基于WinCE的弧焊机器人控制系统研究

论文摘要

本课题来源于―高档数控机床与基础制造装备‖的科技重大专项。本文的主要工作是进行六公斤弧焊机器人运动轨迹规划算法的研究及控制系统软件设计。目前国内弧焊机器人应用广泛,市场需求巨大,但应用的弧焊机器人大多是从国外公司引进的,因此实现弧焊机器人的自主研发设计和产业化有着重要的意义。本文在分析了当前国内外焊接机器人及其控制系统研究现状的基础上,结合我国国情进行设计了六公斤新型弧焊机器人。其相对于第一代示教机器人在控制系统及其软件等方面都有了很多改进,系统的稳定性和可靠性方面都有很大提高。机器人运动学和动力学分析是弧焊机器人运动轨迹规划及运动控制的基础。针对6自由度弧焊机器人的构型,考虑到其几何结构和奇异性问题,采用了几何投影法与解析法相结合来求解机器人的运动学,这种方法相对于解析法可以大大减少运算量,提高算法的实时性。本课题采用拉格朗日法求解了弧焊机器人的动力学方程。在运动学的基础上进行了弧焊机器人的雅可比矩阵和奇异位形的分析,为运动控制程序算法提供理论依据。弧焊机器人的运动轨迹规划主要是在笛卡尔空间中进行的,因为其运动路径精确。针对笛卡尔空间的运动轨迹规划,研究了空间直线和圆弧两种基本的插补算法。在空间直线和圆弧插补的基础上,研究了弧焊机器人特有的运动形式——摆弧运动的空间插补算法,采用的是空间矢量插补方法。目前工业机器人的控制系统普遍采用的是Windows XP系统,在实时性和稳定性等方面存在一定问题。针对这一普遍问题,选用嵌入式操作系统解决,考虑到系统及应用程序开发的难易性等选择了Windows Embedded CE操作系统。通过定制WinCE操作系统及实现相关的功能,让操作系统满足上位机控制系统的功能需要。在WinCE操作系统定制成功的基础上,按模块化的设计思想,开发了基于WinCE操作系统的上位机应用程序,主要是完成控制系统的通信等功能。在控制系统调试完成之后,对弧焊机器人末端进行重复定位精度测试实验,结果验证达到了设计要求,说明控制系统性能可靠。最后对弧焊机器人的空间直线和圆弧焊缝进行了焊接实验,实验结果与预期相吻合。同时通过实验验证了轨迹规划插补算法的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究目的和意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题研究目的和意义
• 1.2 国内外工业机器人的研究现状
• 1.2.1 国外工业机器人的研究现状
• 1.2.2 国内工业机器人的研究现状
• 1.3 机器人控制系统的研究和应用
• 1.3.1 嵌入式操作系统在机器人领域的应用
• 1.3.2 机器人控制系统软件研究现状
• 1.4 课题的研究内容
• 第2章 弧焊机器人运动学和动力学分析
• 2.1 引言
• 2.2 弧焊机器人运动学建模
• 2.2.1 弧焊机器人坐标系建立及几何参数
• 2.2.2 弧焊机器人运动学正问题
• 2.2.3 弧焊机器人运动学逆问题
• 2.3 弧焊机器人动力学建模
• 2.3.1 机器人动力学方程求解方法
• 2.3.2 弧焊机器人动力学方程建模
• 2.4 弧焊机器人的雅克比矩阵
• 2.5 弧焊机器人工作空间分析
• 2.6 弧焊机器人奇异性分析
• 2.7 本章小结
• 第3章 弧焊机器人运动规划研究
• 3.1 引言
• 3.2 弧焊机器人笛卡尔空间运动规划
• 3.2.1 弧焊机器人空间直线插补算法
• 3.2.2 弧焊机器人空间圆弧插补算法
• 3.3 弧焊机器人摆弧算法研究
• 3.3.1 弧焊机器人平面摆弧算法
• 3.3.2 弧焊机器人的空间摆弧算法
• 3.4 弧焊机器人摆弧运动仿真
• 3.5 三次样条曲线拟合
• 3.6 本章小结
• 第4章 弧焊机器人控制系统平台设计
• 4.1 引言
• 4.2 控制系统硬件设计
• 4.2.1 控制系统总体结构
• 4.2.2 控制系统的硬件设计
• 4.3 控制系统软件设计总体结构
• 4.4 软件系统运行平台WinCE 系统
• 4.4.1 WinCE 操作系统的体系架构
• 4.4.2 WinCE 操作系统开发环境与功能需求
• 4.4.3 WinCE 嵌入式系统定制
• 4.4.4 WinCE 操作系统主要功能的实现
• 4.5 弧焊机器人控制系统上位机软件设计
• 4.5.1 弧焊机器人上位机控制软件设计原则
• 4.5.2 弧焊机器人上位机控制软件功能模块设计
• 4.6 弧焊机器人控制系统通信功能实现
• 4.6.1 上位机与示教盒通信
• 4.6.2 上位机与PMAC 运动控制卡通信
• 4.6.3 上位机与电机驱动器通信
• 4.7 本章小结
• 第5章 弧焊机器人重复定位精度测定及焊接实验
• 5.1 引言
• 5.2 弧焊机器人系统实验平台
• 5.3 弧焊机器人重复定位精度测量实验
• 5.3.1 实验数据测量
• 5.3.2 实验结果分析和结论
• 5.4 弧焊机器人末端运动轨迹测定实验
• 5.5 弧焊机器人焊接实验
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