連桿混合驅(qū)動機構設計說明書

長春理工大學光電信息學院連桿混合驅(qū)動機構設計Research On The Hybrid-drive Linkage Mechanism學科:機械電子工程專業(yè):機械設計制造及其自動化姓名趙冬華導師:金洙龍教授日期:2010年5月論文題目: 連桿混合驅(qū)動機構設計論文摘要柔性自動化機械系統(tǒng)雖然有許多優(yōu)點，但投資大、控制難、維護費用高 ；傳統(tǒng)的機械系統(tǒng)雖然具有很高的承載能力，能很好地滿足高速大批量生產(chǎn)的要求， 但最大的不足是系統(tǒng)缺乏柔性。而混合驅(qū)動機構系統(tǒng)同時采用實時不可控電機 (主電機)和實時可控電機(伺服電機)作為其動力源，兩種類型的輸入運動通 過一個多自 機構合產(chǎn)生 要的輸 運動， 而大大地 傳動機械系統(tǒng)的性能， 、 、 、 自動機械 ，具有 的 用 合驅(qū)動機構 構最為 的 型機構是兩自 桿機構，文的是一有currency1“的兩自 桿機構。目 ，混合驅(qū)動機構的主要為機構可動性型合fi，fl 運動控制性能 。有fl 運動控制的，主要” 的能實， 點是fl 運動控制的可性，系統(tǒng)的控制輸 ，為能很好地采用而合的控制系統(tǒng)和控制 。 ， 題，文 fl 運動控制及性能fi 入的。 系統(tǒng)采用 伺服 動控制系統(tǒng)，要求電機 實時 ， 有 的 速 和高的 ，控制系統(tǒng)和控制 有高要求。過 地 ，最 采用最 控制系統(tǒng)， 好的 。，混合驅(qū)動連桿機構 ， 有構 采用金 制 ， 為金 高、 ， 制造。但金 大， 速運動時 產(chǎn)生大慣性力慣性力矩，尤其是 混合驅(qū)動連桿機構 ，大多 構 的質(zhì)心是作變速運動，產(chǎn)生的動載荷又難以完 平衡和消除， 而 fl 電機率就偏大，一般 達主電機率的30%以，fl 電機控制不利。 ，有必要尋找辦來克服混合驅(qū)動連桿機構 金 構桿慣性大的缺陷，降 負載，更好地滿足給曲線輸 運動要求。為，文分別采用金 、尼龍棒、酚醛棉布模 棒以及三維編復合 制作機構 最長的連桿構輕質(zhì) 優(yōu)化系統(tǒng)控制性能的影響。 明，輕質(zhì)的尼龍棒和層合復合 酚醛棉布模 棒有 提高系統(tǒng)控制性能；而三維編 復合 固化工藝限制，尺寸和剛性暫時滿足工業(yè)使用。為 提高系統(tǒng)的性能， 過程 時刻遵循可靠性設計的理念。 元器 選擇時，采用 高、可靠性好的元 ，如機構 的currency1“，采用 密滾珠絲杠。電路設計時，采用 抗干擾、提高可靠性的措施， 委托專業(yè)廠家將設計的電路制 PCB板。 為系統(tǒng) 體的良好打下 基礎。文章最 之 系統(tǒng) 的實驗 據(jù)， 詳盡的統(tǒng)計學分析。通過實驗 誤差 據(jù)的采集、系統(tǒng)誤差判別以及多元線性回歸分析，揭示 誤差的影響 素， 一有益的 論?；旌向?qū)動機構的設計 括運動設計、動力設計和控制設計三個fi。一fi, 設計相互影響和聯(lián),具有非常的耦合系。另一fi,各個設計fi的設計準、設1長春理工大學光電信息學院計目標卻有 差別。串設計是機構的運動設計、動力設計,最 再控制設計。設計是將機構的運動設計、動力設計和控制設計一 設計。 混合驅(qū)動平fi桿機構,分別采用串設計和 設計 不同的設計策略,盡管設計 采用的優(yōu)化 是 分化,但是設計 卻有 不同。串設計可以達 高的機構運動要求,但控制系統(tǒng)的設計 難,而控制 不好。 設計 的設計 是機構的運動控制 以 ,但是設計的 學模型變 復 ,機構的運動 有 下降。趙冬華(機械設計制造及其自動化)導師: 金龍教授 :混合驅(qū)動連桿機構、fl 運動、最 控制、 驗2長春理工大學光電信息學院AbstractTopic: Research On The Hybrid-drive Linkage MechanismAlthough with many advantages, Flexible mechanical system needsheavy investment. Traditional mechanical system fits for scale economy,but it is not flexible. By using uncontrollable motor and controllablemotor together, hybrid-drive mechanism combines two types of inputsand gets output needed, which makes it widely used in automationmachines.The simplest