X_Y數(shù)控工作臺(tái)伺服系統(tǒng)的整定與建模.pdf

其單個(gè)周期的工作循環(huán)簡寫為:D1C1D0A1B0D1H1H0D0E1D1H1H0D0E0B1C0A03.2步進(jìn)器準(zhǔn)備根據(jù)動(dòng)作級數(shù),對十個(gè)輸出接口的標(biāo)準(zhǔn)步進(jìn)器進(jìn)行擴(kuò)充。將2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)步進(jìn)器串聯(lián),使其中2級短路,獲得18級動(dòng)作的五自由度氣動(dòng)機(jī)械手程序控制器,如圖5所示。3.3氣動(dòng)控制回路設(shè)計(jì)根據(jù)信號(hào)流程以及圖5所示的步進(jìn)器設(shè)計(jì)控制回路3。五自由度氣動(dòng)機(jī)械手氣動(dòng)控制回路圖如圖7所示。圖中代號(hào)同前。圖中接線的原則是:要某(i)級的氣缸完成動(dòng)作,就將控制該氣缸的二位五通換向閥的控制接口接某(i)級管路,所觸動(dòng)的信號(hào)開關(guān)則作為觸發(fā)下一級(i+1)管路輸出的開關(guān)信號(hào)。4結(jié)論根據(jù)提出的n級動(dòng)作數(shù)控制基本回路的規(guī)律,開發(fā)十個(gè)輸出接口的標(biāo)準(zhǔn)步進(jìn)器。然后,依據(jù)分解動(dòng)作級數(shù)的要求,采用標(biāo)準(zhǔn)步進(jìn)器擴(kuò)充的方法擴(kuò)大步進(jìn)器順序控制級數(shù),滿足分解動(dòng)作控制的要求。該方法能夠降低設(shè)計(jì)制造成本,提高控制回路設(shè)計(jì)制造效率,提高控制精度。參考文獻(xiàn)1左建民.液壓與氣壓傳動(dòng)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,19972陸鑫盛,周洪.氣動(dòng)自動(dòng)化系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)M.上海:上?？萍嘉墨I(xiàn)出版社,20003呂淮熏,黃勝銘.氣液壓學(xué)M.高立圖書有限公司,19984陸雯,王兵,釧康民.氣動(dòng)肌腱與鉸桿增力機(jī)構(gòu)的三種組合系統(tǒng)及其比較.機(jī)械設(shè)計(jì),2005,22(2):5254*來稿日期:2007-05-21*基金項(xiàng)目:“十五”國家科技攻關(guān)計(jì)劃資助項(xiàng)目(編號(hào):2004BA524B03-02)#$%$【摘要】為了保證機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能的穩(wěn)定性,簡化調(diào)試過程,以X-Y工作臺(tái)作為平面定位機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型,通過對X-Y工作臺(tái)伺服系統(tǒng)進(jìn)行三環(huán)整定計(jì)算,利用MATALAB/Simulink軟件進(jìn)行建模,研究了虛擬樣機(jī)仿真分析的方法,采用虛擬樣機(jī)開發(fā)軟件ADAMS完成參數(shù)化樣機(jī)模型的構(gòu)建,利用ADAM內(nèi)含的系統(tǒng)函數(shù)創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)約束,實(shí)現(xiàn)了對系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的分析。關(guān)鍵詞:CNC；X-Y工作臺(tái)；伺服系統(tǒng)；建模【Abstract】Inordertoensurethestabilityoforientationprecision、staticanddynamiccapability,andpredigestdebuggingprocess,andtheX-Ytablewasusedtodynamicmodelofmechanicalsystemforplaneorientation,andcountbythreeloopconformityforservosystem,andmodelbyMATALAB/Simulink,theanalysismethodofdummysamplewasresearched,andmakeupofparametermodelofsamplebyADAMS,andmadeupoflocomotionleashbysystemfunctionofADAMS,thesimulationanalysisisrealized.Keywords:CNC；X-Ytable；Servo；Modeling中圖分類號(hào):TH12,TP31文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AX-Y數(shù)控工作臺(tái)伺