工业机器人伺服电机控制及运动控制系统研究

摘要

工业机器人是衡量一个国家工业自动化水平的重要体现。工业零件的加工中，现场生产条件恶劣，且有很大的安全隐患。工业机器人可以将人类从繁重、恶劣的工作环境中部分解脱出来。本课题针对石油化工领域的钢制球形储罐设计了曲面板切割机器人，对其伺服控制系统和轨迹插补算法进行了详细的研究。仿真验证设计结果并进行现场调试，验证设计的可行性。
　　本文以机器人视觉伺服控制系统为研究核心，搭建机器人的运动控制系统。机器人检测装置为结构光视觉，用以检测目标对象的位姿变化。机器人的执行器为永磁同步电机(PMSM)，建立永磁同步电机的矢量控制模型，设计了基于矢量控制的PMSM三闭环伺服控制系统。依据工程实际要求，考虑电机伺服控制系统的跟随性和抗扰性，对电流环、速度环、位置环各调节器的参数进行设计。课题研究的工业机器人是在恶劣的工业环境中工作，抗干扰性是控制系统设计的关键。对永磁同步电机伺服控制系统的设计进行仿真实验，验证各调节器参数的设计，给出仿真结果。
　　轨迹插补算法是机器人运动控制器的核心。课题使用的DMC2610运动控制卡可以直接进行简单的直线和圆弧插补，满足部分轨迹插补的要求。但简单直线、圆弧组合而成的曲线难以满足复杂曲线、曲面的要求。样条插补算法不仅能够精确统一地表示出解析曲线，还能用来描述自由曲线。非均匀有理B样条(NURBS)插补算法可以用来精确表达自由曲线，阶次越高，表达越准确，计算量越大。本文在NURBS算法基础上提出了变步长轨迹插补算法，依曲线曲率的不同进行不同步长的插补运动，兼顾插补算法的速度和精度。对插补算法的设计进行了仿真和现场调试，验证了插补算法设计的合理性。
　　本文设计的工业机器人运动控制系统稳定性高、实时性好，并且有很强的抗干扰能力。工业现场的调试结果表明，设计的工业机器人可以满足工程需要的精度和工作速度，能够经受长期连续工作的考验。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 工业机器人技术的发展现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章 控制系统总体设计

2.1 机械结构及误差补偿

2.2 运动控制系统设计

2.3 视觉系统的标定

2.4 本章小结

第3章 永磁同步电机伺服控制系统设计

3.1 永磁同步电机控制系统组成

3.2 永磁同步电机数学模型及矢量控制策略

3.3 永磁同步电机伺服控制器的设计

3.4 系统仿真

3.5 本章小结

第4章 变步长轨迹插补算法研究

4.1 轨迹曲线与插补理论概述

4.2 非均匀有理B样条曲线研究

4.3 变步长非均匀有理B样条插补算法

4.4 仿真实验

4.5 本章小结

第5章 控制系统软件设计

5.1 软件总体架构

5.2 主功能模块

5.3 辅助功能模块

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