北航機(jī)電本科課程設(shè)計(jì)二自由度平面運(yùn)動位置伺服系統(tǒng)方案

1、課程設(shè)計(jì)報(bào)告兩自由度平面運(yùn)動位置伺服系統(tǒng)學(xué)院(系)名稱自動化學(xué)院專業(yè)名稱機(jī)電控制學(xué)生教師兩自由度平面運(yùn)動位置伺服系統(tǒng)摘要本文試圖設(shè)計(jì)一種具有高精度和良好動態(tài)響應(yīng)的二自由度平面伺服系統(tǒng)。該系統(tǒng)工作在一個垂直平面內(nèi)，分為Z軸子系統(tǒng)和Y軸子系統(tǒng)，可在其軸上獨(dú)立直線運(yùn)動，使負(fù)載能到達(dá)預(yù)定平面區(qū)域內(nèi)的任意位置。通過上位機(jī)的人機(jī)界面，操作人員可以命令負(fù)載移動到特定位置，也可以使系統(tǒng)進(jìn)入連續(xù)正弦或脈沖自動運(yùn)行狀態(tài)。同時，下位機(jī)與上位機(jī)配合工作。下位機(jī)收到上位機(jī)的控制指令后，通過控制箱驅(qū)動直線電機(jī)快速平穩(wěn)地到達(dá)預(yù)定位置，其精度和動態(tài)響應(yīng)指標(biāo)應(yīng)滿足任務(wù)書的要求。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們選擇了高精度的直線滑軌和具有

2、良好動態(tài)特性的直線永磁電機(jī)。采用碳纖維方管模具，包裹多層碳纖維雙向編織布和鈦金箔，形成垂直平面框架，保證導(dǎo)軌和電機(jī)安裝平面的剛度和重量限制。下位機(jī)采用速度環(huán)和電流環(huán)雙閉環(huán)PID控制，大大提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能。通過matlab仿真分析，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)滿足要求。強(qiáng)度方面做了簡單的校核，后續(xù)還需要ANSYS有限元分析等工作，不在本文涉及。這種兩自由度平面伺服系統(tǒng)將按以下順序介紹:總體方案制定、導(dǎo)軌選擇、電機(jī)選擇、光柵尺選擇、框架梁設(shè)計(jì)、控制方案設(shè)計(jì)、matlab仿真。關(guān)鍵詞:二維平面伺服系統(tǒng)直線電機(jī)目錄TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _RefHeading_Toc27

3、7583866 1.課程設(shè)計(jì)題目分析 HYPERLINK l _RefHeading_Toc277583867 1.1選題的背景4 HYPERLINK l _RefHeading_Toc277583868 1.2技術(shù)分析4 HYPERLINK l _RefHeading_Toc277583869 1.3報(bào)告主要容和本人主要工作5 HYPERLINK l _RefHeading_Toc277583870 2.系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) HYPERLINK l _RefHeading_Toc277583871 2.1總體方案確定6 HYPERLINK l _RefHeading_Toc277583872 2

4、.2直線導(dǎo)軌的選型與計(jì)算7 HYPERLINK l _RefHeading_Toc277583873 2.3直線電機(jī)的選型與參數(shù)計(jì)算8 HYPERLINK l _RefHeading_Toc277583874 2.4光柵尺選型：11 HYPERLINK l _RefHeading_Toc277583875 2.5框架橫梁的設(shè)計(jì)12 HYPERLINK l _RefHeading_Toc277583876 2.6控制方案設(shè)計(jì)14 HYPERLINK l _RefHeading_Toc277583877 2.7物理平臺結(jié)構(gòu)SOLIDWORKS建模181.課程設(shè)計(jì)主題分析1.1選題背景根據(jù)課程設(shè)計(jì)項(xiàng)

