CINCINNATI MILACRON T3工业机器人开放式控制系统设计分析与基础研究-图文

东北大学硕士学位论文CINCINNATIMILACRONT<'3>工业机器人开放式控制系统设计分析与基础研究姓名:王旭东申请学位级别:硕士专业:机械电子工程指导教师:蔡光起20050201(7机器人化机械开始兴起。美国开发的“虚拟轴机床”,以及RoboticParking,这些新型装置已成为国际研究的热点之一,纷纷探索开拓其实际应用的领域。(8微小机器人技术(micro/miniaturerobotics成为机器人研究的…个新的领域和重点发展方向。微小型机器人技术的研究主要集中在系统结构、运动方式、控制方法、传感技术、通信技术以及行走技术等方面对社会进步和人类活动的各个方面产生重大影响。1.1.4中国工业机器人的开发与应用随着世界机器人技术的发展和市场的形成,我国在机器人科学研究、技术开发和应用工程等方面取得了可喜的进步。中国工业机器人研究开始于70年代,但由于基础条件薄弱、关键技术与部件不配套、市场应用不足等种种原因,未能形成真正的产品。80年代中期,在国家科技攻关项目的支持下,中国工业机器人研究丌发进入了一个新阶段,形成了中国工业机器人发展的一次高潮‘2J如图。图1.1工业机器人应用于激光加工Fig,1.1Theindustrialrobotappliestothelasermachining以焊接、装配、喷漆、搬运等为主的工业机器入;以交流伺服驱动器、谐波减速器为代表的元器件,以及机器人本体设计制造技术、控制技术、系统集成技术和应用技术都取得显著成果。从80年代末到90年代,国家863计划把机器人列为自动化领域的重要研究课题,系统地开展了机器人基础科学、关键技术与机器人元部件、目标产品、先进机器人系统集成技术的研究及机器人在自动化工程上的应用。在工业机器人选型方面,确定了以开发点焊、弧焊、喷漆、装配、搬运等机器人为主,并开发了水下、自动导引车(AGV、爬壁、擦窗、管内移动作业、混凝土喷射、隧道凿岩、微操作、服务、农林业等特种机器人。;I司时完成了汽车车身点焊、摩托车车架焊接、机器人化立体仓库等一批机器人自动化应用工程,这是中国机器人事业从研制到应用迈出的重要一步。图1.2CINCINNATIMILACRONr工业机器人应用于工业生产I.2CINCINNATIMILACRONT3industrialrobotapplyinindustryFig1.2工业机器人控制器及其现状工业机器人控制器是根据指令以及传感信息控制机器人完成一定的动作或作业任务的装置,它是机器人的心脏,决定了机器人性能的优劣。从机器人控制算法的处理方式来看,可分为串行、并行两种结构类型‘31。1.2.1串行处理结构串行处理结构是指机器人的控制算法是由串行机来处理。对于这种类型的控制器,从计算机结构、控制方式来划分,又可分为以下几种[4j:(1单CPU结构、集中控制方式用一台功能较强的计算机实现全部控制功能。在早期的机器人中,如Hero.I,Robot—I等,就采用这种结构,但控制过程中需要许多计算(如坐标变换,因此一4东北大学硕士学位论文第一章绪论办公设备等工业总线。(2PC总线是一种开放性总线,借助于这种总线,使得整个系统具有,模块化、开放性、可嵌入的特点。将个人计算机从功能上集成到机器人控制系统中,并构成开放式系统的基本构思共有三种方式。图1.3IPC应用于弧焊机器人控制系统Fig,1.3IPCisappliedtothearc—weldingrobotcontrolsystem1.3.2.1NC+PC的控制模式这是一种衍生式的开放式控制系统实现模式,即将PC作为传统的非开放式专用控制器的前端接口,把与该NC装置配套的IPC板卡插入到NC系统插槽中构成【18】。其中,IPC部分主要负责人机界面功能的实现,以及利用IPC的存储和通讯功能实现信息的共享和交换等前端管理等非实时性任务;而实时插补、伺服控制、电源控制和//O控制等实时性控制仍由原NC系统实现。但该模式NC单元由生产商提供,只能实现部分开放,无法实现内核的开放【j71;另一方面,该类系统功能强大,但是结构复杂,价格昂贵。该模式代表产品主要有:FANUCl50/160/180/210系列;SIENMENS810D/840D系列等。德国PA公司的PA8000,美国OrlTlecSystem公司的Orion。9一东北大学硕士学位论文第二章CINCINNATIMILACRONT3工业机器人及其运动学分析图2.6(aCINCINNATIP机器人运动学正解问题的控制面板Fig.2.6(anlecontrolpaneloftheforwardkinematicsoftheCINCINNATI1。robot图2.6(bCINCINNATIT3运动学正解问题的控制面板Fig.2.6(bThecontrolpaneloftheforwardkinematicsoftheCINCINNATIT3robot28——墨坐苎兰翌主堂垒垒墨苎三主三兰垫堡垒塑兰墨竺!型一目(0p(,r上述四个边界约束条件(3.1和(3.2唯一确定了一个三次多项式(3.2口(f=an+alr+a2t2+口3,3(3.3运动轨迹上的关节速度和加速度则为O(t=dJ+a2,+3a3f2臼(f=2a,+6盯,f确定三次多项式的四个方程为吼=ao0,=日o+以1fj+42t;+Ⅱ3f;鼠=al巳=口lr+a2t/+a3tj求以上方程组,即可求得三次多项式的系数ao=ooal=ol。2=毫(pr—oo一三tf60一1t?or口s=一号o’一瓯+‘毒氓+毋,(3.4(3.5(3.6实际上,由上式确定的三次多项式描述了起始点和终止点具有任意给定位置和速度的运动轨迹。剩下的阃题就是如何确定路径点上的关节速度。可由以下三种方法规定:(1根据工具坐标系在直角坐标空间中的瞬时线速度和角速度来确定每个路径点的关节速度。(2在直角坐标空间或关节空间中采用适当的启发式方法,由控制系统自动地选择路径点的速度。(3为了保证每个路径点上的加速度连续