EtherCAT主站开发及测试开题报告

 2020-02-10 10:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

随着我国人口红利的降低,经济的转型伴随着工业转型,我国制造业面临这从低端粗放,到高端精密的巨大挑战。其中,工业机器人作为先进制造装备,是产业升级的核心研究点。工业机器人技术是我国由制造大国向制造强国转变的主要手段和途径。同时,我国的巨大工业体量也必不可免的带来了工业机器人的巨大需求量,有调查研究,中国到2017年,将成为全球最大的工业机器人消费国。预计到2020年,中国机器人市场需求量将达3.5万台,占全球总量的16.9%,成为规模最大的机器人市场。在这种局势下,发展和研究工业机器人技术,拓宽其应用前景,具有十分大的探索价值。

在工业机器人的研究历史上,逐渐发展出了多个研究的领域。首先是工业机器人的运动学,由于通过现有机器人参数所建立的运动学模型不精确,使得通过运动学理论定位末端执行器非常重要。到目前为止,运动学理论的发展一共有四个阶段。第一个阶段是数学上的建模,其中建模和方程起主导作用;第二个阶段是利用传感器直接测量,通过实际检测优化理论模型;第三个阶段是根据机器人末端执行器位置,反向计算出机器人的各个关节轴的关节角,即机器人反向运动学;第四个阶段是数学模型的实际应用,而且在大多数情况下都会用到迭代算法。现在为止,机器人运动学的研究仍然是一门幵放的学科,研究员们也在不断努力,以寻求精度更高,计算量更少的控制算法。

绝大多数工业机器人都有以下三个基本部分组成:机械主体、驱动系统以及控制器。从目前机器人技术的研究现状来看,电子系统的发展更新速度远远超出了机械部分的发展速度。控制器作为工业机器人的核心部件之一,也是影响机器人性能的关键部分。它直接决定了机器人性能的优劣。因此,对工业机器人的控制器的研究,是机器人技术中的重点。

硬件方面,从控制器的算法处理方式来看,目前的主流控制器类别可分为以下几种:(1)串行处理结构,其中又可以分为单CPU集中控制和多CPU分布式控制。(2)并行处理结构,其中又可分为专用VLSI控制器、芯片式计算机控制器(如DSP),以及通用微处理器控制器。这两种控制器类型各有优劣,串行式控制器结构简单,实现成本较低;但功能单一,不能满足高速、高精度的控制要求。并行式控制器计算能力强大,但其容错率较差,运行要求较高。同时,现有的机器人控制器都存在着开放性差、扩展性差、软件独立性差、无网络功能的缺点。因此,开发一款开放式架构、采用工业以太网协议、模块化的工业机器人控制器十分重要。

具体来说,现有的控制器主要可以分为以下几种硬件架构:

(1)直接通过单片机构建运动控制器

单片机可以通过总线或者串口与主站交互,接受主站的控制指令,发送控制信号给电机驱动器。也可通过传感器接受反馈信号,并进行处理或向主站发送。这种方案的优点是成本低,但外围电路复杂,底层控制软件编写工作量大,同时,不能实现复杂算法的控制,且由于芯片及硬件的限制,控制器实时性较差。

(2)采用专用控制芯片构建运动控制器

专用控制芯片将运动控制的电路转移到芯片内部,大大提高了系统的集成度,对于不同类型电机的控制,需要使用不同的专用控制芯片,因此提高系统的实时性和可靠性。但专用控制芯片价格昂贵,增大了系统的开发成本,并且通用性差,开发周期长,开放性较低,二次开发难度较高。

(3)采用PC和微处理器构建运动控制器

这类运动控制器将PC作为上位机,进行控制系统调度和数据处理,在PC上利用高级语言编程,可以制作出相应的控制软件,方便用户对运动控制系统的控制和二次开发。而微处理器作为下位机来控制电机的运动,这类系通用性比较高,但其实时性由PC里面的系统决定。如果是非实时操作系统如Windows,则实时性较差;同时难以应对复杂的算法如多浮点计算等场合。多用于控制器的模拟与仿真。

(4)采用高速处理器(DSP)构建运动控制器

这类运动控制器的架构模式是目前的主流架构,高速处理器通常特指DSP芯片,实现复杂的运动控制算法,实时性和可靠性都比较好,但由于DSP的逻辑功能较差、而且I/O口数量比较少,因此系统集成度不高,体积较大,通用性一般。

(5)采用高速处理器(DSP)和可编程逻辑器件(FPGA)构建运动控制器

这类运动控制器将高速处理器强大的数据处理能力与可编程逻辑器件强大的逻辑控制能力结合起來,既能保证运动控制器的实时性和可靠性,也能够提高其集成度以及通用性。本设计所采用的DSP和FPGA所结合的架构就属于这种类型的运动控制器。

从机器人控制器总线的角度来看,如上文所述,工业机器人为满足各种现场工艺,以及不同的开发移植需求,要求控制系统具有更好的开放性,以适应不同类型的输入以及输出情况、支持不同的结构和多种控制任务。目前来说,工业机器人主要应用于焊接、搬运、装配以及切割等,对轮廓跟踪精度和算法重复性要求极高的领域,因此,工业机器人的控制系统需要具有较好实时性。这对各控制器的总线方案提出了较高的要求。

目前来看,现场总线方案广泛的被用于复杂度较高的控制系统中,如工业机器人。

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