5、目的要求，需要設(shè)計(jì)一部二自由度平面伺服系統(tǒng)，工作平面為豎直平面。系統(tǒng)由運(yùn)動伺服系統(tǒng)物理平臺、動力機(jī)構(gòu)、傳感器和控制柜等部分組成。其技術(shù)指標(biāo)要求如下：指標(biāo)：負(fù)載不大于行程水平；垂直Y、Z兩軸的垂直度最大速度Y、Z方向最大加速度Y、Z方向位置精度Y、Z方向讀出精度Y、Z方向頻響（） Y、Z方向1.2技術(shù)分析難點(diǎn)和關(guān)鍵問題：對于本系統(tǒng)而言，保證優(yōu)良的動態(tài)響應(yīng)，剛度要求和精確的定位是相對較困難的。系統(tǒng)Z軸跨度超過兩米，Y軸超過三米，而導(dǎo)軌，直線電機(jī)，負(fù)載等部件慣量較大，容易造成導(dǎo)軌，平面梁結(jié)構(gòu)的扭曲變形和爬行現(xiàn)象。而為了保證良好的動態(tài)特性，系統(tǒng)應(yīng)該可以忍受較大的加速度，承力結(jié)構(gòu)又不得不盡量輕并且有較大

6、的剛度。這些都為材料的選擇，部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，加工，安裝精度提出了很高的要求。1.3報(bào)告的主要內(nèi)容和我的主要工作本文從總體方案的制定、直線導(dǎo)軌的選擇、直線電機(jī)的選擇、框架梁的設(shè)計(jì)、材料的選擇、控制方案的設(shè)計(jì)以及matlab仿真等方面，報(bào)告并展示了本課題組二自由度平面伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成果。我在組里主要負(fù)責(zé)總體方案確定、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電機(jī)和導(dǎo)軌選型等工作，也參與其他設(shè)計(jì)和材料整理工作。2.系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)。2.1總體方案確定運(yùn)動伺服系統(tǒng)物理平臺的作用是安裝和承載運(yùn)動伺服機(jī)構(gòu)；平臺的結(jié)構(gòu)布局主要在鉛垂平面(Y-Z平面)，由鋼桁架和運(yùn)動伺服機(jī)構(gòu)組成。運(yùn)動伺服系統(tǒng)分別分為Y軸和Z軸。軸:成品直線電機(jī)平臺直線

7、度好，集成度高，但不符合重量要求。經(jīng)過討論，我們決定仍然采用直線電機(jī)放在中間，兩邊放光導(dǎo)軌的方案。電機(jī)導(dǎo)軌鋪設(shè)在碳纖維框架上，保證平整度和剛性。Y軸:Y軸運(yùn)動機(jī)構(gòu)的寬度與Z軸交叉，距離大。很多直線電機(jī)的控制難度太高，很難保證同步。因此，Y軸采用兩側(cè)布置直線導(dǎo)軌，中間放置直線電機(jī)平臺的方式。直線電機(jī)和導(dǎo)軌鋪設(shè)在碳纖維Y軸“天”架上。為了避免爬行現(xiàn)象，Z軸橫梁的兩端在Y方向拉伸形成工字形，在其四個頂點(diǎn)放置Y軸滑軌，從而極大地抑制了沿X軸方向的旋轉(zhuǎn)。采用高精度光柵尺測量位移，滿足測量精度要求?？刂葡到y(tǒng)采用上下位機(jī)的形式。上位機(jī)決定運(yùn)行參數(shù)并輸出控制指令，并將期望坐標(biāo)給下位機(jī)。下位機(jī)實(shí)現(xiàn)PID算法，并

