二维度运动控制系统本科毕业论文.doc
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1、*大学本科生毕业论文二维度运动控制系统院 (系):*学院专 业:*学 号:*学 生 姓 名:*指 导 教 师:*年6月 摘 要 工业机器人机械臂的二维度运动经常为运动轴的轴向和径向旋转自由度的结合。为实现在500mm141mm的平面上运动,本设计采用一种基于常见的高速嵌入式单片机AVR单片机作为主系统,应用滚珠丝杠作为直线运动的传动机构,开发设计一套系统来实现工业机器人机械臂的二维度运动。并系统地论述了应用单片机开发步进电动机与直流伺服电机二维运动控制器的方法。 首先,论文介绍了本文的选题背景、主要研究内容和研究意义。 其次,采用模块化的设计思想进行二维度运动控制系统的硬件电路设计。以 ATm
2、ega16为核心,把控制系统分为控制器模块、电机驱动及电机运行、电源模块等,并对各模块进行了详细的介绍和分析。控制模块主要进行各种信息、数据的处理,协调系统中各功能模块完成预定的任务;驱动模块主要负责驱动步进电机和直流伺服电机,实现机械手的动作以及定位;电源模块负责整个二维度运动控制系统的电源供给。设计出电路原理图后根据原理图进行 PCB 的设计。 最后,进行软件程序设计。根据系统的功能要求设计了整个二维度运动控制系统的工作流程并向读者列举了部分程序代码。关键词:ATmega16单片机,步进电机,直流伺服电机,控制系统ABSTRACT The two dimensions movement o
3、f the Industrial robot manipulator is always the combination of the degrees of freedom of the axial of movement axis and the radial rotation. To comply the movement on the 500mm141mm plane, adopting a common high-speed embedded SCMthe AVR SCM as the main system, using the ball screw as the transmiss
4、ion mechanism of the linear movement, this design develops and devises a set of system to achieve the two dimensions movement of the Industrial robot manipulator. It also systematically expounds the method of using the SCM to exploit a two dimensions movement controller based on the stepper motor an
5、d DC servo motor. Firstly, this paper introduces its background, main contents and significance. Secondly, this issue adopts the modular design concept to design the hardware circuit of the two-dimension motion control system. With the ATmega16 as core, this issue divides the control system into the
6、 controller module, the motor driving module, the motor running module, and the power supply module, and it makes detailed description and analysis of every module. The control module mainly deals with every kind of data and information, and coordinates each module of the system to achieve the sched
7、uled tasks. The driving module mainly drive the step motor and the servo motor in order to achieve the location off the robot manipulator. The power supply module supplies power to the whole two-dimension motion control system. In addition this paper also devises the circuit schematic and plans the
8、PCB map according to the circuit schematic. Finally, this paper devises the software programs. Meanwhile it designs the whole workflow of the two-dimension motion control system according to the systems function and enumerates partial code.Key words:ATmega16 SCM, the step motor, the servo motor, the
9、 control system目 录第1章 绪论11.1 课题背景及意义11.2 工业机器人及机械手综述21.3 运动控制系统的现状31.4 本课题的主要研究内容6第2章 系统总体设计72.1 运动控制的基本概念72.2 课题技术指标72.3 系统总体设计72.4 机械设计82.4.1 总体机械结构设计82.4.2 机械手臂的设计92.4.3 理论坐标计算102.4.4 滚珠丝杠的介绍及选型102.5 电机的选型142.5.1 步进电机的选型142.5.2 直流伺服电机的选型162.6 本章小结18第3章 硬件电路设计193.1 微处理器的最小系统电路193.1.1 ATmega16单片机的简
10、介193.1.2 基于ATmega16的控制模块203.2 步进电机驱动电路的设计、对比与选择213.2.1 定位精度的理论计算213.2.2 采用以L298N为主芯片的人工设计的步进电机驱动电路223.2.3 采用步进电机驱动器MD540驱动步进电机263.2.4 步进电机驱动模块的选择293.3 直流伺服电机驱动电路的设计、对比与选择293.3.1 基于BTS7960的驱动电路293.3.3 直流伺服电机驱动电路的选择343.4 矩阵键盘的设计343.5 显示模块LCD显示屏1602363.5.1 LCD1602简介363.5.2 LCD1602的硬件电路393.6 PCB的生成393.7
11、本章小结39第4章 软件设计414.1 初始化模块设计424.2 系统整体流程图434.3 电机控制模块444.3.2 步进电机控制454.2.3 直流伺服电机控制464.4 键盘输入模块484.5 LCD显示模块494.6程序编译494.6.1 WinAVR 介绍504.6.2 程序的编译514.7 本章小结51第5章 系统调试525.1 PWM技术简介525.2 系统调试535.3 本章小结54结 论55参考文献57致 谢59附 录11、PCB板12、电路图2第1章 绪论1.1 课题背景及意义机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于一体的综合系统,它综合了多学科的发
12、展成果,代表了高技术的发展前沿,对人类生活应用领域的影响越来越大。宋健院士在国际自动控制联合会第 14 届大会报告中指出:“机器人学的进步和应用是 20 世纪自动控制最有说服力的成就,是当代最高意义上的自动化”1。工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器人,是自动执行工作的机器装置,是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥,也可以按照预先编排的程序运行,现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动2。工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成,是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体