服系統(tǒng)的整定與建模*閻勤勞1張海偉2(1廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣州510800)(2天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,天津300001)ModelingandthreeloopconformityofCNCservosystemforX-YtableYANQin-lao1,ZHANGHai-wei2(1GuangdongCommunicationPoiytechnic,Guangzhou510800,China)(2TianjinMechanicalandElectricalPoiytechnic,Tianjin300001,China)文章編號(hào):1001-3997(2008)02-0144-031前言目前普遍采用的數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)包括齒輪傳動(dòng)副,絲杠螺母副及其支承部件等。通常設(shè)計(jì)進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)必須滿足一定的要求,才能保證機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度和靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能1,從而確保機(jī)床的加工精度,一般要求機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)具有摩擦阻力小,傳動(dòng)剛度高,運(yùn)動(dòng)部件慣性小和傳動(dòng)間隙小等特點(diǎn)。X-Y工作臺(tái)作為一種平面定位機(jī)械系統(tǒng),動(dòng)態(tài)模型簡單,它的控制方法也已經(jīng)趨于成熟,但基于X-Y工作臺(tái)的含有摩擦環(huán)的伺服系統(tǒng)研究是現(xiàn)在的熱點(diǎn)與難點(diǎn)2。X-Y工作臺(tái)存在于伺服控制系統(tǒng)中的非線性特性有:摩擦、間隙、磁滯效應(yīng)、飽和、未建模動(dòng)態(tài)和外部擾動(dòng)等。飽和主要影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,磁滯效應(yīng)使控制輸入滯后,未建模動(dòng)態(tài)及外部擾動(dòng)對系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能都有影響。摩擦是設(shè)計(jì)高精度伺服系統(tǒng)時(shí)必須考慮的重要因素之一,會(huì)引起系統(tǒng)跟蹤誤差、極限&第2期-144-2008年2月MachineryDesign&Manufacture機(jī)械設(shè)計(jì)與制造環(huán)及低速爬行3。由于非線性特性普遍存在于包括X-Y工作臺(tái)在內(nèi)的機(jī)械系統(tǒng)中,影響了對它們的高精度控制。2X-Y工作臺(tái)系統(tǒng)組成與伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)2.1X-Y工作臺(tái)系統(tǒng)組成X-Y工作臺(tái)是實(shí)現(xiàn)平面X-Y坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的典型部件,X、Y向均采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),通過絲杠傳動(dòng),使工作臺(tái)做X-Y向的運(yùn)動(dòng)。如圖1所示,工作臺(tái)由兩個(gè)互相獨(dú)立的、互為垂直的導(dǎo)向?qū)к?、傳?dòng)系統(tǒng)及工作臺(tái)面等組成。伺服電動(dòng)機(jī)直接連接的增量式碼盤被用于速度的反饋。位置測量信號(hào)則來自于安裝在工作臺(tái)上的直線光柵,位置測量值同時(shí)被計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)采集卡所記錄,用來分析X-Y工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)精度。位置控制是利用DSP(ADSP2181)開發(fā)的的基于PC機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制卡來實(shí)現(xiàn)。GXY-2020數(shù)控工作平臺(tái),工作臺(tái)的伺服系統(tǒng)采用GYS201DC2-T2C伺服電機(jī)和RYC201D3-VVT2交流伺服驅(qū)動(dòng)器(即伺服放大器),主要性能指標(biāo)如表1所示。