8、將信號輸出到電機(jī)驅(qū)動箱。光柵尺采集系統(tǒng)的運(yùn)動位置并反饋給上位機(jī)，上位機(jī)顯示兩個運(yùn)動軸的實(shí)際位置及其與初始指令設(shè)定位置的誤差。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖(1)所示。圖(1)2.2直線導(dǎo)軌的選擇和計(jì)算2.2.1導(dǎo)軌運(yùn)行方案的初步確定直線導(dǎo)軌采用HIWIN公司的EG系列直線導(dǎo)軌。EG系列采用四排鋼球承載，使其具有高剛性、高負(fù)荷的特點(diǎn)。同時具有四個方向等載荷的特性，具有自動自對準(zhǔn)功能，可以吸收安裝面的裝配誤差，滿足高精度的要求。此外，組合高度降低，滑塊長度縮短，非常適合高速自動化工業(yè)機(jī)械和空間要求小的設(shè)備。滑軌結(jié)構(gòu)如圖(2)所示:圖(二)Wineg系列滑軌可配置單滑軌和多滑塊，極大地限制了垂直工作臺沿軸向的扭

9、轉(zhuǎn)量。由于我們一個方向使用24個滑軌，單滑軌雙滑塊已經(jīng)限制了扭轉(zhuǎn)自由度，所以方案決定盡量采用單滑軌雙滑塊的簡單布局，以降低裝配和安裝孔定位的難度。滑塊的裝配圖如圖(3)所示:圖(三)2.2.2導(dǎo)軌參數(shù)計(jì)算考慮到綜合載荷，我們選擇了HIWIN公司的EG系列EGH15SA導(dǎo)軌滑塊組。下面的參數(shù)表:導(dǎo)軌模型滑塊質(zhì)量(千克)導(dǎo)軌的單位質(zhì)量(千克/米)EGH15SA從而估計(jì)導(dǎo)軌滑塊的重量:上部Z軸導(dǎo)軌的預(yù)計(jì)長度小于2.5m，兩個滑軌組的總重量:下Y軸導(dǎo)軌的預(yù)計(jì)長度小于3.5m，兩個滑軌組的總重量:2.3直線電機(jī)的選擇和參數(shù)計(jì)算選擇直線電機(jī)時，首要考慮的是直線電機(jī)能否滿足系統(tǒng)要求的速度和推力。在啟動階段，

10、直線電機(jī)處于恒定推力狀態(tài)。隨著速度的增加，推力基本不變，保持最大值。當(dāng)速度達(dá)到V時，直線電機(jī)進(jìn)入恒功率狀態(tài)。此時，如果速度繼續(xù)增加，推力將減小，直到最小值F min，此時線性電機(jī)的速度達(dá)到最大速度V max。直線電機(jī)特性曲線如圖(4)所示:圖(4)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，Y軸和Z軸上的最大速度為，最大加速度為，載荷小于5Kg，載荷安裝平臺的估計(jì)質(zhì)量為3.4Kg，因此，Y軸和Z軸電機(jī)所需的最大推力計(jì)算如下:z軸:Z軸在垂直方向，當(dāng)負(fù)載逆著重力向上運(yùn)動，達(dá)到系統(tǒng)要求的最大加速度時，電機(jī)的最大推力出現(xiàn)。牛頓定律:電機(jī)選用如下:HIWIN公司LMS13同步直線電機(jī)連續(xù)推力和瞬時最大推力。F-V特性如下圖(5)所

11、示:圖(五)LMS13直線電機(jī)的安裝尺寸如圖(6)所示:圖6y軸:Y軸直線電機(jī)的最大推力出現(xiàn)在Z軸機(jī)構(gòu)向左或向右達(dá)到最大加速度時。添加到Y(jié)軸直線電機(jī)上的負(fù)載重量包括:Z軸上的直線電機(jī)、Z軸上的有效負(fù)載、負(fù)載平臺、Z軸上的兩個導(dǎo)軌和一個工字梁。工字梁的估計(jì)重量為1.5千克.根據(jù)牛頓定律，計(jì)算Y軸電機(jī)需要的最大輸出力:電機(jī)選用:HIWIN公司的LMS27同步直線電機(jī)，連續(xù)推力=339N，瞬時最大推力=679N，可以滿足加速要求。F-V特性如圖(7)所示:圖7LMS27同步直線電機(jī)的安裝尺寸如圖8所示。圖(8)2.4光柵尺的選擇:不同精度等級的光柵尺有其相應(yīng)的應(yīng)用最大長度。為了滿足設(shè)計(jì)分辨率和長度要