hybrid-drive mechanism is five-bar linkage mechanism,which is used in this dissertation as execution mechanism. Presentresearches focused mostly on the mechanism mobility. Among those whoresearched the auxiliary motion controlling, they emphasized not on thecontrol system performance but feasibility. In-depth research on thecontrol system is carried in this paper. The system discussed is an ACservo system, which needs high following precision. Through surveyingand comparing, the least beats and no wave control system is used tocontrol auxiliary motion to get good performance.Linkages are all made of metal iu1 present researches. Metal linkagesare cheap but heavy. It makes controlling more difficult. Approaches must be carried todeal with this problem. In this paper, metal material，nylon plastics,phenolic cotton cloth laminated and 3 一composite material isrespectively used as one of the 1inlages. We compare these four systemsto test the performance of light material in mechanism. We draw theconclusion thatnylon plastic and phenolic cotton cloth laminated tube arehelpful to control system. 3-D composite material cant be used in theindustry for the limiting of curing tech.For increasing the performance of whole system, reliability designmethod is applied throughout the paper.In the last of the paper, we collect the output error data of traditionalhybrid-drive linkage mechanism. Systematic error is proved existing bystatistical analysis. Multiple linear regression method is applied toanalysis systematic error, which leads to a satisfying model and anapproach to improve the output precision.eavy. Therefore, servomotor needs more power to driveThe design of a linkage with hybrid actuators involves three aspects. They are kinematic design, dynamic design and control design. On one hand, each of the aspects affects and relates to others. They are strongly coupled. On the other hand, they are different in design criteria and decision objective as well. In sequential design, the kinematic design is completed firstly, then the dynamic design, and finally the control