议。搭建Linux/Xenomai双内核实时系统环境,介绍了基于Adoes的系统框架,并进行EtherCAT开源主站igh的移植,实现了伺服控制系统EtherCAT主站通信的基础。然后在系统软件开发方面,介绍了软件框架的组成、功能模块的划分,紧接着详细说明每个模块的具体流程及实现方式。Xenomai实时性周期任务中各子任务执行时序及功能说明。通过在物理内存中创建一块共享内存的方式进行xenomai和Linux域间通信,实现在周期任务和非周期任务数据的完美衔接。其次,针对Scara四轴机械臂运动学求解过程进行相关研究。简要介绍机器人运动学求解常用的DH参数法,以及在求解过程中出现奇异解的情况。然后提出针对Scara四轴机械臂运动学求解的几何解析方法。通过引入第二个关节臂左偏置与右偏置的概念,在进行几何求解的过程中提前考虑左右偏置的情况,有效解决进行逆运动学求解过程中的多解问题。同时在四轴机械臂轨迹规划插补算法上进行了一定的研究,并分析了不同的插值方法及插补过程。最后为了验证该伺服通信控制系统的通信功能的可靠性,对主站系统的实时性,状态转换功能,周期通信的稳定性等多个性能指标进行测试。最终将该系统应用在对Scara四轴机械臂的控制上,完成直线插补与圆弧插补的点位示教测试,验证了本文所研究的EtherCAT控制器系统方案的正确性和可行性。