基于实时以太网技术的机器人运动控制系统开发

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工业机器人现已广泛应用于实际工业生产中,节省了大量劳动力,并使得大规模自动生产线成为可能,而随着工业的发展,应用现场对机器人的控制精度及灵活性等要求越来越高,将技术上比较成熟的实时以太网引入工业控制领域已经成为发展趋势,欧美国家的运动控制厂商均陆续发布了基于实时以太网的控制系统。然而各大厂商多将自身系统集成化,专用化,软件功能不可自行扩展,硬件设备不可随意更换,这使国内企业不仅在应用上严重受限,还需要付出高额的配套设备购买费用。针对此现状,以某公司的RB-1400六自由度机器人为应用对象,采用基于PC的架构,结合自动化软件开发平台CoDeSys和实时以太网EtherCAT技术,用最精简的构架提出了一套开放、灵活、可靠的运动控制解决方案。力求实现软件平台与硬件设备的开放性和标准化,为国内的广大中小企业提供一套满足性能需求,且应用范围较广,成本较低廉的运动控制系统。首先分析了实时以太网技术的发展现状和其在运动控制领域的应用情况,以此为基础提出了开放式机器人运动控制系统的实现方案,重点对自动化软件开发平台CoDeSys的功能优势和EtherCAT技术的优越性做了介绍。其次为了深入了解EtherCAT的数据结构和通讯机制,自主开发了一款IO通讯模块,包括对电路原理图的设计与绘制,对设备描述文件的编写以及驱动程序的编写,并通过与软主站进行通讯,证明了模块的有效性和可靠性。第三完成了RB-1400六自由度机器人运动学分析与轨迹规划,并运用Matlab软件验证了求解的正确性,之后采用模块化、组件化的设计理念将其封装到CoDeSys平台之中,以备应用层程序调用。最后编写了六自由度机器人的运动控制程序,完成了控制系统的软硬件配置,并就控制系统的通讯性能和机器人的运动性能进行了测试。结果表明,机器人可以实现关节空间点动和笛卡尔空间的直线、圆弧以及连续直线间速度不减为零的运动,重复定位精度在50mm/s时可保持在0.06mm内,系统在1ms的循环周期运行过程中最大抖动时间不超过12us,报文通过各个从站的平均延时约为0.33us,主从站的通讯类型完全符合EtherCAT协议,具有很高的实时性。
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