CT多轴运动控制系统的研究与实现
这是一篇关于CT,多轴运动控制,FPGA,路径规划,改进人工势场算法的论文, 主要内容为随着CT技术的发展,对CT机性能的要求越来越高。CT机要求CT扫描床与CT旋转扫描架能够实现高精度和高速度的多轴运动控制。现阶段,基于单轴运动或是基于PLC/单片机来实现CT扫描床与CT旋转扫描架的多轴运动控制的几种方案已满足不了CT运动控制的需求。本设计采用以FPGA核心板作为主控单元,设计出一款控制精度高、运行速度快的基于CT扫描床路径规划的CT多轴运动控制系统。本文的主要研究内容如下:首先,明确CT多轴运动控制系统的功能需求和性能指标。根据系统需求及性能指标进行CT多轴运动控制系统方案设计。先对比了国内目前CT运动控制系统的方案,指出了其中的不足,在此基础上提出了本文采用FPGA核心板作为主控单元实现CT的多轴运动控制方案。其次,对CT多轴运动控制系统进行硬件设计。对关键器件FPGA核心板、伺服驱动器、伺服电机及编码器进行选型。根据CT多轴运动控制系统需要的功能模块,对FPGA外围电路及其接口电路进行设计,在PCB editor上完成了PCB设计。然后,对CT多轴运动系统软件进行软件设计。采用自上而下的设计思路,从顶层模块向下划分各功能模块,包括RS485通信逻辑设计、编码器反馈模块设计、脉冲输出模块设计、以及I/O输入输出模块,对各功能模块进行了原理阐述及设计。再次,对CT扫描床路径规划算法进行研究。提出了基于改进人工势场算法的CT扫描床路径规划算法。首先对传统人工势场算法的局限性进行分析,然后通过优化引力函数、斥力函数解决传统人工势场算法中目标不可达问题,通过引进虚拟扫描床位置点解决局部最优解问题。最后在matlab中进行仿真实验,证明了该算法在CT多轴运动控制系统中的可行性和有效性。最后,搭建CT多轴运动控制系统验证平台,进行了基本电路、通信可靠性、伺服控制测试及分析与运动控制系统功能测试及分析。实验结果表明,本课题研究的CT多轴运动控制系统符合功能需求,能够实现特殊部位的精确扫描,减少CT球管放线剂量,减少射线对人体的伤害。
CT多轴运动控制系统的研究与实现
这是一篇关于CT,多轴运动控制,FPGA,路径规划,改进人工势场算法的论文, 主要内容为随着CT技术的发展,对CT机性能的要求越来越高。CT机要求CT扫描床与CT旋转扫描架能够实现高精度和高速度的多轴运动控制。现阶段,基于单轴运动或是基于PLC/单片机来实现CT扫描床与CT旋转扫描架的多轴运动控制的几种方案已满足不了CT运动控制的需求。本设计采用以FPGA核心板作为主控单元,设计出一款控制精度高、运行速度快的基于CT扫描床路径规划的CT多轴运动控制系统。本文的主要研究内容如下:首先,明确CT多轴运动控制系统的功能需求和性能指标。根据系统需求及性能指标进行CT多轴运动控制系统方案设计。先对比了国内目前CT运动控制系统的方案,指出了其中的不足,在此基础上提出了本文采用FPGA核心板作为主控单元实现CT的多轴运动控制方案。其次,对CT多轴运动控制系统进行硬件设计。对关键器件FPGA核心板、伺服驱动器、伺服电机及编码器进行选型。根据CT多轴运动控制系统需要的功能模块,对FPGA外围电路及其接口电路进行设计,在PCB editor上完成了PCB设计。然后,对CT多轴运动系统软件进行软件设计。采用自上而下的设计思路,从顶层模块向下划分各功能模块,包括RS485通信逻辑设计、编码器反馈模块设计、脉冲输出模块设计、以及I/O输入输出模块,对各功能模块进行了原理阐述及设计。再次,对CT扫描床路径规划算法进行研究。提出了基于改进人工势场算法的CT扫描床路径规划算法。首先对传统人工势场算法的局限性进行分析,然后通过优化引力函数、斥力函数解决传统人工势场算法中目标不可达问题,通过引进虚拟扫描床位置点解决局部最优解问题。最后在matlab中进行仿真实验,证明了该算法在CT多轴运动控制系统中的可行性和有效性。最后,搭建CT多轴运动控制系统验证平台,进行了基本电路、通信可靠性、伺服控制测试及分析与运动控制系统功能测试及分析。实验结果表明,本课题研究的CT多轴运动控制系统符合功能需求,能够实现特殊部位的精确扫描,减少CT球管放线剂量,减少射线对人体的伤害。
