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基于ARM的3D打印机控制系统设计研究

基于ARM的3D打印机控制系统设计研究

作者：李哲北京化工大学

学位级别：硕士

随着3D打印技术广泛进入教育、艺术设计、生物医学等民用领域,低成本的桌面级3D打印机需求不断扩大。目前国内对桌面级3D打印机步进电机运动控制研究不够深入,对彩色打印技术的研究集中在机械结构设计,对控制技术没有过多研究。为解决... 详细信息

随着3D打印技术广泛进入教育、艺术设计、生物医学等民用领域,低成本的桌面级3D打印机需求不断扩大。目前国内对桌面级3D打印机步进电机运动控制研究不够深入,对彩色打印技术的研究集中在机械结构设计,对控制技术没有过多研究。为解决上述问题,本文以FDM原理的桌面级3D打印机作为实验平台,采用先进的ARM微控制器,对3D打印机控制系统开展设计和研究工作。本文首先概述了 FDM 3D打印原理,介绍了 3D打印机控制系统国内外研究现状,包括各种控制系统方案、步进电机运动控制技术和彩色打印技术。提出了一种基于sTM32F103 ARM微控制器的3D打印机控制系统设计方案,包括硬件电路设计和软件架构方案。然后阐述了控制系统的输入部分,包括数据通信、人机界面显示和按键功能的实现方法。本文重点论述了 3D打印机步进电机运动控制的实现过程,包括数控插补算法和速度前瞻控制的研究。引入s曲线加减速算法对电机原有的梯形加减速算法进行替代。通过对比实验证明,采用本文设计的s曲线加减速控制算法,在高速打印时可以提高3D打印机的打印质量。阐述了增量式PID控制算法和Bang-Bang控制原理,在此基础上设计喷头和热床的温度控制算法并通过实验进行验证,取得了良好的温控效果。最后本文探讨了彩色打印功能的实现原理,分析了彩色打印的影响因素。给出了本文设计的彩色打印控制方法,通过实验确定了彩色打印的控制系统工艺参数,并验证了彩色打印控制程序的有效性。

关键词： 3D打印机控制系统 sTM32F103 步进电机 s曲线加减速彩色3D打印

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3-HUU并联机床及数控系统的研究

3-HUU并联机床及数控系统的研究

作者：杨世忠河北工业大学

学位级别：硕士

工作空间是衡量并联机床性能的重要指标,也是设计、使用和控制机床的主要依据,所以本文对一种新型3-HUU并联机床进行机构分析并且计算其工作空间。随着技术、市场、生产结构等方面的快速变化,用户对并联运动机床数控系统提出了更高的要... 详细信息

工作空间是衡量并联机床性能的重要指标,也是设计、使用和控制机床的主要依据,所以本文对一种新型3-HUU并联机床进行机构分析并且计算其工作空间。随着技术、市场、生产结构等方面的快速变化,用户对并联运动机床数控系统提出了更高的要求,传统的数控系统大都针对于串联机床设计,不能适应并联机床控制的要求。所以本文根据3-HUU并联机床的控制特点,研究一种新型并联机床的数控系统,并实现s曲线加减速控制和PID调节。本文通过分析3-HUU并联机床的机构特点,确定了机构的灵活工作空间,为3-HUU并联机床的结构改进提供一定的理论基础。确定了数控系统的总体结构,设计了数控系统的数据流程,研究数控系统反馈环节的关键技术和反馈信息的传输原理,并设计了反馈硬件电路和软件控制结构。研究数控系统上下位机关键环节技术,构建了数控系统上位机软件平台并且设计了上位机控制软件程序结构,实现数控界面速度跟踪功能和PID参数设置功能;构建了数控系统下位机控制系统硬件平台,设计出下位机控制程序结构并设计了下位机硬件电路。针对本数控系统的特点,结合s曲线加减速的优点和DsP芯片运算优点,设计出基于DsP控制的电机s曲线加减速控制方法;并且结合本数控系统特点和DsP芯片运算优点,实现基于DsP控制的PID控制伺服系统。最后通过实验验证3-HUU并联机床数控系统的上位机软件系统和下位机硬件系统的合理性和可行性。

