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文档简介

本科生毕业论文2016 年 6 月 10 日毕业论文任务书题目:基于单片机接口板的五轴机床数控系统开发一、原始依据(包括设计或论文的工作基础、研究条件、应用环境、工作目的等。 )虽然目前市场有已有成熟的中低成本五轴数控机床,例如基于 Mach3 数控软件和 USB 接口板(主频 260MHz)的多轴控制系统,但是这类系统对于机器人爱好者来说仍然相对昂贵,更重要的是这类系统比较封闭,难以进行二次开发,特别是无法加入机器人逆解算法,也难以进行传感器集成。另一方面,基于 LinuxCNC 开源数控系统和并口板卡的方案成本低廉,开放性好,但是需要采用具备 PCI 插槽的工控机,配置麻烦而且体积过大。因此有必要研究容易与笔记本电脑或者无风扇微型工控机集成的低成本数控系统。当前,采用 Arduino 板卡进行小型机器人控制在机器人爱好者中成为热点。为了更好地培养本科生的机器人控制系统开发思维,故提出采用 Arduino 板卡作为接口板卡实现多自由度机器人(或机床)控制系统开发。现有的工作基础是:2014 届本科毕业设计“仿人机器人头部控制系统开发”中完成了多自由度机器人头部控制,通过 Arduino 板卡实现了电机正反转、步进电机位置控制等实验,但运动平滑性还有问题。研究条件:桌面型五轴机床本体、Arduino 板卡、相应的步进电机和驱动器、工控机、V-Rep 软件。工作目的:训练学生利用现有的低端控制卡资源,探索和熟悉低端机器人控制系统开发,开拓一条训练机械专业本科生控制系统开发能力的有益途径。具体来说,训练学生熟练应用以太网通信编程进行工控数据交换,训练学生进行 V-Rep 离线编程软件中的机床本体建模和运动轨迹编程。基本要求:要求初步掌握较新的机器人控制系统开发技术,掌握步进电机及驱动板的工作原理。二、参考文献1 Campbell RAA, OpenStage: A low-cost motorized microscope stage with sub-micron positioning accuracy, y. PLoS ONE 9(2): e88977. doi:10.1371/journal.pone.00889772 Freese M, Virtual Robot Experimentation Platform V-REP: A Versatile 3D Robot SimulatorDB/OL, www.v-rep.eu3 Ierusalimschy R, Chapter 3: The C Application Program Interface, in Lua 5.1 Reference Manual DB/OL, /manual/5.1/manual.html4 Arduino 网站DB/OL, http:/www.Arduino.cc5 Wheat D, Arduino Internals, Apress, 2011.6 Schmidt M, Arduino A quick start guide M. The Pragmatic Bookshelf Press, 2011.7 The Reprap Project DB/OL, /projects/reprap/files/Arduino Firmware/v1.38 Mariamole 集成开发环境开源项目DB/OL, /projects/mariamole/9 Warren J D, Adams J, Molle H, Arduino Robotics M. Technology in Action Press, 2010.10 McCauley M. The Online Document of AccelStepper Library for Arduino, DB/OL /teensy/td_libs_AccelStepper.html .au/mikem/arduino/AccelStepper/11 Igoe T, Chapter 11: Protocols Revisited, in Making Things Talk, 2nd Edition, OReilly Press, 2011三、设计(研究)内容和要求(包括设计或研究内容、主要指标与技术参数,并根据课题性质对学生提出具体要求。 )1. 研究内容研究基于 Arduino 接口板卡的机器人实时控制系统开发相关问题,包括(1) 研究 V-Rep 软件与 Arduino 板卡之间的以太网通信程序开发;(2) 进行以太网通信协议的优选,对比 Modbus TCP、 RESTduino、 LuaSocket 等协议,以及研究自定义二进制通信协议;(3) 研究在 Arduino 中实现多台步进电机脉冲同步的算法;2. 主要指标与技术参数(1) 在 V-Rep 软件中建立五轴机床模型并进行加工过程的动态仿真。(2) 完成 AccelStepper 库和 Reprap Arduino 库全部源码的结构和功能分析;(3) 实现 V-Rep 与 Arduino 之间通信连接,合理定义 V-Rep 与 Arduino 之间通信的协议,实现控制周期为 10ms/25ms 的开环控制。(4) 完成机床整机电缆接线;(5) 进行塑料件或木材的雕刻加工。3. 