design. Whereas in concurrent design, the optimizations of the three aspects are considered simulta.3長春理工大學光電信息學院Key words: Hybrid-drive Linkage Mechanism、Auxiliary Motion、Least Beats with No Wave Control System, Statistical AnalysisZhao donghua (Mechanical design and theory)Directed by Professor Jin zhulong4長春理工大學光電信息學院目 一章 論.”.101.1 混合驅(qū)動連桿機構 .101.2 連桿機構 . .1.3 題 . . . 141.4 題的 和實目標.14章混合驅(qū)動連桿機構. . . 202.1 混合驅(qū)動連桿機構 . .202.2 混合驅(qū)動連桿機構運動分析. . .23三章 伺服 動控制系統(tǒng). 293.1 伺服系統(tǒng)的 . .293.2 控制系統(tǒng)類型選擇.313.3 控制選擇，.333.4 最 控制系統(tǒng)的設計 . .353.5 最 控制的 實. .393.6 程 設計 個 要題.41章 系統(tǒng)及抗干擾 施. . . .454.1 系統(tǒng). . . . .454.2 抗干擾措施. . . .494.3 制作PCB板. . . .53章 文 及 . . . . .865.1 文 . . . . . 865,2 . . .87. .88. .905長春理工大學光電信息學院一章 論1 1混合驅(qū)動連桿機構 柔性自動化機械系統(tǒng)雖然有許多優(yōu)點，但投資大、控制難、維護費用高；傳統(tǒng)的機械系統(tǒng)雖然具有很高的承載能力，能很好地滿足高速大批量生產(chǎn)的要求，但最大的不足是系統(tǒng)缺乏柔性，是機械輸 運動 變就 機械機構的currency1尺寸 變，而 種 變通常很 難。1.5 混合驅(qū)動連桿機構連桿機構 地 用 業(yè)、 、 型機械、“金、 密機械 業(yè) 。連桿機構具有很多優(yōu)點:承載能力；工制造；通過 變桿長相系可實不同運動fi。但是連桿機構 實運動fi。fl 機構的優(yōu)點 :要設計 fl 線，可實給運動fi，而機構 。但是fl 機構 ，不具通用性，制造 高?；旌向?qū)動連桿機構合 連桿機構和fl 機構的優(yōu)，不”工，承載，而具 的輸 運動。章主要 題的實驗 、設計目標， 通過 MATLAB 混合驅(qū)動連桿機構的運動學分析，計 fl 電機控制的桿長變化fi，而使混合驅(qū)動連桿機構實給輸 fi?；旌向?qū)動連桿機構 合驅(qū)動機構是一個多自 機構，同時采用實時不可控電機(常電機)和實時可控電機(伺服電機)作為其動力源。 型的混合驅(qū)動曲 連桿機構如2-1 示。 可，機構是兩自 機構。主電機驅(qū)動AB桿以固運動fi(通常為速) 動，fl 電機通過currency1“將復 動變?yōu)閯?以fi 變桿長l，可使桿DE的輸 運動能準 實給運動fi。 題 的混合驅(qū)動連桿機構據(jù)2-1的機構 型設計工而 ，各尺寸如下:a=40 mm, b = 390.2 mm, d=400 mm, e = 69.4 mm, = 8.80。題 用實驗 的系統(tǒng) 構如2-2 示。6長春理工大學光電信息學院其 ，主電機1有變速器驅(qū)動，過 2和傳動大 3速，驅(qū)動主4及曲 5。曲 5(桿a)采用偏心，通過主 6動連桿7(桿b)，再 “ 8動連桿9(e桿)，而9桿10桿(桿l)為currency1“連 ，10桿為滾珠絲杠，fl 電機11的固 ；fl電機的 為 的，其 托 12連 ，托 動13通過 固，的另一 可 負載15。主的一 有光電 生器14a13為輸 ，通過fl 電機 l桿長 的實時變化，使13的輸 運動實給運動fi。13 有電 計，通過 量電 計的電 變化，一個 將其 為 輸 曲線。系統(tǒng)主要 構 如下:1.主電機 電機廠生產(chǎn)的1.5 三相電動機一 。2.fl 電機及驅(qū)動器下 MINAS 伺服電動機一 。 矩:2.4N.最大 矩:6.9N.型 :MSM082A1；率:750W；m； 速:3000r1/nin；最高 速:驅(qū)動器型 :MSD083A1X，電機自 量編 器，分 率為2500P/ro3.主電機光電編 器MEMICON光電編 器一個。型 :OVW-06-2MC；分 率:600PPR；最大響 率 :200KUz.； 驅(qū)動:集電輸 ；最高 速:5000r/minx4. 機及 器AEDKS 196 器及UPH552用 系統(tǒng)一 。