13、化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量,提高生产效率,改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。工业机器人诞生于 20 世纪 60 年代,在 20 世纪 90 年代得到迅速发展,是最先产业化的机器人技术.它是综合了计算机,控制论,机构学,信息和传感技术,人工智能, 仿生学等多学科而形成的高新技术,是当代研究十分活跃,应用日益广泛的领域.它的出现是为了适应制造业规模化生产,解决单调,重复的体力劳动和提高生产质量而代替人工作业.在我国,工业机器人的真正使用到现在已经接近 20 多年了,已经基本实现了试验,引进到自主开发的转变,促进了我国制造业,勘探业
14、等行业的发展.随着我国改革开放的逐渐深入,国内的工业机器人产业将面对越来越大的竞争与冲击, 因此,掌握国内工业机器人市场的实际情况,把握我国工业机器人的相关技术与研究进展,显得十分重要。工业机械手是近代自动控制领域和工业机器人技术中出现的一项新技术,并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分,这种新技术发展很快,逐渐成为一门新兴的学科机械手工程3。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域,是一门跨学科综合技术。同时工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。其特点是可以通过编程来完成各种预期的作业,在构造和性能上兼有人和机器各自的优
15、点,尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力,在国民经济领域有着广泛的发展空间。1.2工业机器人及机械手综述 机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术,是当代研究十分活跃,应用日益广泛的领域。机器人应用情况,是一个国家工业自动化水平的重要标志。它并不是在简单意义上代替人工劳动,而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置,既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力,又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力,从某种意义上说它也是机器的进化过程产物,它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备,也
16、是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备4。从广义上讲,在现代化的许多工业生产、生活、灾难救援、甚至战争中,工业机器人都有极其重要的价值和极大的应用领域。工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业,或是危险、 恶劣环境下的作业,例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械 加工和简单装配等工序上,以及在原子能工业等部门中,完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。机械手能模仿人手和臂的某些动作功能,用于按固定程序抓取、搬运物体或操作工具的自动操作装置。它可以代替人的繁重劳动以实现生产自动化和机械化,能在有害环境下操作以保证人的安全,因而广泛应用于机械制造、冶金、电
17、子、轻工和原子能等部门。在工业部门中应用的机械手称为工业机械手。机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识5:其一、它能部分的代替人工操作;其二、它能按照生产工艺的要求,遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸;其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配,从而大大的改善了工人的劳动条件,显著的提高了劳动生产率,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而,受到很多国家的重视,投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合,应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展,并且取得一定的效果,受到机械工业的。机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多
18、功能机器,它有多个自由度,可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。 机械手的结构形式开始比较简单,专用性较强。 随着工业技术的发展,制成了能够独立的按程序控制实现重复操作,适用范围比较广的“程序控制通用机械手”,简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序,适应性较强,所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用6。1.3运动控制系统的现状 当今的技术发展日新月异,高新技术的进步也促进了运动控制系统的发展,总的来说,运动控制系统将进一步向网络化、数字化、智能化方向纵深发展。随着劳动生产率和产品质量的不断提高,工厂生产自动化对运动控制提出了更高的要求,比如更快的响应速度、更高的控制
19、精度、更高的可靠性等。近几年来,运动控制己经逐步形成了一个新的国际研究热点。研究具有开放式结构的高性能运动控制器是当前运动控制领域的一个重要发展方向,越来越得到世界各国学者的广泛关注。 高速、高精度始终是运动控制技术追求的目标。充分利用 DSP 的计算能力,进行复杂的运动规划、高速实时多轴插补、误差补偿和更复杂的运动学、动力学计算,使得运动控制精度更高、速度更快、运动更加平稳;充分利用网络技术、FPGA 技术等,使系统的结构更加合理和开放,通过网络连接方式减少系统的连线,提高系统的实用性和可靠性。运动控制器产品今后的发展基本上沿着上述两个方向走,但是专业化、个性化的运动控制器将是一个新的发展方
20、向。 从 90 年开始,DSP 技术和 FPGA 芯片技术在美国得到高速发展,出现了一批高性能低价格的 DSP,这些 DSP 的重要特性是它们的兼容性好而且浮点运算速度快,使多轴运动控制系统能够浓缩在一块 PC ISA/PCI 控制卡上,而且每个伺服轴的更新速率可以达到 20ms,而 FPGA 芯片技术则使通过软件来更新硬件成为可能,如果将 DSP 和 FPGA 与 PC 相结合,则可充分利用现有的操作环境和资源,进一步降低系统的成本,增加系统的通用性。尽管如此由于近年来高性能的单片机不断推出,再加上用单片机开发产品的技术非常成熟,开发工具丰富且功能强大,开发成本相对低廉,这使传统的以单片机作
21、为基础的运动控制系统仍然具有很强的生命力7。 这里向读者简介两款现代工业生产、紧急救援工作中,代替人类进行繁重或危险生产活动的机器人。2008年底,安川公司推出世界第一台7轴弧焊专用机器人 MOTOMAN-VA1400。VA1400 在传统工业机器人第一俯仰臂上增加了1个回转关节,具有冗余的自由度,使机器人本体的机动性和可达性提升到了前所未有的高度。其主要技术参数为, 最大动作范围: S关节(旋转)170; L关节(下手臂) 148、-70; U关节(上臂) 150、-175; R关节(手腕旋转) 150; B关节(手腕) 180、-45; T关节(手腕回转)200; 最大动作速度: S关节2
22、20/s; L关节200/s; U关节220/s; R关节410/s; B关节410/s; T关节610/s。图1.1 MOTOMAN-VA1400 美国 iRobot公司研制了 PackBot 系列反狙击机器人。 图1.2 PackBot 反狙击机器人Packbot 反狙击机器人是根据部分反恐专家提议, 在美国军方授意下, 由 iROBOT 公司为驻伊美军量身打造的。从外形来看, 该机器人体形小巧, 长 0.87 米, 宽 0.51米, 高 0.18 米, 重仅 18 千克, 在行军中士兵可以把它轻松地背在背上。美国军方已准备将其纳入美军新型单兵标准装备“ 模块化轻型携行装备(MOLLE)”
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