12、求，在查閱光柵尺選型手冊后，我們選用了海德公司生產(chǎn)的LS176光柵尺，其技術(shù)指標(biāo)如下表所示:光柵尺模型最大測量長度最大運(yùn)行速度工作溫度精確LS1763040毫米2米/秒050LS176光柵尺的安裝尺寸如圖9所示:圖92.5框架梁的設(shè)計(jì)2.5.1 Z軸縱梁設(shè)計(jì)z軸縱梁設(shè)計(jì)要求:(a)高強(qiáng)度和剛性-Z軸上的縱梁，跨度超過2m，連接Y軸和Z軸的兩個運(yùn)動，承受兩個方向的彎矩:(1)沿x軸的彎矩:y軸直線電機(jī)推力；y軸導(dǎo)軌摩擦力；y軸負(fù)載慣性矩；(2)沿Y軸的彎矩:Y軸直線電機(jī)初級和次級之間的電磁引力；z軸直線電機(jī)的重力矩；z軸導(dǎo)軌組件和負(fù)載力矩；z軸負(fù)載慣性矩。(b)重量很輕Z軸縱梁作為Y軸直線電機(jī)的

13、主要負(fù)載之一，直接關(guān)系到Y(jié)軸直線電機(jī)的推力和Y軸運(yùn)動的頻率響應(yīng)。基于以上原因，我們決定Z軸縱梁采用碳纖維Kevlar鈦金箔復(fù)合型材。在此過程中，使用了碳纖維雙向編織布和防彈纖維。為了降低模具成本，采用成品碳纖維方管模具，用多層碳纖維雙向編織布和鈦金箔包裹。最后整塊面料包裹數(shù)次，高溫成型。為了適應(yīng)導(dǎo)軌的安裝，碳纖維凱夫拉鈦金箔復(fù)合型材采用磨床加工，滿足精度要求。在結(jié)構(gòu)上，碳纖維凱夫拉合成型材充分利用了碳纖維材料的各向異性和單向突出的力學(xué)性能。金箔是各向同性的，厚度只有0.0226 mm，可以很好的消除Z軸縱梁上的應(yīng)力集中。碳纖維型材的示意結(jié)構(gòu)如圖(10)所示:圖(10)Z軸縱梁跨度兩米多，其兩端

14、沿Y軸運(yùn)動的同步性是一大設(shè)計(jì)難點(diǎn)。為了降低控制難度，提高可靠性，降低成本，本方案的Y軸采用單個直線電機(jī)驅(qū)動。但可能會導(dǎo)致導(dǎo)軌爬行的問題。該方案采用三種措施來防止爬行:(1)通過增加Z軸縱梁與Y軸導(dǎo)軌滑塊之間的連接剛度:HIWIN EG系列滾珠直線導(dǎo)軌采用單軌雙滑塊設(shè)計(jì)，每組兩個或四個滑塊，兩個軌道之間的間距自由設(shè)計(jì)，有效優(yōu)化了架設(shè)在軌道上的平臺的運(yùn)行特性，防止爬行現(xiàn)象。(2)在整個運(yùn)動伺服機(jī)構(gòu)的中心高度處增加一組導(dǎo)軌，Y軸直線電機(jī)鋪設(shè)在上面，使Z軸縱梁因?qū)к壞Σ梁蚙軸載荷變化而產(chǎn)生的變形大大減小。(3)橫向加寬橫梁兩端，類似工字形，以增加同一導(dǎo)軌上兩個滑塊之間的距離，減少滑塊與導(dǎo)軌之間的間隙引