基于EtherCAT的四边封包装机控制系统设计
这是一篇关于四边封包装机,以太网现场总线,电子凸轮,多轴运动控制的论文, 主要内容为四边封包装机是由多个伺服电机组成的一种联动装置,能够自动地完成物料包装所需的一系列动作。因其操作简单、自动化性能好、生产效率高,已广泛应用于医药、日化、餐饮等领域中。然而,目前四边封包装机仍存在多轴执行机构协同性差、生产柔性低、维护时间长等问题,直接影响产品包装的效率和质量。随着国内伺服控制技术的大幅提升,对包装机械的性能提出更高的要求。针对现有四边封包装机在生产过程中存在的问题,开发一套具有通用、可靠、实用的控制系统,旨在提高四边封包装机的生产效率和精度。主要工作如下:(1)研究了四边封包装机机构组成和生产流程,明确设备性能指标和功能需求,在此基础上提出一种基于EtherCAT总线的控制系统方案,该方案采用三级递阶式结构将整个控制系统分为交互层、控制层、执行层三个层级,各层级之间采用通信总线方式进行数据通信,在性能、实时性和拓展性具备显著优势。(2)分析了四边封包装机薄膜热封控制过程和横切膜控制过程,明确薄膜热封和横切膜的同步控制要求。针对常规四边封包装机制袋精度不高和柔性差的现状,引入电子凸轮软件模块,采用五次多项式电子凸轮曲线设计多轴执行机构的运行过程轨迹,解决多轴执行机构在位置和速度上的协同匹配问题,并可实现柔性化加工,适应不同的加工产品。(3)设计与开发了四边封包装机控制系统的软硬件。硬件平台采用ARM主控加开源主站的方案,搭建一套低成本、灵活性高的EtherCAT主控板,围绕ARM主控芯片,设计各个功能模块,包括电源模块、通信模块、数字量输入输出模块等。在软件开发方面,开发下位机主控系统程序,包括EtherCAT主站通信程序,实现与伺服系统的交互;参数交互程序,实现与上位机进行数据交互;运动控制单元程序,实现各轴执行机构的运动控制。(4)最后在软硬件设计的基础上,搭建四边封包装机控制系统测试平台。功能测试和实际应用结果表明,本文研究的四边封包装机控制系统能够实现精准、高效率的包装,达到设计预期,具有较好的工程应用价值。
基于EtherCAT的四边封包装机控制系统设计
这是一篇关于四边封包装机,以太网现场总线,电子凸轮,多轴运动控制的论文, 主要内容为四边封包装机是由多个伺服电机组成的一种联动装置,能够自动地完成物料包装所需的一系列动作。因其操作简单、自动化性能好、生产效率高,已广泛应用于医药、日化、餐饮等领域中。然而,目前四边封包装机仍存在多轴执行机构协同性差、生产柔性低、维护时间长等问题,直接影响产品包装的效率和质量。随着国内伺服控制技术的大幅提升,对包装机械的性能提出更高的要求。针对现有四边封包装机在生产过程中存在的问题,开发一套具有通用、可靠、实用的控制系统,旨在提高四边封包装机的生产效率和精度。主要工作如下:(1)研究了四边封包装机机构组成和生产流程,明确设备性能指标和功能需求,在此基础上提出一种基于EtherCAT总线的控制系统方案,该方案采用三级递阶式结构将整个控制系统分为交互层、控制层、执行层三个层级,各层级之间采用通信总线方式进行数据通信,在性能、实时性和拓展性具备显著优势。