表1系統(tǒng)模型參數(shù)Tab.1Parametersofsimulationsystemmodel2.2伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)工作臺(tái)伺服系統(tǒng)是由驅(qū)動(dòng)模塊與伺服電動(dòng)機(jī)等組成的一個(gè)高精度角度閉環(huán)系統(tǒng),其輸入為數(shù)控系統(tǒng)給出的指令脈沖,輸出圖1工作臺(tái)示意圖Fig.1X-Ytable圖2X-Y平臺(tái)伺服系統(tǒng)的工作原理圖Fig.2WorkingprinciplesketchofX-Ytableservosystem為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)角。在以光柵、脈沖編碼器等組成檢測反饋環(huán)節(jié)所實(shí)現(xiàn)的閉環(huán)控制下,電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角將跟隨數(shù)控指令變化。通過絲杠螺母副傳動(dòng),電動(dòng)機(jī)的角位移被轉(zhuǎn)化為所需的工作臺(tái)的直線位移。圖2為其工作原理,表1為其工作參數(shù)。2.3三環(huán)調(diào)節(jié)控制該伺服系統(tǒng)采用三環(huán)4(電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán))調(diào)節(jié)控制技術(shù),系統(tǒng)包括三個(gè)反饋回路(位置回路、速度回路以及電流回路)。最內(nèi)層回路的反應(yīng)速度最快,中間層的反應(yīng)速度必須高于最外層。伺服放大器的主要功能包括電流檢測、磁場角位移檢測、速度檢測及伺服電動(dòng)機(jī)的功率驅(qū)動(dòng),以達(dá)到電機(jī)的轉(zhuǎn)矩/電流控制、速度控制和位置控制。數(shù)控工作平臺(tái)電機(jī)參數(shù)為:額定轉(zhuǎn)速nr=3000rpm；額定功率Pr=200W；額定電流Ir=1.5A；額定電壓Ur=101V；額定轉(zhuǎn)矩Mr=0.64Nm；電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.00299kgm2；電樞繞組電阻Ra=0.15；電機(jī)電氣時(shí)間常數(shù)TS=0.0022s；機(jī)械時(shí)間常數(shù)TL=0.0113s；力矩系數(shù)Kt=0.82Nm/A；反電動(dòng)勢系數(shù)Ke=0.18Vs/rad；SPWM放大倍數(shù)KPWM=7.78V/A；時(shí)間常TPWM=167us；電流環(huán)反饋濾波常數(shù)Ti=100us；電流檢測放大系數(shù)Kpi=1A/V；速度環(huán)濾波時(shí)間常數(shù)TV=0.01s；速度檢測放大系數(shù)KP2=1。3三環(huán)整定計(jì)算3.1電流環(huán)整定計(jì)算積分時(shí)間常數(shù):!I=Ts=0.0022s比例系數(shù):電流環(huán)增益:3.2速度環(huán)整定積分時(shí)間常數(shù):速度環(huán)增益:比例系數(shù):3.3位置環(huán)整定在MATLAB/SIMULINK中建立永磁同步電機(jī)位置交流伺服系統(tǒng)的仿真模型5,選擇位置環(huán)比例系數(shù)Kp=14.3。4伺服系統(tǒng)的建模與仿真在不考慮摩擦力的情況下,X-Y工作臺(tái)采用Simulink軟件進(jìn)行建模。根據(jù)表1的相關(guān)參數(shù)選擇工作窗口主菜單下的Simulink/Parameters,即可進(jìn)入仿真參數(shù)設(shè)置6,設(shè)置仿真起始時(shí)間、仿真步長、解法、要求的誤差限等。名稱速度環(huán)增益電流環(huán)增益電動(dòng)機(jī)電感電動(dòng)機(jī)定子電阻電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢驅(qū)動(dòng)鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量工作臺(tái)質(zhì)量絲杠導(dǎo)程剛度阻尼常數(shù)符號(hào)KvpKcpLRmKtKeJMKbsKB數(shù)值4525010.80.18310-6401.60.5415單位As/radA/VMhNm/AVs/radKgm2KgMm/radMN/mKNs/m第2期-145-閻勤勞等:X-Y數(shù)控工作臺(tái)伺服系統(tǒng)的整定與建模*在作仿真試驗(yàn)的過程中,采用將系統(tǒng)參數(shù)擴(kuò)大或縮小10倍的方法。可變的參數(shù)為速度環(huán)增益、電流環(huán)增益以及阻尼常數(shù)B。整個(gè)仿真過程中,系統(tǒng)的階躍輸入指令為200rad/s,即工作臺(tái)的理想輸出速度為:Vs=KbsVc=1.5910-3m/rad200rad/s=0.318m/s從圖3可以看出運(yùn)行0.4秒鐘后速度達(dá)到穩(wěn)定值。