15、起的沿X軸的轉(zhuǎn)動間隙。Z軸光束的俯視效果如圖(11)所示:圖(11)2.5.2 Y軸梁設(shè)計(jì):y軸跨度超過3m，對強(qiáng)度和剛度要求也很高。Z軸梁和Y軸梁也采用碳纖維Kevlar鈦金箔復(fù)合型材。為了解決爬行問題，Z軸橫梁設(shè)計(jì)提出的第二點(diǎn)是在中間高度加一根橫梁，形成“日式”結(jié)構(gòu)。我們把直線電機(jī)放在中間高度的橫梁上，靠近電機(jī)定子兩側(cè)對稱布置兩根直線導(dǎo)軌，限制電機(jī)的直線運(yùn)動。上梁和下梁上分別安裝有直線導(dǎo)軌，承載Z軸工字梁的四個頂點(diǎn)。俯視效果如圖(12)所示:圖(12)2.5.3載荷安裝座的設(shè)計(jì)為了減輕Z軸直線電機(jī)的負(fù)載質(zhì)量，與Z軸縱梁一樣，采用碳纖維Kevlar鈦金箔復(fù)合材料，加工成碳纖維板。2.6控制方

16、案設(shè)計(jì)2.6.1電機(jī)驅(qū)動模式直線電機(jī)由IGBT電壓源逆變器供電，并進(jìn)行PWM調(diào)制。雖然是電壓源逆變器，但是直接控制的是電流。一般采用的控制策略，使電磁推力與成線性關(guān)系。2.6.2電機(jī)和負(fù)載建模由于伺服系統(tǒng)的Y軸和Z軸之間基本沒有耦合關(guān)系，因此可以分別將這兩個軸作為控制對象。但這兩個控制對象的信號流是一樣的，只是參數(shù)不同，所以可以用同一個動態(tài)結(jié)構(gòu)圖來表示。根據(jù)電機(jī)電壓和電流的關(guān)系，得到電氣部分的傳遞函數(shù):推力是從電流和推力之間的關(guān)系得到的。推力和位移的關(guān)系由牛頓定律得到；拉普拉斯變換為當(dāng)忽略導(dǎo)軌的阻尼力(B=0)時，簡化如下:所選的電機(jī)物理參數(shù)如下:電機(jī)型號電樞電阻() ()電樞電感()(mH)

17、電機(jī)常數(shù)()(北美/)動態(tài)質(zhì)量()(千克)定子質(zhì)量()(千克/米)LMS133.43419.41.84.2LMS276.26431.84.16.2兩臺電機(jī)上的負(fù)載重量為:z軸:y軸:2.6.3下位機(jī)控制流程設(shè)計(jì)bSPID下位機(jī)采用PID組成的電流和速度雙閉環(huán)控制。因此，各軸的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖(13)bSPID圖(13):位置輸入值:位置輸出值:位置環(huán)增益系數(shù):電流環(huán)比例放大系數(shù):電機(jī)電樞電阻:機(jī)電樞軸電感m:作用在直線電機(jī)上的質(zhì)量:電機(jī)常數(shù)上位機(jī)控制上位機(jī)可以輸入控制命令，定時讀取系統(tǒng)位置，計(jì)算并顯示誤差。和圖像保存等輔助操作。上位機(jī)采用Windows XP等32位操作系統(tǒng)，界面友好，操作方便。軟件的功能包括提供正弦波、三角波、方波命令并顯示命令曲線、手動輸入命令、分別顯示Y軸、Z軸命令和位置反饋(即實(shí)際位置)、強(qiáng)制回中心、保存數(shù)據(jù)和圖像等輔助功能。軟件采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒?，用C+語言編程。軟件界面如圖(14)所示:圖(14)Matlab仿真質(zhì)量、電機(jī)參數(shù)等。進(jìn)入模型，用Simulink繪制動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖(15)所示:圖(15)通過調(diào)整PID參