基于ethercat的工业机器人控制系统研究

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1、上海交通大学硕士学位论文基于EtherCAT的工业机器人控制系统研究硕士研究生：刘文涛学号：1110329010导师：翁正新副教授申请学位：工学硕士学科：控制科学与工程所在单位：电子信息与电气工程学院答辩日期：2014年5月授予学位单位：上海交通大学万方数据DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofMasterRESEARCHONTHECONTROLSYSTEMOFINDUSTRIALROBOTBASEDONETHERCATCandida

2、te：LIUWentaoStudentID:1110329010Supervisor：Prof.WENGZhengxinAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ControlScienceandEngineeringSchoolofElectronicInformationAffiliation：andElectricalEngineeringDateofDefence：May,2014Degree-Conferring-Institution：Sha

3、nghaiJiaoTongUniversity万方数据万方数据万方数据万方数据上海交通大学硕士学位论文基于EtherCAT的工业机器人控制系统研究摘要国际热核聚变实验堆计划是目前全球规模最大，影响最深远的国际科研合作项目之一，其装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托克马克，俗称“人造太阳”。为保证磁约束聚变装备的完好与正常运行，需要对其部件的性能状态进行在线监测与智能维护，由于核反应堆具有核辐射、高温等环境特点，因此其日常维护需要借助工业机器人才能实现。本项目设计了12自由度的工业机器人，模拟真实托克马克腔内的维护任务

4、，为实际工程应用提供理论基础与参考。本文研究了机器人的建模与轨迹规划问题，建立了基于EtherCAT总线的控制系统。主要工作如下：1.采用D-H方法进行了大臂和小臂关节的运动学建模与仿真，考虑到小臂的实时性和避障要求，使用三次样条插值进行了关节空间的轨迹规划。2.根据EtherCAT总线特点，构建了控制系统的主站和从站。主站以装有TwinCAT3软件的工业PC为核心，使用C++程序编写了关节运动控制算法，基于R3IO接口实现了C++程序和软件PLC模块的实时通信。从站由支持EtherCAT总线的伺服驱动器、电机、编码器以

5、及I/O模块组成，利用耦合模块实现了控制系统的网络拓扑和不同I万方数据上海交通大学硕士学位论文协议间的转换，设计了驱动器和电机、编码器的电路连接，通过驱动器端口实现了编码器信息的采集与反馈。3.基于搭建的机器人控制平台，进行了控制系统测试。采用Wireshark软件分析了网络的通信质量。测试结果表明轨迹规划算法适用于本文研究的机器人关节，EtherCAT网络具有很好的实时性和稳定性，在高速的数据交换中，网络延迟在μs级别，满足控制系统要求。关键词：工业机器人，运动学，三次样条插值，EtherCAT，TwinCAT3II万

6、方数据上海交通大学硕士学位论文RESEARCHONTHECONTROLSYSTEMOFINDUSTRIALROBOTBASEDONETHERCATABSTRACTITER(InternationalThermonuclearExperimentalReactor)isoneoftheworld'smostlargestandfar-reachinginternationalscientificresearchcooperationprojects,itsdeviceisthesuperconductingtokmakwh

7、ichcanproducelarge-scalefusionreaction,commonlyknownas"man-madesun".InordertoensuretheMCF(magneticconfinementfusion)equipmentingoodandnormalcondition,it’snecessarytocarryoutonlinemonitoringandintelligentmaintenancefortheperformancestatusofitscomponent.Thenuclearr

8、eactorhasradiation,hightemperature,soitsdailymaintenanceshouldberealizedwiththeaidofindustrialrobot.Theprojectdesignsaindustrialrobotwith12-degreefreedomtosimu