自作 LCA for DOS一 。給輸 曲線為 實驗 ，文選 論文24和論文25相同的輸 曲線。7長春理工大學光電信息學院目 ，生產(chǎn)實 大量 求的機械系統(tǒng)不”要高 、大負載地高速運 ，而要能滿足使用合的柔性要求，造又 。 種能以高的速 、高、 高負載地運 ，又能提 一 圍的柔性的多自 機構被稱為“混合驅(qū)動機械系統(tǒng)”currency1稱“混合驅(qū)動機構”( 1-1) 1 。系統(tǒng)同時采用實時不可控電機(主電機)和實時可控電機(伺 服電機)作為其動力源，不可控電機為系統(tǒng)提 主要的動力，可控電機起運動 作用。 兩種類型的輸入運動通過一個多自 機構合 產(chǎn)生 要的輸 運動。 而混合驅(qū)動大大地 傳動機械系統(tǒng)的性負載能， 、 、 、 自動機械 ，1-1 自 混合驅(qū)動機械系統(tǒng)具有 的 用 景。采用不同的混合驅(qū)動機械系統(tǒng) 構案可以產(chǎn)生不同的運動fi。如用差速器作為運動合 機構，驅(qū)動一個曲 機構可實變fi的復運動z。如 用兩自 七桿機構作為混合驅(qū)動機構可以產(chǎn)生 的 動輸 30混合驅(qū)動機構 構最為 的 型機構是兩自 桿機構。8長春理工大學光電信息學院混合驅(qū)動系統(tǒng)的是90年代初始。 英國學者Tokuz首次提 Hybridmachine的 念 4 。目 ，有兩自 混合驅(qū)動桿機構的理論以其運動可動性條 多。廖漢元 5 和李佳 6 兩自 機構的運動可動性條 ， 兩自 桿機構的曲 存 條 7 。張 華 8 、益奇9, 10廖漢元11、李保生12 國13 學者 兩自 混合驅(qū)動機構的型合，通過排列搭配構 和運動“ 機構來實機構的創(chuàng) 設計。 Ting1415, 16. 17. 18 平fi 鏈機構的運動可動性 理。周雙林19和 國20混合驅(qū)動桿機構的完 分類 。程光蘊21 兩自 連桿機構 實平fi軌跡，白英22 再圓弧軌跡的兩自 桿機構優(yōu)化設計。 混合驅(qū)動連桿機構fl 運動控制及性能，國 。高馨23混合驅(qū)動連桿機構fl 運動機構作 初的:她 型的曲 連桿機構逼近設計，. 以 fl 運動 的 量，通過采用區(qū)域靈敏 ， 機構fl 運動的 合設置 置和 參 。文提 三種設計模型，給 相 fl 運動 的控制fi。沈玉娟24以混合驅(qū)動曲 搖桿機構準 實給運動fi為例，闡 機構fl 運動的 構控制的實。她選 電控，采用PLC實 fl 運動 伺服電機的控制。同時，文提 一種 的動力學分析， 設計、工、 試相 實驗 ， 實驗驗證。劉素平25采用 機控制 伺服電機的來控制fl運動，實給曲線的輸 。同時，文多輸入多輸 下的混合驅(qū)動連桿機構動力學分析，導 其一般程。目 合驅(qū)動連桿機構fl 運動控制的主要是” 的能實， 點討論的是fl 運動控制的可性，而 系統(tǒng)的控制輸 ，為能很好地采用而合的控制系統(tǒng)和控制 ， 而 的 合驅(qū)動連桿機構的實際輸 運動fi的 不盡如人 ，存 的誤差大。1.2連桿的敘 連桿機構 兩 分別主動和動構 鉸 以傳遞運動和力的桿 。例如 復活塞動力機械和 縮機 ，用連桿來連 活塞曲 。連桿多為鋼 ，其主體部分的截fi多為圓currency1工 ，兩 有孔，孔 有青銅襯 currency1滾承， 入 而構 鉸 。連桿是汽車 動機 的 要零 ，它連 著活塞和曲，其作用是將活塞的復運動 變?yōu)榍?運動， 把作用 活塞的力傳給曲以輸 率。連桿 工作 ，除承受燃燒室燃氣產(chǎn)生的 力 ，要承受縱向和橫向的慣性力。 ，連桿 一個復 的 力狀態(tài)下工作。它受 變的拉 力、又受彎曲 力。連桿的主要壞是疲勞斷裂和過量變。通常疲勞斷裂的部 是 連桿的三個高 力區(qū)域。連桿的工作條 要求連桿具有高的 和抗疲勞性能；又要求具有足的鋼性和韌性。傳統(tǒng)連桿工工藝其 一般采用45鋼、40rcurrency1 40MnB 質(zhì)鋼，但 國 采用的連桿裂解（conrod fracture splitting）的工技術要求其脆性大， 更高， ，以德國汽車企業(yè)生產(chǎn)的 型連桿 如C70S6高碳 合金非 質(zhì)鋼、 SPLITASCO 系列 鋼、FRACTIM 鋼和S53CV-FS 鋼 (以為德國din標準)。合金鋼雖具有很高 ，擔 力集 很敏感。 以， 連桿 、過 圓 fi 嚴要求， fi工質(zhì)量以提高疲勞 ，否高 合金鋼的 用 不能達 預期 。 驅(qū)動 用動力推動 ；動； 動9長春理工大學光電信息學院1。2. 1空間連桿機構spatial linkage若干剛性構 通過 “（ 動“、動“）聯(lián) ，而各構 各點的運動平fi相互不平的機構，又稱空間 “機構。 