多轴联动运动控制算法与实现

📚 共计 30 章节

运动控制概述

运动控制系统的定义、发展历程、应用领域（数控机床、机器人、3D打印等）。

坐标系与运动学基础

笛卡尔坐标系、关节坐标系、工具坐标系；刚体运动描述（平移、旋转、齐次变换矩阵）。

数学坐标系

插补算法原理

直线插补（DDA法、逐点比较法）、圆弧插补（逐点比较法、数字积分法）、样条插补基础。

速度规划与控制

梯形速度曲线、S形速度曲线、加加速度（Jerk）约束、前瞻控制。

多轴联动同步控制

电子齿轮、电子凸轮、主从同步、虚拟主轴同步。

伺服驱动与电机选型

伺服电机工作原理、编码器反馈、扭矩/速度/位置三环控制、电机选型计算。

运动控制总线技术

EtherCAT、CANopen、Mechatrolink、Profinet 协议对比与选型。

PLCopen 运动控制标准

PLCopen 规范、单轴运动功能块（MC_Power, MC_MoveAbsolute）、多轴协调功能块。

点位运动控制

点到点运动（PTP）、绝对定位与相对定位、回零（Home）算法。

连续轨迹运动控制

连续轨迹（CP）运动、拐角过渡（Corner Blending）、速度前瞻与路径平滑。

G代码解析与执行

G代码标准（RS-274）、解析器设计、词法/语法分析、执行器架构。

机器人运动学（正解）

D-H参数法、正运动学推导、MATLAB/Python 仿真验证。

机器人正解

机器人运动学（逆解）

解析法（Pieper准则）、数值法（牛顿-拉夫森迭代）、多解选择策略。

机器人动力学基础

拉格朗日方程、牛顿-欧拉法、惯性矩阵、科里奥利力与离心力。

动力学建模

轨迹规划（关节空间）

三次多项式插值、五次多项式插值、梯形速度规划、B样条轨迹。

轨迹规划（笛卡尔空间）

直线轨迹、圆弧轨迹、空间直线与圆弧过渡、姿态插补（四元数SLERP）。

笛卡尔姿态

力控与柔顺控制

阻抗控制、导纳控制、力位混合控制、零力拖动（拖动示教）。

视觉引导运动控制

手眼标定（Eye-in-Hand / Eye-to-Hand）、2D/3D视觉定位、视觉伺服。

CNC 数控系统架构

CNC 系统分层架构（HMI、插补器、PLC、伺服驱动）、RTOS 选型。

3D打印运动控制

FDM 原理、G代码生成（Slicer）、加速度与挤出量协调、热床调平。

多轴联动误差补偿

几何误差、热误差、反向间隙补偿、摩擦补偿、前馈补偿。

实时操作系统与运动控制

RT-Linux、Xenomai、FreeRTOS 在运动控制中的应用、任务优先级设计。

运动控制卡与驱动器开发

基于 FPGA 的脉冲发生器、基于 DSP 的伺服算法、EtherCAT 从站开发。

安全运动控制

安全扭矩关断（STO）、安全限速（SLS）、安全限位（SLP）、功能安全标准（ISO 13849）。

多轴联动调试与优化

示波器调试（位置/速度/电流波形）、陷波滤波器、共振抑制、PID 参数整定。

运动控制仿真技术

MATLAB/Simulink 仿真、Gazebo 仿真、硬件在环（HIL）仿真。

工业机器人典型应用编程

焊接、搬运、码垛、喷涂的轨迹规划与工艺参数。

多轴联动运动控制项目实战

基于 EtherCAT 的 4 轴 SCARA 机器人控制项目（需求分析、架构设计、编码实现、调试）。

运动控制前沿技术

预测控制（MPC）、迭代学习控制（ILC）、自适应控制、AI 在运动控制中的应用。

课程总结与职业发展

运动控制工程师技能树、行业趋势、开源项目推荐（LinuxCNC、Grbl、Marlin）。