开源IgH EtherCAT主站在LinuxCNC开放式数控系统中的应用研究

为了实现成本低廉,设计便捷、灵活、易扩展的数控系统,搭建基于EtherCAT通信总线与PC机的纯软件数控系统,并对该系统的实时性能进行了试验测试。以低成本工控机作为上位机,并集成好开源数控系统LinuxCNC软件的Linux RTAI(Real-Time Application Interface)实时操作系统,下载搭建EtherCAT主从站通讯框架,实现了PC上位机即EtherCAT主站与伺服驱动器即EtherCAT从站之间的通信,完成多轴数控系统测试平台的搭建。运用WireShark软件进行数控系统的实时性测试。实验结果表明,该数控系统的平均传输时间为47.7μs,最大值为779μs,最小值为0.2μs。很好地满足了数控系统要求响应时间在1 ms及以下的实时性要求,因此该方案集成EtherCAT的LinuxCNC可以用于工业机器人与通用数控机床等自动运动控制系统。

基于LinuxCNC的三次B样条曲线算法研究

为使开放式数控系统Linux CNC具有精确加工自由曲线的能力,研究了B样条曲线的数学模型及其插补原理,提出了三次B样条曲线算法,分析了Linux CNC的Motion层原理,提出了在Linux CNC系统中实现B样条曲线算法的设计步骤。实验仿真结果表明:B样条插补算法能在Linux CNC系统中实现自由曲线的加工,并在预览界面中显示出较好的曲线加工效果。

基于LinuxCNC数控系统和EtherCAT总线的复杂异型孔激光加工机床的开发与应用

为了实现航空发动机涡轮叶片复杂异型气膜冷却孔的精密低损伤加工,开发了一种基于LinuxCNC开源数控系统和EtherCAT通讯总线技术,具有5个机械轴和二个光学轴的激光加工机床。文章详细介绍了机床整体方案设计、五轴运动系统设计、激光及光学系统设计、CCD视觉定位与自动聚焦系统设计、控制系统设计及软件开发与集成设计等内容。试验结果表明,该机床直线轴重复定位精度和旋转轴重复定位精度分别优于5μm和5arcsec,技术指标达到设计要求,并可实现复杂曲面上复杂气膜冷却孔阵列的低损伤制备。

基于ROS和LinuxCNC的工业机器人控制系统开发

针对传统工业机器人控制系统开放性差、内部结构复杂和技术升级困难等弊端,在保证系统实时性和稳定性的前提下,构建了基于ROS和Linux CNC的工业机器人控制系统软件架构。根据系统的功能要求和所选平台的特点,软件分为三部分:任务调度模块、实时任务模块和Ether CAT主站模块。通过实验证明原型控制系统具备控制工业机器人完成基本工作的能力。

基于LinuxCNC的EtherCAT主站研究

LinuxCNC是一款开源实时数控系统,可应用于工业机器人的伺服控制等领域,但其本身并没有实现任何与下层设备的通信功能。因此,若想利用该系统作为上位机软件,需另外扩展其与下位机的通信模块。介绍了一种通过扩展LinuxCNC的HAL模块来实现EtherCAT实时工业以太网主站的设计方法,从而实现整个系统的上位机和下位机通信。详细阐述了主站各个模块的功能和工作原理,并给出了其具体实现的步骤。实验结果表明,用该方法实现的EtherCAT主站可以稳定高效地运行在LinuxCNC数控系统上。

基于LinuxCNC的开放式弯管机数控系统

基于开源数控系统LinuxCNC开发了适用于弯管机的数控系统,给出了系统软硬件架构及控制系统软件的设计方法,最后通过实际应用展示了系统的正确性和可靠性。实践表明该系统是一个结构简单、功能全面、经济实用的开放式数控弯管机控制系统。

基于新S型速度规划的B样条曲线算法研究

为使基于LinuxCNC开放式焊接机器人系统具有精确轨迹运行和加工自由曲线的能力,提出了新型速度控制算法,并基于该新型速度控制算法完成B样条曲线的数学模型及其插补原理分析,提出了3次B样条曲线瞬时速度插补算法,分析了LinuxCNC的Motion层原理,给出了在LinuxCNC系统中实现B样条曲线算法的设计步骤。实验仿真结果表明:B样条插补算法能在LinuxCNC系统中实现自由曲线的轨迹运行,并在预览界面中显示出较好的曲线行走效果。