空間連桿機構 ，機 相連的構 常相固的線 動、動，currency1作又 又的運動，也可繞某點作復 動；其余不機 相連的連桿一般作復 的空間運動。利用空間連桿機構可將一的 動 變?yōu)槿?的 動currency1任 向的動，也可將某向的動 變?yōu)槿?的 動，可實剛體的某種空間currency1使連桿某點軌跡近似 某空間曲線。平fi連桿機構相，空間連桿機構常有 構 、運動多 、工作靈活可靠 點，但設計 難，制造復 ?？臻g連桿機構常 用業(yè)機械、輕工機械、 機械、 通運輸機械、機 、工業(yè)機器人、 和 機起 。空間連桿機構常 自 空間 鏈機構 , 但是 著工業(yè)機器人和 技術的 , 多自 空間鏈機構也有不 用 。 自 平fi連桿機構 4 個動“ , 而 自 空間連桿機構 動“ 為 7 個 , 空間七桿機構?？臻g連桿機構 采用多自 的運動“如 fi“currency1圓 “時， 構 可 而 的空間 桿機構currency1三桿機構。為 明空間連桿機構的 類型 , 常用 R 、 P 、 C 、 S 、 H 分別示 動“、動“、圓 “、 fi“、currency1“。一般空間連桿機構機 相連的運動“始， 次用其 的一 來示。常用空間 桿機構的 類型有 RSSR 、 RRSS 、 RSSP 和 RSCS 機構機構 有兩個 fi“ , 構 ，但繞兩 心連線自 動的 部自 影響高速性能。 有 動“線 一點的 fi 桿機構 , 也是一種 用 的空間連桿機構，如 向聯(lián)機構。 ，有某 空間連桿機構，如 機構，其運動“線 和構 尺 要求滿足某 系。運動分析和合 空間連桿機構的分析合平fi連桿機構復 難， 很大程 影響空間連桿機構的推 用。空間連桿機構的有以 為基礎的解和運用向量、 、矩 和張量 學工具的解析。解有一的 限性， 用多的是 電子計 機運 的解析?？臻g連桿機構分析 要而又 難的題是 分析。多 4 桿的空間連桿機構， 輸入求輸 時 間運動變量不 currency1消 ，一般要用 代聯(lián)解多個非線性程currency1求解高次代 程。最難分析的空間 7R 機構， 輸入求輸 的代 程高達 32 次?？臻g連桿機構運動合的基題是 主動 運動fi一時，要求連 動 能若干 置currency1近似 某 系運動； 要求連桿能 若干空間 置態(tài)運動而實空間剛體的導；要求連桿某點能近似給空間曲線運動。 題和平fi連桿機構的合題相 ， 以平fi的 currency1理論可解析地推 空間剛體的導題和其運動合題。 “有利用機構 性 同條 設計程和采用優(yōu)化技術 合。fi fl fl 平fi連桿機構 平fi連桿機構是 若干個剛性構 用平fi “連 構 的機構, 用 各種機械設。下工作fi的主要護設如: 護 、承 護 和 的 構 是用 、 連桿、 護和”相連 ,和 ,構 一個平fi連桿機構的。1和2 示為兩種常用 一、構 。 平fi10長春理工大學光電信息學院連桿機構的要求 實際受力狀態(tài)非常復 ,常受 非稱載荷的能,保 橫向 性和 體剛性分 要。 為 力構 ,不具有承受大橫向載荷的能力。 的橫向載荷能靠 連桿機構承受。雙 線機構又稱 連桿機構,是 的主要 機構,其主要能是保證 的縱向和橫向 性,承受和傳遞 載,保 的 體剛 ?；?素, 平fi連桿機構的要求是:(1) 點的運動軌跡近似為線,一般選擇雙 線型,以 ；(2) 的最大和最 高 之差稱為 高 圍, 高 圍 合要求；(3) 變化70100mm,最好控制 3050mm；(4)為保 的 ,一般 控制 動 3080mm；(5)連桿機構的時變化 心O 盡量 近平fi,使 護時運.平fi連桿機構 若干構 通過 “（鉸鏈currency1）連 而 的機構。 構 狀多 桿狀， 以稱連桿機構。平fi連桿機構的 點 （fi）能多種運動的 ；（ ）構 之間連 是fi ， fi 的 力 ，可以承受大載荷；（）兩構 fi是圓 ficurrency1平fi，制造 ；（）連 的間造 的 誤差大；（ ）連桿機構運動時產(chǎn)生慣性力，不用 高速合。平fi連桿機構的 用 各種機器和 器 ，例如金 工機 、起 運輸機械、采機械、業(yè)機械、 通運輸機械和 1.3 題 年代以來， 性的 機以及大氣 使汽車的能 保性能日益 。 別 汽車密集、 通 的大 而 ，汽車 起造 的 燃機變工 （ 別是速、 速、 速）運是造 氣排嚴 、 率高的主要 之一?；旌蟿恿︱?qū)動是 一狀 的向之一傳統(tǒng)機械 ，其傳動 構 是固的，設計制造 其運動fi就再變， 種 然相 。然而， 時代的 來使 提高生產(chǎn)力的速 日 ，而 的消費為 個性化，產(chǎn) 的 、 型的速要求也 來 高。 的 景下，生產(chǎn) 求 種、大批量 變?yōu)槎?種、批量，傳統(tǒng)機構 而 來 難以 求?；旌向?qū)動機構又稱為變 構機構，不是傳統(tǒng) 的機構，而是一種 機構。