具体要求(1) 搭建“工控机-Arduino 板卡-步进电机驱动器-五轴机床”试验平台,进行基本的示范加工;(2) 提交开题报告(不少于 2 千字) ;提交翻译文献(不少于 5 千汉字) ;提交毕业论文(不少于 1.5 万字)指导教师(签字)年 月 日审题小组组长(签字)年 月 日天津大学本科生毕业设计(论文)开题报告课题名称 基于单片机接口板的五轴机床数控系统开发学院名称 机械工程学院 专业名称机械设计制造及其自动化学生姓名 指导教师1. 课题来源及意义虽然目前市场有已有成熟的中低成本五轴数控机床,例如基于 Mach3 数控软件和 USB 接口板(主频 260MHz)的多轴控制系统,但是这类系统对于机器人爱好者来说仍然相对昂贵,更重要的是这类系统比较封闭,难以进行二次开发,特别是无法加入机器人逆解算法,也难以进行传感器集成。另一方面,基于 LinuxCNC 开源数控系统和并口板卡的方案成本低廉,开放性好,但是需要采用具备 PCI 插槽的工控机,配置麻烦而且体积过大。因此有必要研究容易与笔记本电脑或者无风扇微型工控机集成的低成本数控系统。当前,采用 Arduino 板卡进行小型机器人控制在机器人爱好者中成为热点。为了更好地培养本科生的机器人控制系统开发思维,故提出采用Arduino 板卡作为接口板卡实现多自由度机器人(或机床)控制系统开发。现有的工作基础是:2014 届本科毕业设计“仿人机器人头部控制系统开发”中完成了多自由度机器人头部控制,通过 Arduino 板卡实现了电机正反转、步进电机位置控制等实验,但运动平滑性还有问题。研究条件:桌面型五轴机床本体、Arduino 板卡、相应的步进电机和驱动器、工控机、V-Rep 软件。工作目的:训练学生利用现有的低端控制卡资源,探索和熟悉低端机器人控制系统开发,开拓一条训练机械专业本科生控制系统开发能力的有益途径。具体来说,训练学生熟练应用以太网通信编程进行工控数据交换,训练学生进行 V-Rep 离线编程软件中的机床本体建模和运动轨迹编程。基本要求:要求初步掌握较新的机器人控制系统开发技术,掌握步进电机及驱动板的工作原理。2. 国内外发展状况 纵观国内外,数控技术从诞生至今,前后经历了五个发展阶段,即电子管数控、晶体管数控、中小规模 IC 数控、小型计算机数控、微处理器数控。目前数控系统的发展进入了一个良性的发展模式,即主板以超大集成电路板为主,处理器以单片机或 PLC 为主,控制核心单元以 PC 机专业软件系统为主的发展模式。我国从 1958 年起,由一批科研院所、高等学校和少数机床厂起步进行数控系统的研制和开发,但当时收效甚微。改革开放后,我国数控技术逐步取得实质性的发展。通过引进国外技术,消化吸收和科技攻关,使得我国的数控技术有了质的飞跃,数控制造业进入了高速发展的阶段,许多机床厂从传统产品实现向数控化产品的转型。但总的来说,技术水平不高,质量尚不佳。“九五”以后国家从扩大内需启动机床市场,加强限制进口数控设备的审批,投资重点支持关键数控系统、设备、技术攻关,对数控设备生产起到了很大的促进作用。目前国产数控系统主要为经济型(多采用单片机开发) ,而我国高档数控市场的 95%仍被国外公司占据,如日本的法拉克,德国的西门子等。但是我国机床研发的进展远远不能跟随工业发展的需求,同时一些中低端机床的成本也过高,相对于国外的同类产品,完全没有竞争力,所以本课题的低成本机床的操作系统开发,可以在很大程度上打破这个尴尬局面。我们提出一个完整的低成本的阶段机动化解决方案包括使用硬件驱动系统和独立的控制器单元。控制器和机动化硬件的成本在 1000 美元以下,这比同类便宜大约 10 倍商业产品,我们系统识别的开源 Arduino 单片机为核心 1。通过Arduino 单片机的应用于五轴机床,可以很大程度上降低其成本。3. 课题的研究内容和目标1) 研究内容研究基于 Arduino 接口板卡的机器人实时控制系统开发相关问题,包括(1) 研究 V-Rep 软件与 Arduino 板卡之间的以太网通信程序开发;(2) 进行以太网通信协议的优选,对比 Modbus TCP、 RESTduino、 LuaSocket 等协议,以及研究自定义二进制通信协议;(3) 研究在 Arduino 中实现多台步进电机脉冲同步的算法;2) 主要指标与技术参数(1) 在 V-Rep 软件中建立五轴机床模型并进行加工过程的动态仿真。(2) 完成 AccelStepper 库和 Reprap Arduino 库全部源码的结构和功能分析;(3) 实现 V-Rep 与 Arduino 之间通信连接,合理定义 V-Rep 与 Arduino 之间通信的协议,实现控制周期为 10ms/25ms 的开环控制。(4) 完成机床整机电缆接线;(5) 进行塑料件或木材的雕刻加工。3) 具体要求(1) 搭建“工控机-Arduino 板卡- 步进电机驱动器-五轴机床”试验平台,进行基本的示范加工;(2) 提交开题报告(不少于 2 千字) ;提交翻译文献(不少于 5 千汉字) ;提交毕业论文(不少于 1.5 万字)4. 研究方法和手段 本课题的研究内容要求参与者有较强的动手能力以及学习能力。课题的前期需要参阅大量的资料(包含很多英文资料) ,可以充分利用网络资源以及网络翻译工具,学习编译语言以及学习 AccelStepper,如有可能,研究AccelStepper 的二次开发,因为上位机发下来的数据可以包含期望的关节位置和时间标签,而在 Arduino 里面实现轨迹和速度的平滑,需要发挥自己的创造性。课题中期在 V-Rep 中构建模型,编写语言,进行测试并实现加工仿真。