关键词： 3-HUU 并联机床数控系统 s曲线加减速 PID控制

基于传感器信息融合的自动导引车自由路径转向研究

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基于传感器信息融合的自动导引车自由路径转向研究

作者：唐金君南京航空航天大学

学位级别：硕士

随着自动导引车辆（AGV）在工业制造等领域内日渐广泛的应用，其相关技术也随之得到了极大的发展。作为机电一体化的轮式移动机器人，AGV其系统结构可分为标准的五大模块，包括机械本体、动力驱动、执行机构、传感检测以及控制和信息处... 详细信息

随着自动导引车辆（AGV）在工业制造等领域内日渐广泛的应用，其相关技术也随之得到了极大的发展。作为机电一体化的轮式移动机器人，AGV其系统结构可分为标准的五大模块，包括机械本体、动力驱动、执行机构、传感检测以及控制和信息处理。根据所配备的传感器的不同，AGV的导引方式有磁带导引、电磁导引、视觉导引、激光导航等多种方式，视觉导引成本低精度高，并且有着很高的弹性和扩展性，因而具有很大的发展空间。本文的主要研究内容建立在对差速驱动AGV的模型分析以及对实际系统的参数校核之上，采用信息融合的方法提高了AGV的全局定位能力，并且在此基础之上提出了AGV脱离导引线实现自由路径转向的方法。有别于传统单一的导引方式，本文在视觉导引的基础之上，结合了编码器反馈和射频标签的信息，设计了针对AGV多数据源的信息融合模型。采用了卡尔曼滤波的方法对编码器反馈信息和视觉的导引线偏差信号进行融合以得到对AGV位置偏差的最优估计;然后根据射频信息对偏差累积所推断的位置作了进一步的修正，实现了全程位置的可定位。其次，分析了AGV两种转向方式的各自的优缺点，提出了自由路径转向的方法，引入数控系统中成熟的s形加减速控制对AGV的转向过程及转向轨迹进行了规划;针对自由路径转向后的导引线的再找回提出了迭代修正的方法。在MATLAB软件下simulink仿真环境内搭建AGV系统的整体模型，并对设计的自由路径转向进行了仿真。最后，在AGV系统上进行了编程实现，验证了设计的可行性和可靠性。

关键词：自动导引车辆定位信息融合卡尔曼滤波速度规划 s曲线加减速

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多功能桥式复合机的数控系统开发研究

多功能桥式复合机的数控系统开发研究

作者：刘国华华侨大学

学位级别：硕士

随着数控技术的飞速发展，石材加工设备的数控化己渐渐成为产品升级的发展趋势。为了提高石材桥式切割机的自动化程度，扩大加工范围，提出以石材桥式切割机为研究对象，开发三轴开放式数控系统。本文结合运动控制卡及PC机，对石材桥式... 详细信息

随着数控技术的飞速发展，石材加工设备的数控化己渐渐成为产品升级的发展趋势。为了提高石材桥式切割机的自动化程度，扩大加工范围，提出以石材桥式切割机为研究对象，开发三轴开放式数控系统。本文结合运动控制卡及PC机，对石材桥式切割机开放式数控系统的相关内容进行了研究。首先研究并提出了基于向量的圆弧插补算法，通过速度和圆弧半径求出相邻两个插补点的角度差，然后通过当前插补点与圆心的一个向量来求出下一个插补点的向量值，最后进行向量差计算，从而得到需要的两个轴方向的速度值，该算法不需要对所处象限进行分析，同时提高了产品加工精度。在现有s型曲线加减速控制方法的研究基础上，提出了一种离散型s曲线加减速控制的新方法，以单位加加速度为基础，根据当前速度和加速度求出下一点加速度与速度,计算加速度、速度和位移更为简单，避免了加工过程中加速度不均匀对机床造成的冲击，提高了机床运动的平稳性和产品加工质量。然后开发了数控桥式切割自动编程模块，用户可以根据需要由AutoCAD软件绘制加工图形截面线，系统软件调入DXF文件，经过DXF文件的特征信息提取后，对其进行自动排序，以及对应的点的划分，然后根据石材锯片切割特点自动生成对应的数控加工路径代码，同时通过OpenGL编程实现三维刀具路径仿真，大大提高编程效率，减少了手工编程的麻烦和错误率。最后对整个数控系统中硬件结构和软件设计进行了研究，包括伺服驱动器接线、参数设定、加工代码的信息提取、实时控制的定时器设定模块、手轮控制模块等，系统软件与伺服驱动器进行串口通讯从而获得伺服电机各项运行指标的监控，实现系统信息的实时检测，通过上述几个模块形成了整个数控系统的基本框架。以工控机为硬件平台，Visual C++6.0为软件开发工具，开发了一套桥式多功能复合机的数控系统软件，并对交流伺服电机进行实际控制，实验结果表明，本文算法保证速度、加速度的连续，提高了系统的柔性。