它是通過 機currency1PLCfl 電機驅(qū)動控制，配合主驅(qū)動同作用實設計要求。傳統(tǒng)機構相，其優(yōu)點 :零部 不必 變，維護費用降； 設計要求的變化， 編程更零 、 ；機電一體化的控制可以更 速地響 求的變化。連桿機構具有為 的用性，文主要混合驅(qū)動連桿機構設計。為 驗動載荷系統(tǒng)的影響 驗三維復合 用 構 的可性，文將采用金 、尼龍棒、 棒和三維編 復合 制作 系統(tǒng)一。 機構性量大 fl 電機驅(qū)動率的影響，文將 11長春理工大學光電信息學院種 一 實驗，驗證輕質(zhì) 提高系統(tǒng)控制 的益。而三維復合 目 用基是作為 構 ，很 作為運動 。文將三維復合 作為運動 的可性，為 的相打下初基礎。同時，目 混合驅(qū)動連桿機構fl 運動控制控制性能不狀，文將有的混合驅(qū)動機構的控制系統(tǒng) ，提高控制系統(tǒng)性能及運動控制 。之， 題的 將為 型機械的提 實的基礎，為速 國機械的產(chǎn)業(yè) 、 代化機械制 一 獻； ， 題 合型復合 技術，體機械 學科 叉， 是 題的一大 點。1.4 題的 和實目標 題的 和目標主要 括以下 個fi:其一，混合驅(qū)動機構的系統(tǒng)協(xié) 控制。完 相 系統(tǒng)的設計配置；控制系統(tǒng) ， 完 。其 ，不同 制作的連桿機構，實驗，察輕質(zhì) 系統(tǒng)控制性能的影響。其三，完 實驗 的設計制作，使其滿足給輸 要求，采用不同構 的系統(tǒng)實驗。12長春理工大學光電信息學院參文獻(1) 張 華，張策，田漢民。混合驅(qū)動機械系統(tǒng)模的理論 據(jù). 機械科學技術， 2001 (6 ) : 857-859(2) L. 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器MEMICON光電編 器一個。型 :OVW-06-2MC；分 率:600PPR；最大響 率 :200KUz.； 驅(qū)動:集電輸 ；最高 速:5000r/minx4. 機及 器AEDKS 196 器及UPH552用 系統(tǒng)一 。自作 LCA for DOS一 。給輸 曲線為 實驗 ，文選 論文24和論文25相同的輸 曲線。2.1.3實驗 三維造型次設計 ，運用 三維設計 SolidWorks實驗 實體造型，機構運動的fi和 性起 很大的 。實驗 設計 ，用SolidWorks 將 個實驗 三維實體 征造型，大 機 墊圈，而可以很觀地觀察實驗 的各部 以及它們相互間的系。同時 制造目的，實驗 爆炸動 ，可以將常 要的 配體 的零部 分離以地分析它們之間的相互系。2-4是 個 配17長春理工大學光電信息學院體，2-5是爆炸。2.2 混合驅(qū)動連桿機構運動分析混合驅(qū)動連桿機構設計 ，機構運動分析是必不可 的。 混合驅(qū)動機構是多自 機構，運動分析計 量大，尤其是優(yōu)化設計時 要優(yōu)化桿 長 ，計 量更大。 MATLAB 是一個為科學工程計 而專門設計的高 互的。 MATLAB 境集 的 ，是一個可以完 各種復 計和實科學 據(jù)可 化的 使用和理解的工具 。 MATLAB 具有大的 計 能力，完 的理和高率的編程能力，已被 用 涉及分析的各種領域的理論和工程設計 。文采用 MATLAB 如2-3 示的給輸 曲線，混合驅(qū)動連桿機構的運動分析，要 系統(tǒng)界fi的文編輯框 輸入各桿長、初始 和AB桿 速，可 速輸 桿長l、速 l1、速 l2和 、 速 1、 速 2 的變化fi曲線。不”計 速 、界fi友好，而采用曲線輸 的使設計 更觀，評 優(yōu)化設計案時更 。2. 2. 1機構運動 學模型首將2-2 示機構 化為矢量2-6，曲 長 為a，連桿長 為b，機長 為d， 搖桿長 為 下e2+l2，以曲 連桿線時的 置為初始 置。曲 機 為， DE桿機 水平向的初始 為，曲 為18長春理工大學光電信息學院19長春理工大學光電信息學院用 輸入初始 據(jù):桿長a, b, d, e和曲 機 Po，可l、速 1速 l分析，分析 以曲線的顯示 界fi 。界fi 同時顯示給運動fi的 、速 、速 曲線。2. 2. 3程 編制完 界fi的 觀設計 ， 要編寫程 代 實界fi的能。程 運速 和編程的性，將 分析、速 分析和速 分析 一個回 。限 篇， 里”列 程。用 入界fi作時，首點擊“輸 曲線” 鈕，左 的框 可 制 給輸 曲線；其 ，據(jù)用 機構參 次輸入各桿桿長、初始 置和主電機 速 ；最 ，分別點擊“ 分析”、“速 分析”、“速 分析”鈕，各框 就 制 相 曲線。20長春理工大學光電信息學院2-8 程2. 2. 4示例混合驅(qū)動連桿機構設計要求輸 運動準 實給運動fi，=，以滿足2-1示例。