课题后期进行系统测试并撰写论文。5. 进度安排2016 年 12 月,学习并熟悉 arduino 控制卡以及其编程语言,学习熟悉V-Rep 软件。2016 年 34 月,完成开题报告。选购 Arduino Due 板卡、舵机控制机器人及其配套设备,并通过 Arduino 板卡进行控制舵机机器人完成既定汉字的书写。学习 AccelStepper,在 V-Rep 中建立五轴机床的模型,并实现加工仿真。2016 年 5 月,开发 Arduino 板卡程序,解释关节转角,并将转角增量以脉冲方式输出到步进电机驱动器。利用 V-Rep 的 Lua 脚本语言接口开发Socket 通信程序(或者 Modbus 通信程序,将 V-Rep 作为 Modbus 主站) 。2016 年 6 月,通过连接组装的五轴机床,进行最终测试,实现机床运动流畅平滑,并完成既定的功能。撰写论文。6. 参考文献12 Campbell RAA, OpenStage: A low-cost motorized microscope stage with sub-micron positioning accuracy, y. PLoS ONE 9(2): e88977. doi:10.1371/journal.pone.008897713 Freese M, Virtual Robot Experimentation Platform V-REP: A Versatile 3D Robot SimulatorDB/OL, www.v-rep.eu14 Ierusalimschy R, Chapter 3: The C Application Program Interface, in Lua 5.1 Reference Manual DB/OL, /manual/5.1/manual.html15 Arduino 网站DB/OL, http:/www.Arduino.cc16 Wheat D, Arduino Internals, Apress, 2011.17 Schmidt M, Arduino A quick start guide M. The Pragmatic Bookshelf Press, 2011.18 The Reprap Project DB/OL, /projects/reprap/files/Arduino Firmware/v1.319 Mariamole 集成开发环境开源项目 DB/OL, /projects/mariamole/20 Warren J D, Adams J, Molle H, Arduino Robotics M. Technology in Action Press, 2010.21 McCauley M. The Online Document of AccelStepper Library for Arduino, DB/OL /teensy/td_libs_AccelStepper.html .au/mikem/arduino/AccelStepper/22 Igoe T, Chapter 11: Protocols Revisited, in Making Things Talk, 2nd Edition, OReilly Press, 2011选题是否合适: 是 否课题能否实现: 能 不能指导教师(签字)年 月 日选题是否合适: 是 否课题能否实现: 能 不能审题小组组长(签字)年 月 日摘 要本文使用了 Arduino UNO 和 Arduino DUE 控制五轴机床并进行系统设计开发,实现 V-Rep 与 Arduino 之间通信,并通过开发 Arduino 控制程序,对五轴机床进行操控,并对走刀轨迹的优化以及步进电机的精准控制进行了深入的探究。论文的主要内容包括:(1) 在 V-Rep 软件中建立五轴机床三维模型并进行加工过程的动态仿真;(2) 完成 AccelStepper 库和 Reprap Arduino 库全部源码的结构和功能分析;(3) 实现 V-Rep 与 Arduino 之间通信连接,合理定义 V-Rep 与 Arduino 之间通信的协议,实现控制周期为 10ms/25ms 的开环控制。(4) 完成机床整机电缆接线,研究在 Arduino 中实现多台步进电机脉冲同步的算法,并使用;(5) 控制五轴机床使用塑料或木材进行试加工。关键词: Arduino;动态仿真;通信;V-rep;五轴机床控制系统;AccelStepperABSTRACTThis article uses the Arduino UNO and Arduino DUE axis machine control system design and development, implementation, and communication between the V-Rep Arduino, Arduino and through the development of control programs for five-axis machine tool control, and take the track and optimization tool stepper motor for precise in-depth inquiry.T

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