(2)分析了四边封包装机薄膜热封控制过程和横切膜控制过程,明确薄膜热封和横切膜的同步控制要求。针对常规四边封包装机制袋精度不高和柔性差的现状,引入电子凸轮软件模块,采用五次多项式电子凸轮曲线设计多轴执行机构的运行过程轨迹,解决多轴执行机构在位置和速度上的协同匹配问题,并可实现柔性化加工,适应不同的加工产品。(3)设计与开发了四边封包装机控制系统的软硬件。硬件平台采用ARM主控加开源主站的方案,搭建一套低成本、灵活性高的EtherCAT主控板,围绕ARM主控芯片,设计各个功能模块,包括电源模块、通信模块、数字量输入输出模块等。在软件开发方面,开发下位机主控系统程序,包括EtherCAT主站通信程序,实现与伺服系统的交互;参数交互程序,实现与上位机进行数据交互;运动控制单元程序,实现各轴执行机构的运动控制。(4)最后在软硬件设计的基础上,搭建四边封包装机控制系统测试平台。功能测试和实际应用结果表明,本文研究的四边封包装机控制系统能够实现精准、高效率的包装,达到设计预期,具有较好的工程应用价值。
基于FPGA+ARM架构的超精密多轴运动控制技术研究
这是一篇关于多轴运动控制,速度规划,均匀B样条插补,加减速控制,Endat接口的论文, 主要内容为无论是数控系统还是机器人控制领域,都要求多轴运动控制系统能够实现高精度、高平稳性、高效率的运动控制。一个高性能的运动控制系统需要从许多方面来保证,如高精度的位置传感器,响应快、跟随误差小的控制环路,以及高性能的插补和加减速控制模块。传统的基于步进电机的运动控制器常常采用基于脉冲增量的粗插补、精插补两级插补,通过向多轴不断输出步进脉冲实现运动控制,控制环路为开环设计,没有考虑到步进电机失步的情况,控制精度难以达到微米级。在高精度运动控制系统中,常采用交流永磁同步电机,因为其具有效率高、输出转矩平稳的优点而适用于高精度运动控制系统,且需要采用高精度的位置反馈设计。对于由交流永磁同步电机构成的运动控制系统,其内部为数字式的伺服运动控制系统,控制器直接将位置坐标传递到控制环路的位置环输入端,精插补是通过位置采样实现的,也就是由闭环控制过程本身的特性实现的。首先,本文基于多轴数控铣削加工系统的原理,设计了运动控制器的硬件电路、驱动器选取、运动轴电机的选型。运动控制器硬件电路采用ARM+FPGA的架构设计,ARM用于实现与上位机的数据交换、插补和控制功能;由于ARM不适合实现接口协议、增量式PID控制和数字滤波器模块,因此在硬件电路中增加了FPGA芯片,它具有高度灵活、可并行高速运算的优点,用于弥补ARM微控制器的不足。其次,在FPGA中实现光栅编码器协议、位置速度控制环路和数字滤波器模块。Endat接口是海德汉公司设计用于高精度光栅编码器的接口,将光栅编码器的接口部分通过FPGA实现,避免了不必要的接口转接。在FPGA中设计加减速控制模块、基于抗饱和积分PID控制的位置环路和速度环路,并在位置和速度环路之间设计陷波滤波器,用于滤除机械谐振。再次,针对数字式的伺服运动控制系统需要采用基于时间分割法的直线、圆弧插补方法,然后设计相应的位置采样模块。对于一些复杂的曲面,计算机辅助设计(CAD)常常采用非均匀有理B样条(Non-Uniform Rational B-Spline,NURBS)曲线来描述,如果使用CAM软件用微小直线段逼近NURBS曲线,在微小直线段之间出会出现频繁起停,使得运动不连贯,加工效率低下,且逼近效果较差。因此针对NURBS曲线设计了专门的插补算法实现其插补。最后,对多轴运动控制系统的误差产生的原因和影响因素进行了分析,并通过实验验证了多轴运动控制系统的控制精度符合设计要求。
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