关键词：数控系统桥式切割机圆弧插补 s曲线加减速自动化加工

基于RTAI及EtherMAC实时以太网的码垛机器人控制平台

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基于RTAI及EtherMAC实时以太网的码垛机器人控制平台

作者：徐凯山东大学

学位级别：硕士

机器人技术作为制造业以及自动化产业的尖端技术,在帮助企业提高生产水平,降低工人劳动强度,提高重复加工精度等方面都有优异表现。而在产品自动化以及物流产业中,码垛机器人柔性工作能力强和占地面积小,并且具有同时码垛多个料垛和处... 详细信息

机器人技术作为制造业以及自动化产业的尖端技术,在帮助企业提高生产水平,降低工人劳动强度,提高重复加工精度等方面都有优异表现。而在产品自动化以及物流产业中,码垛机器人柔性工作能力强和占地面积小,并且具有同时码垛多个料垛和处理多种物料等强大的功能,这些特点使得码垛机器人越来越受到用户的青睐,迅速占领码垛市场。本文的工作是搭建一个码垛机器人控制平台。根据丝杠式码垛机器人机械结构的特点,给出了其控制平台的功能要求。根据控制平台的功能要求以及机械结构,对电机选型以及工作空间进行了具体介绍。在运动控制方面,抛弃了传统的近似的运动学逆解算法,通过对码垛机器人机械结构进行数学建模,建立了该结构的非线性方程组,并利用计算机的强大计算能力以及牛顿迭代数值法来实现高阶非线性方程的运动学逆解的求解;面对码垛机器人高速重载的工作要求,为了减少码垛机器人工作过程中的撞击力,提出了一种基于s曲线加减速的速度规划算法,使得机器人在提速阶段,初始加速度较小,从而减小工作过程中的撞击力。本文采用的控制硬件平台基于EtherMAC (Ethernet for Manufacturing Automatation Control)实时以太网通讯协议,工控PC与控制节点之间通过标准以太网进行通信。控制节点将所有的驱动器以及I/O信号联接,负责控制数据的下发以及反馈数据的信息收集。采用的控制软件平台为Microsoft公司的Windows CE6.0实时操作系统,实现了模块化的控制软件架构,譬如运动控制模块、人机交互模块以及码垛机器人系统中非常重要的手动示教模块等等。本文还做了一项工作即通过对普通Linux内核的改造,搭建了基于RTAI(Real-Time Application Interface)实时内核与普通内核共存的实时系统,并对Linux源码中的网络链路层的网络帧处理进行了修改,从而实现了一个EtherMAC在开源平台Linux系统上的实时通讯模块。

关键词：码垛机器人牛顿迭代 s曲线加减速 EtherMAC RTAI

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基于实时以太网的码垛机械手控制平台研究

基于实时以太网的码垛机械手控制平台研究

作者：张岳山东大学

学位级别：硕士

码垛机械手作为现代码垛系统中最重要的设备,对促进工业自动化起到非常重要的作用。近年来,国内许多高校和企业均对码垛机械手控制系统进行了研究和开发,但我国码垛机械手控制系统与国外相比还有很大的差距。因此,研发具有自主产权的高... 详细信息