即上升時(shí)間為0.4秒,與峰值時(shí)間相等。延遲時(shí)間約為0.07秒,調(diào)節(jié)時(shí)間0.3秒,超調(diào)量為零。輸入的參考速度為200rad/s,可折合為0.318m/s,與實(shí)際輸出速度相符。分別改變速度環(huán)增益、電流環(huán)增益和阻尼系數(shù),可以得到不同仿真結(jié)果。即速度環(huán)增益、電流時(shí)間環(huán)增益增加,調(diào)節(jié)時(shí)間減少。而阻尼系數(shù)過大或過小,速度都會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)情況。圖3忽略摩擦力的仿真波形圖Fig.3Simulationwaveoffrictionforcethatisneglected分別改變速度環(huán)增益、電流環(huán)增益和阻尼系數(shù),可以得到不同仿真結(jié)果。采用單因素仿真分析研究這些參數(shù)對伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)速度和動(dòng)剛度的影響,如圖4、5、6所示。5結(jié)論(1)在忽略摩查理的情況下,分別改變速度環(huán)增益、電流環(huán)增益和阻尼系數(shù),可以得到不同仿真結(jié)果。即速度環(huán)增益、電流時(shí)間環(huán)增益增加,調(diào)節(jié)時(shí)間減少。而阻尼系數(shù)過大或過小,速度都會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)情況。圖4速度環(huán)增益對伺服速度的影響Fig.4Influenceofspeedringincreasingtoservospeed(2)隨著系統(tǒng)速度環(huán)比例增益Kvp的增加,系統(tǒng)的伺服動(dòng)剛度增大,并且有助于系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的提高。隨著速度環(huán)積分響應(yīng)時(shí)間常數(shù)Tn的減少,系統(tǒng)的伺服動(dòng)剛度提高,并且能提高系統(tǒng)的圖5電流環(huán)增益對伺服速度的影響Fig.5Influenceofelectriccurrentlinkincreasingtoservospeed圖6阻尼系數(shù)對伺服速度的影響Fig.6InfluenceofDampingfactortoservospeed響應(yīng)速度,但積分時(shí)間過小,容易導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)；提高電流環(huán)比例放大系數(shù)Kcp,可以提高給系統(tǒng)的伺服動(dòng)剛度,但當(dāng)Kcp增大到一定值后,伺服動(dòng)剛度便不再增大,因?yàn)榇藭r(shí)電流閉環(huán)增益趨近于1,所以繼續(xù)提高Kcp對提高伺服動(dòng)剛度的作用不大。隨著運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量的增大,進(jìn)給系統(tǒng)的伺服運(yùn)動(dòng)剛度降低,同時(shí)會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)下降。(3)實(shí)際的數(shù)控伺服系統(tǒng)中,總是存在很多時(shí)變的、非線性的因素,在研究中容易忽略這些復(fù)雜的因素對系統(tǒng)性能的影響。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值仿真技術(shù)為分析非線性因素對伺服系統(tǒng)性能的影響提供了基礎(chǔ)和方法。參考文獻(xiàn)1鄭建榮編著.ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)入門與提高M(jìn).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,20012黃進(jìn).含摩擦環(huán)節(jié)伺服系統(tǒng)的分析及控制補(bǔ)償研究:博士學(xué)位論文.西安:西安電子科技大學(xué),19983李泉,路長厚,襲著燕等.X-Y工作臺(tái)建模與仿真J.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2005(10):71744馮冬青,張希平,費(fèi)敏銳.一種基于MATLAB的模糊控制器綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法J.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2004(4):1211255梅雪松,陶濤,堤正臣等.高速、高精度數(shù)