2-7為混合驅(qū)動連桿機構a=40mm, b=390.2mm. d=400mm, e=69.4mm= 8.8。 =24rad/s 時，桿長l及其變化速 速 和 =及其 速 速 變化fi曲線。2. 2. 5 論運用 MATLAB 混合驅(qū)動連桿機構運動分析，界fi友好，計 速 ，以曲線輸 更觀， 設計人員案分析和評。參文獻(52)薛宇. 科學運 語 MATLAB5.3程 設計 用. 北京:清華大學 版李燕。2000(53) MATL.AB 境下 平fi 桿機構的運動分析系統(tǒng). 機械 用， Vo1.15 , 2002 (4)21長春理工大學光電信息學院三章 伺服 動控制系統(tǒng)如一章 ，要使輸 甲=甲，甲滿足給運動曲線，桿長l就 為 P 的 ，也就是說， fl 電機控制桿長Z 照一章計 的/曲線運動， 主電機動的主 實時變化，就可以準 實給輸 ，就構 動控制系統(tǒng)。正 為 題采用 伺服 動控制系統(tǒng)，要求電機 實時 ， 要求有 的 速 和高的 。 ， 控制系統(tǒng)和控制有著高的要求。章主要討論控制系統(tǒng)和控制的選擇， 采用 MATLAB 提 的SIMIJLIIVK 工具 控制系統(tǒng)的 。3.I 伺服系統(tǒng)的 著率電子技術及 電子技術的迅速 ， 別是 理器 工業(yè) 卓有的 用， 伺服系統(tǒng)的及其 用 迅猛地 。3. 1. 1“ 伺服”時代理器最初 用 伺服系統(tǒng)，使其 置 實 控制。 1983年左右，速 也始采用 機控制，實 化。198年 ，電 也始 機的 控制。 別是1984年六 機推 ，高性能 伺服系統(tǒng)更以驚人的速 向 推。 1988年， 化的 伺服系統(tǒng)始 ， 付諸 用。使用 機作為控制運 工具，用 構 能化控制， 以代 伺服系統(tǒng)一 很 入 的“ 伺服”時代。 控制不同 一般 念的控制。其 點是:能地實各種運 、控制；可實實時 ，控制參可 變， 而可 模 難以實的 能；可靈活 不同類型的電機；有利 代控制理論的 用；可 型輕量化 ?？梢?，“ 伺服”是代 伺服系統(tǒng)的必然 。3.1.2信息的高速理化“ 伺服”的一個 要 征是其性能 機的性能。 電 信息的理速 個系統(tǒng)的響 。代 伺服系統(tǒng)響 可達 。 一 標明，高性能的 伺服要求有高性能、高速 的電 理。 可 ， 著高 、高性能、高速 要求的日益 長，伺服系統(tǒng) 部的信息理也將 之高速化。3. 1. 3 元 日完 周，伺服系統(tǒng)的性能 很大程 元 的質(zhì)量有?！?伺服”理 然地要求速 、 置 電 信息是 的。而 著使用的CPU的高性能化， 信息的分 率也必將 之提高。3-1可以 ， 用的 種速 及 置 元 各有其優(yōu)缺點。代 伺服系統(tǒng)的要求 ， 元 不是最理 的，據(jù)文 系統(tǒng)的 點， 們選擇 量編 器。22長春理工大學光電信息學院3. 1。4控制的高要求伺服具有很大的靈活性， 以各種可能的有 伺服系統(tǒng) 、性能的代控制理論的 用 可 具體的體。目 一種最為有而又為 的控制就是采用 控制。 ，代 伺服系統(tǒng)雖然 的時間 ，但它的 速 是驚人的，已 來 明顯的優(yōu)。 ，大多 達工業(yè)國家 的伺服系統(tǒng) 置 采用 伺服系統(tǒng)。3.2 控制系統(tǒng)類型選擇. 置伺服系統(tǒng)一般是以足的 置控制 ( )、 置 ( 置 誤差)和足 的 速 作為系統(tǒng)的主要控制目標 5403. 2. 1 置伺服系統(tǒng)基置伺服系統(tǒng)有 種基:1. 置伺服系統(tǒng) 置伺服系統(tǒng) 有 置 ，其伺服機構 照 置 的 置動，驅(qū)動機械部 作相 的運動，但 不機械部 的實際 量currency1 ，而也將其 。 系統(tǒng)的 置 能 靠伺服機構 的傳動 來保證。 型的 置伺服系統(tǒng)如-1 示。缺點: 置伺服系統(tǒng)的 置控制 完 電機的布 和、絲杠 傳動部 的 。若傳動鏈存 誤差，系統(tǒng)是 時修正的。優(yōu)點: 構 、造 、 試 。2. 置伺服系統(tǒng)23長春理工大學光電信息學院置伺服系統(tǒng)具有 置 和 ，其 置 器伺服電動機同相連，可 電動機 的 ，而推 機構(如工作 )的實際 置。 置 器不是 機械， 置 能控制 電機為 ，稱為 。 型的 置伺服系統(tǒng)如3-2 示。缺點:能間 地 置信息，難以 時修正currency1消除電動機 傳動鏈誤差起的 置誤差。優(yōu)點: 置控制 高( 可達 量)，實 ，通用性，非線性 素 ， 試 。3. 置伺服系統(tǒng)置伺服系統(tǒng)的 置 器 安 工作 ，而可以 工作 實際 置的 信息，通過 實高 的 置控制。 型的 置伺服系統(tǒng)如3-3 示。