多自由度刀具测量平台运动控制技术研究

摘要

运动控制技术是刀具测量系统中的关键技术，它直接决定了刀具测量仪运动的平稳性和刀具参数测量的精度。本文针对Z轴的转动和移动以及X轴的转动控制设计了三自由度嵌入式运动控制系统，主要完成以下几个方面的研究:
　　首先，以“PC+运动控制器+步进电机”组成嵌入式运动控制系统，经过对Z轴转动和移动和X轴转动方案的分析，确定选用型号为STM32F103RC的ARM微处理器为运动控制系统的主控芯片。
　　其次，完成运动控制器的功能分析，并搭建运动控制系统的硬件平台，同时扩展存储模块和手轮脉冲发生器作为示教功能的外接设备。
　　然后，在单轴运动控制策略中，完成对速度控制策略和位置控制策略的研究以及对T型曲线算法和S型曲线算法的分析论证。在多轴协同运动控制策略中，完成运动轨迹规划、控制算法分析以及各运动电机的实时驱动等功能。
　　最后，完成对运动控制系统平台人机交互界面的设计与实现，具有如下功能:(1)PC机与运动控制器的通讯;(2)示教功能;(3)显示与自动保存功能;(4)手动与自动控制功能等。
　　实验测试结果满足运动控制系统功能的要求。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题来源及研究背景

1．1．1 课题来源

1．1．2 研究背景

1．2 国内外的研究现状

1．2．1 刀具测量仪的国内外发展现状

1．2．2 运动控制技术的国内外发展现状

1．3 研究的目的和意义

1．4 研究内容

2 刀具测量仪运动控制系统总体方案设计

2．1 系统的组成

2．2 系统的结构

2．3 系统的机械结构与部件选择

2．3．1 X轴转动

2．3．2 Z轴移动

2．3．3 Z轴转动

2．3．4 刀具测量仪结构装配

2．3．5 电源的选取

2．4 运动控制器

2．5 运动控制系统载物台的自动旋转

2．6 系统功能需求及指标

2．7 本章小结

3 运动控制系统硬件电路设计

3．1 嵌入式处理芯片

3．2 嵌入式处理芯片外围电路设计

3．2．1 电源电路

3．2．2 时钟电路

3．2．3 复位电路

3．2．4 下载电路

3．3 手轮脉冲发生器

3．4 驱动器接口电路设计

3．5 存储电路设计

3．6 通讯接口电路

3．7 限位接口电路设计

3．8 迪文DGUS显示屏

3．8．1 基础配置

3．8．2 软件构成

3．8．3 设计方案

3．9 运动控制系统PCB设计

3．9．1 元件库创建

3．9．2 原理图绘制

3．9．3 PCB板制作

3．10 本章小结

4 运动控制系统软件算法研究

4．1 单轴运动控制软件设计

4．1．1 速度控制策略

4．1．2 位置控制策略

4．2 多轴运动协调控制策略

4．2．1 运动学解

4．2．2 多自由度多轴联动控制

4．3 多自由度电动机位姿的描述

4．3．1 运动学分析中的基本变换

4．3．2 相邻构件间变换矩阵的建立方法

4．4 本章小结

5 运动控制系统上位机软件设计

5．1 串口通讯

5．1．1 搭建程序框架结构

5．1．2 部分变量以及函数

5．2 自动控制模式

5．3 手动控制模式

5．4 示教功能

5．5 显示功能

5．6 本章小结

6 运动控制系统的调试与实验

6．1 多自由度刀具测量运动控制平台实物图

6．2 电路调试

6．2．1 控制箱

6．2．2 手轮脉冲发生器信号测试

6．3 软件程序调试

6．3．1 PWM波形测试

6．3．2 S型曲线算法测试

6．3．3 上位机程序测试

6．3．4 下位机程序测试

6．4 控制精度

6．5 运动控制实时性分析

6．6 运动测量精度实验分析

6．7 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 后期展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

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