具有双插补避障功能的七关节机械臂控制系统研究

具有更多自由度的七关节机械臂在保证末端运动位姿的前提下,可实现更好的避障轨迹设计,但是给控制系统研发带来很大难题。针对此问题,首先从传统的冗余机械臂运动控制算法出发,建立基于梯度投影法的逆运动学方程;然后,针对其不足,结合六关节机械臂的解析解方法,提出了一种新的既可以避免机械臂腕部碰撞,又可以对机械臂上指定点运动位姿进行监测的双插补算法,实现了具有主动避障与碰撞监测的实时运动控制算法。最后,搭建了七关节机械臂和与之配套的软硬件控制平台,开发了实时的三维仿真软件,并通过实验验证了所提算法的正确性与有效性。

基于VERICUT数字孪生的柔性生产单元研究

基于VERICUT数字孪生的柔性生产单元,能够快速响应市场需求变化,充分发挥设备潜能。采用免费、开源的LinuxCNC数控系统,提出数字孪生平台的系统架构,分析数字孪生平台的基本功能。通过构建柔性生产单元模型,完成系统输入、输出数据的虚实同步映射,重构车间设备柔性,提高设备的适应能力。

五轴连续纤维3D打印机及其数控系统开发

为了解决传统三轴连续纤维3D打印复杂轨迹精确成型困难的问题,设计搭建了五轴连续纤维3D打印机,该3D打印机具有5个联动轴(XYZBC)以及1个树脂螺杆挤出装置辅助轴。针对典型的3D打印控制方案存在可联动轴数少、可扩展性差、实时性差等问题,对全软件型开放式数控系统进行了研究,并将其应用于连续纤维增材制造领域。基于开源数控平台LinuxCNC及EtherCAT工业以太网设计开发了面向五轴连续纤维3D打印机的全软件型开放式数控系统。通过优化RT–Preempt实时内核、开发集成IgH–EtherCAT的HAL模块,完成五轴联动控制,并将螺杆挤出轴作为主轴以实现其转速的精准控制。经测试,用户层与内核层调度最大抖动控制在5μs以内,集成EtherCAT的数控系统最大抖动<50μs,实时性较好。最后通过标准拉伸性能试验和空间点阵结构的成型试验验证了五轴连续纤维3D打印系统方案的可行性。

面向六关节机器人的位置域控制

多轴联动下的串联多关节工业机器人在空间轨迹运动时,在时间上保证各关节轴单独具有良好的跟踪性能,而由于机械电气的迟滞效应,并不能完全保证理想的轮廓轨迹,这说明各个伺服轴的运动在几何空间中的同步非常重要.针对运动指令与实际位置之间的迟滞所带来的机器人末端轮廓精度不高的问题,本文结合工业机器人现有的运动学和动力学以及传统的PID控制理论,研究了六关节机器人位置域控制算法.将机器人空间轮廓轨迹的控制,通过采用主−从运动关系实时建立的方法,将时域中的各个伺服关节的同步控制方法,变换到位置域的各个伺服关节的主−从跟随的控制方法,在实现位置域的同步控制的同时,引入基于位置域的PD控制,减少了主−从跟随控制的跟随误差,从而整体提高机器人末端的轮廓运动精度.该方法在Linux CNC(Computerized Numerical Control)数控系统上,以某公司HSR-JR605机器人为对象进行了实验,证明采用位置域控制方法对六关节机器人空间运动轨迹精度的提高有积极作用.

激光加工中控制技术的研究

激光加工中控制技术是利用激光对材料的去除加工与运动数控系统完美结合。随着计算机技术、多轴运动控制技术不断发展,在激光加工中应用也越来越多,激光加工对材料要求很宽泛,对传统的方法难以加工的硬脆材料,有很好的解决方案,同时激光加工具有快速、高效、污染小等优势。为提高激光加工的效率,激光加工与高速、高精度运动系统结合越来越多,对运动系统要求也大幅提高。在这种情况下,本文研究激光加工中控制技术,简要介绍目前激光加工控制技术现状及存在问题,针对一些问题现状,阐述了基于LinuxCNC的实时运动控制系统。

基于EtherCAT总线的涂胶机器人控制系统设计

针对塑料产品由于涂胶不均匀导致成品粘合不牢固、不平整的质量问题,提出了基于EtherCAT总线的涂胶机器人控制系统。基于倍福公司EtherCAT技术设计了涂胶可控通信涂胶机器人的控制系统,采用EtherCAT总线实现实时通信;提出了基于LinuxCNC开发的硬件抽象层的主站部分软件体系;从站部分采用倍福公司的通信芯片ET1100和三星公司的从站控制芯片S3C2440A。应用结果表明:该设计可方便进行设备升级,提高了系统的实时性。该系统大幅度提高了设备生产的良品率。