優(yōu)點:可以實時 工作 實際 置，控制 高。缺點: 機械 傳動鏈 置 ，伺服部分的電氣自動控制 機械不再 ，傳動的間、 性的非線性、傳動鏈的剛性 影響控制系統(tǒng)的 ， 產(chǎn)生機電 和 速 。同時，工作 的負載變化也 系統(tǒng)的 性、機械慣量 產(chǎn)生影響，造 系統(tǒng) 難。 ， 機械傳動鏈部分被 置 ， 置 器的設計就不 不 部分機械的傳輸 性，而機械的 性不同影響伺服系統(tǒng)的通用性。4.混合 置伺服系統(tǒng)混合 置伺服系統(tǒng) 同時存 和 ，兩者同作用， 型的混合 系統(tǒng)如3-4 示。優(yōu)點:系統(tǒng)工作時， 起主要控制作用。 電氣自動控制部分 機械相互 ，可以采用高的 置 益，使系統(tǒng) 、響 、誤差 ；而 用 態(tài)誤差 ， 置 益可選 ，以保證系統(tǒng)的 性。兩者 合可 高的 置控制 和 速 。24長春理工大學光電信息學院缺點:系統(tǒng) 存 兩個 ，使控制復 程 大大 ，它們之間的配合、益 必 ，伺服系統(tǒng)也不再具有通用性。3. 2. 2 置伺服系統(tǒng)選擇基 以分析， 系統(tǒng) ，通過采用的控制策略可以達 高的 ； 系統(tǒng)的 非線性 素 ，實 ， ；另 ， 題的目的之一 混合驅(qū)動連桿機構的實驗平 ，以 多相實驗， 而系統(tǒng)的通用性要求高，而 正是 系統(tǒng)的另一大優(yōu)點。， 題選 置伺服系統(tǒng)。3.3 控制選擇3. 3. 1基控制控制的選擇 系統(tǒng)提高控制性能來說 要。最常 的控制 括:Pm控制、最 控制、?？刂?551.PID控制PID 器的輸 是其輸入的例、 分、 分的 。PLD控制 用 圍最 ，技術最 ，其控制 構 ，參 ，不必求 被控的 學模型可以 。為 提高PID控制的 質(zhì)，又 很多非標準的PID，例如不完 分的Pal 、 分分離的PTD 、變速 分的PID 、區(qū)的Pm 和PID率控制 。PID控制的 技術是參 的 ，選用的例系 、 分時間、 分時間和采 周期。2最 控制自動 系統(tǒng) ，偏差存 時， 是 系統(tǒng)能盡 地消除偏差，使輸輸入變化；currency1者 有限的 個采 周期 可達 平衡。最 控制實際是時間最優(yōu)控制。 ，最 動系統(tǒng)的設計任currency1就是設計一個 器，使系統(tǒng) 達 時 要的采 周期最 ，而系統(tǒng) 采 點的輸 能準 地輸入信 ，不存 差。任 兩個采 周期 間的過程不作要求。3.?？刂颇？刂评碚?965年 一次被提 ，1974年英國Mamdani使用Fuzzy控制語 構 的控制器控制“和汽機，標著Fuzzy控制的fi生。模集合的入，可將人的判斷、fl維過程用 的 學 達 來，而復 系統(tǒng) 合 實際的、 合人類fl維的理 為可能。?？刂撇弧庇?模 型 變量系統(tǒng)，而 向大模、非線性復 系統(tǒng)。 實的控制系統(tǒng)來 ，它具有 、輸 量連、可靠性高、能 專家作的良好自動化 優(yōu)點。3. 3. 2控制選擇三者來 ， PID控制 ，是足 連系統(tǒng)PID 器的設計，25長春理工大學光電信息學院然 用計 機模 。 種一般的 系統(tǒng)完 可，但 題的系統(tǒng)系統(tǒng)，PID控制必能 滿 的 。而?？刂破鞯?態(tài)控制 和 性能差，要提高基?？刂破鞯?和 性能，就必語 變量 更多的語 ，分 ，性能 好，但同時來的缺點是 和系統(tǒng)的計 量也大大地 ，以 模控制也更難把， 試更 難，currency1者不能滿足實時控制的要求。最 控制系統(tǒng)輸入信 的變 能力差，輸 響 保證采 點的誤差為零，不能 保采 點之間的誤差 為零。也就是說， 最 系統(tǒng) ，系統(tǒng)的輸 響 采 點之間有 存 。輸 不” 造 誤差，而 消 機構驅(qū)動率， 機械。 題的系統(tǒng) 動控制系統(tǒng)，要求輸 盡 輸入變化， 速 和 要求很高， ，最 控制系統(tǒng)最 合 們的要求。最 系統(tǒng)存 的題，通過設計最 控制系統(tǒng)可解 。 ，文選用最 控制。3.4 最 控制系統(tǒng)的設計 3. 4. 1系統(tǒng) 動態(tài) 構混合驅(qū)動連桿機構如3-5 示， 置控制系統(tǒng)的基 如-6 示。伺服電機自的光電編 器 電機輸 的 變化 ，將其作為負信 。電機通過聯(lián)動滾珠絲杠 動，使currency1相滾珠絲杠產(chǎn)生 要求的運動fi而變化的 ，而可以控制連桿機構的輸 運動實給輸 。系統(tǒng) 置控制器的作用是，據(jù) 置給 置 之差， 預設計的最 控制fi控制 個系統(tǒng)的運，電機 嚴 變化