码垛机械手作为现代码垛系统中最重要的设备,对促进工业自动化起到非常重要的作用。近年来,国内许多高校和企业均对码垛机械手控制系统进行了研究和开发,但我国码垛机械手控制系统与国外相比还有很大的差距。因此,研发具有自主产权的高水平码垛机械手控制系统具有重要的意义。基于工业实时以太网总线技术,本论文设计了一种适用于多种类型码垛机械手控制系统开发的码垛机械手控制平台。首先,本论文从码垛机械手的工作过程出发,对码垛机械手所需运动进行了分析,并对常用的混联码垛机械手结构和串联码垛机械手结构进行了分析。根据码垛机械手工作过程中的运动规律,对机械手末端类似门字形的运动轨迹进行规划,使用s曲线加减速控制方法和码垛机械手运动学正逆解对运动轨迹中各个运动轴的运动过程进行插补计算。在轨迹规划过程中,使用s曲线加减速控制方法,实现水平运动、底座旋转、手爪旋转三个运动的同步协调运行。其次,本课题对码垛机械手控制平台进行研究。控制系统硬件平台采用基于Ether MAC （Ethernet for Manufacture Automation Control）实时以太网总线技术的e-Link接口板和IO接口板,接口板与工控机以及各接口板之间均通过屏蔽双绞线进行级联。码垛机械手控制系统软件采用模块化的设计理念,将控制软件分为运动控制模块、数据通信模块、人机交互模块等。其中,数据通信模块中包含总线通信模块,可实现控制系统软件与硬件平台之间的通信。对于不同类型的码垛机械手机械结构,只需要调用相对应的软件功能模块即可快速、准确的开发出适用于用户需求的码垛机械手控制系统。最后,在基于实时以太网的码垛机械手控制平台上,开发设计了一种满足用户需求的码垛机械手控制系统,并应用于生产现场。试验表明,该码垛机械手控制系统能够实现所需的功能,工作情况稳定、流畅,达到了工业自动化的需求。

关键词：码垛机械手轨迹规划 s曲线加减速 EtherMAC

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连续微线段柔性加减速自适应前瞻规划算法

华侨大学学报（自然科学版） 2021年第1期42卷 1-8页

作者：叶衡谢明红华侨大学机电及自动化学院福建厦门361021

针对目前数控加工代码大多是连续微线段的情况,提出一种新型的自适应前瞻规划算法.首先,采用简化的s曲线加减速减少计算时间,提高加工过程的平稳性,并采用二分法求解段内可达到的最高速度;然后,采用识别速度敏感点的方法分割前瞻区间,... 详细信息

针对目前数控加工代码大多是连续微线段的情况,提出一种新型的自适应前瞻规划算法.首先,采用简化的s曲线加减速减少计算时间,提高加工过程的平稳性,并采用二分法求解段内可达到的最高速度;然后,采用识别速度敏感点的方法分割前瞻区间,实现自适应动态规划,进一步优化前瞻区间的终点速度,提高加工效率;最后,通过模拟实验验证算法的可行性.结果表明:相较于传统规划算法与其他前瞻规划算法,文中前瞻规划算法可显著提高加工效率.

关键词：微线段前瞻算法 s曲线加减速自适应数控机床高速加工

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变加减速算法在位置伺服系统中的应用与分析

机械制造 2007年第1期45卷 26-28页

作者：严彩忠舒志兵南京工业大学自动化学院南京210009

根据位置伺服系统对运动平稳性的要求,提出了使用逻辑器件构成位王脉冲的s形曲线加减速结构并介绍了其控制原理,分析了稳态和动态位里误差产生的数学模型,给出了位置误差的计算公式和补偿方法。对s形曲线模型进行校正,更好地满足了系统... 详细信息

根据位置伺服系统对运动平稳性的要求,提出了使用逻辑器件构成位王脉冲的s形曲线加减速结构并介绍了其控制原理,分析了稳态和动态位里误差产生的数学模型,给出了位置误差的计算公式和补偿方法。对s形曲线模型进行校正,更好地满足了系统的机电特性。总之s形曲线加减速算法克服了传统加减速算法的过冲缺点,速度变化更加平滑,是一种很好的柔性控制算法。

关键词： s曲线加减速位置伺服系统位置误差分析

基于MATLAB的三闭环交流伺服运动控制系统仿真与设计

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工业控制计算机 2013年第12期26卷 61-63,95页

作者：常艳芳马旭东房芳东南大学自动化学院江苏南京210096

针对交流伺服运动控制系统,在PMsM伺服系统电流环和速度环的基础上,进行位置环设计,保证伺服电机位置跟踪的精确性。同时,利用s曲线加减速算法进行速度规划,减小电机在加减速过程中的机械振动,以保证控制系统的稳定性和快速性。在MATLAB... 详细信息

针对交流伺服运动控制系统,在PMsM伺服系统电流环和速度环的基础上,进行位置环设计,保证伺服电机位置跟踪的精确性。同时,利用s曲线加减速算法进行速度规划,减小电机在加减速过程中的机械振动,以保证控制系统的稳定性和快速性。在MATLAB/simulink中建立伺服系统仿真模型,仿真结果表明,上述方法能使系统具有很好的精确性、快速性和抗扰动性。

关键词：伺服系统位置环 s曲线加减速仿真