三軸轉(zhuǎn)臺(tái)仿真設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)說明書

重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文（三軸轉(zhuǎn)臺(tái)仿真設(shè)計(jì)）重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文（三軸轉(zhuǎn)臺(tái)仿真設(shè)計(jì)）重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文（三軸轉(zhuǎn)臺(tái)仿真設(shè)計(jì)）目錄TOC\o"1-3"\h\u13604摘要 31726Abstract 4284271緒論 6117811.1引言 671391.2國外研究狀況 6231941.3國內(nèi)研究狀況 6111232三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的機(jī)械設(shè)計(jì) 8246052.1三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的概述 886852.1.1三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的性能指標(biāo) 8319442.1.2三軸轉(zhuǎn)臺(tái)工作原理概述 831412.1.3伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇與計(jì)算 9150602.1.4直流力矩電機(jī)的計(jì)算分析 1283212.1.5框架的選材 13169232.2轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 14126312.2.1外環(huán)裝配示意圖 14173372.2.2中環(huán)裝配示意圖 1560862.2.3內(nèi)環(huán)裝配示意圖 15142582.2.4總裝配示意圖 1627192.2.5零件示意圖 1694613伺服系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 17233093.1伺服系統(tǒng)的組成 17118173.2三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的工作原理 1816923.3伺服系統(tǒng)硬件的選擇 18128363.3.1直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選擇 19210793.3.2圓光柵編碼器增量式Y(jié)GM506的選擇 2012923.3.3穩(wěn)壓器的選擇 20327533.3.4軟件可編程器件的選擇 21121313.3.5串口卡的選擇 21299753.4伺服控制系統(tǒng)的硬件接線圖 23190894三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)仿真 24118604.1概述 2437544.1.1主要優(yōu)點(diǎn) 25251454.1.2研究復(fù)雜的實(shí)際情況 259024.2三軸轉(zhuǎn)臺(tái)仿真過程[20] 2678465結(jié)論 2859816工作展望 2914690致謝 3012168參考文獻(xiàn) 31摘要航空、航天工業(yè)發(fā)展水平是一個(gè)國家科技、經(jīng)濟(jì)及國防實(shí)力的重要標(biāo)志。在航空航天領(lǐng)域中,慣性導(dǎo)航和制導(dǎo)技術(shù)是一項(xiàng)核心技術(shù),三軸轉(zhuǎn)臺(tái)是測(cè)試慣性元件及半實(shí)物仿真的重要非標(biāo)設(shè)備,其性能的好壞直接影響仿真和測(cè)試的可靠性和置信度。三軸轉(zhuǎn)臺(tái)是以控制理論、相似理論、系統(tǒng)技術(shù)和信息技術(shù)為基礎(chǔ)，利用計(jì)算機(jī)和專用物理設(shè)備為工具，為慣性導(dǎo)航和制導(dǎo)系統(tǒng)仿真試驗(yàn)提供平臺(tái)的關(guān)鍵設(shè)備【1】。它能夠復(fù)現(xiàn)空間質(zhì)心運(yùn)動(dòng)中的轉(zhuǎn)角、角速度、角加速度等物理指標(biāo)。由此，可以在地面試驗(yàn)室中真實(shí)地模擬導(dǎo)彈、飛行器等在空中的各種飛行姿態(tài)，以對(duì)敏感元件、慣導(dǎo)系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等加以測(cè)試。將昂貴的實(shí)物試驗(yàn)轉(zhuǎn)化為試驗(yàn)室中可預(yù)測(cè)、可重復(fù)性研究，為實(shí)物試驗(yàn)提供充分的技術(shù)指標(biāo)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。本文先建模設(shè)計(jì)，對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)一些標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行了選擇，主要軸的設(shè)計(jì)，對(duì)一些裝配關(guān)系進(jìn)行了二維或者三維的建模。其次，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析和選擇，包括電機(jī)的選型，驅(qū)動(dòng)器的選型，編碼器的選型，接口擴(kuò)充的選型，以及相關(guān)元件的選型，詳細(xì)見附圖（電控圖）。其中搭建基本的硬件設(shè)備，采用軟件的控制方法，設(shè)置控制系統(tǒng)的各模塊選擇，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的運(yùn)行功能，完全實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的控制。（尤其是角速度和角位移的測(cè)量是本系統(tǒng)成為高精度轉(zhuǎn)臺(tái)仿真的關(guān)鍵性選擇之一）。關(guān)鍵詞：三軸轉(zhuǎn)臺(tái)伺服系統(tǒng)建模直流電機(jī)AbstractAviation,aerospaceindustrydevelopmentlevelisanationalscienceandtechnology,economyandanimportantsymbolofnationaldefensecapabilities。Inaerospacefield,inertialnavigationandguidancetechnologyisacoretechnology,threeaxisturntableistestinginertialcomponentsandhardware-in-the-loopsimulationofimportantnon-standardequipment，whowillhaveadirectimpactontheperformanceofsimulationandtestreliabilityandconfidence。Thethree-axisturntableiscontroltheory,thesimilaritytheoryandsystemtechnologyandinformationtechnologyasthefoundation,basedonthecomputerandspecialphysicalequipmentforthetool,forinertialnavigationandprovidetheguidancesystemsimulationexperimentplatformofkeyequipment。Itcanreiterationthecornerspacecentroidmovement,angularvelocityandAngleaccelerationphysicalparametersandsoon。Thus,canbeinthegroundinthelab,realsimulationofmissiles,aircraftintheaireachkindofetc,inordertoflightattitudeissensitivecomponents,inertialsystem,executiveagenciestotest。Therealtestwillbeexpensivecanpredictintolaboratoryresearchandrepeatability,toprovideadequateforphysicaltestthetechnicalindexesandtestdata。Therealtestwillbeexpensivecanpredictintolaboratoryresearchandrepeatability,toprovideadequateforphysicaltestthetechnicalindexesandtestdata。Thispaperfirstmodelingdesign,stabilizedthemechanicalstructuredesign,andthechoiceofsomestandard,mainshaftdesign,forsomeassemblyrelationofthetwo-dimensionalorthree-dimensionalmodeling。Secondly,tocontrolsystemisanalyzedandoptions,includingmotorselection,driveselection,encoderSelection,interfaceexpansion,andrelatedcomponentsselectionofselection。（Detailedcontrolchartissaw）Onesetofhardwareequipments,adoptsthebasiccontrolmethod,settingofthesoftwareofthecontrolsystem,realizetheturntableeachmoduleselectionofsystemoperationfunction,fullyrealizethecontrolofturntable。（Especially,theangularvelocityandangulardisplacementmeasurementisthissystembecomethekeychoosehighoneofsimulationturntable）Keywords:three-axisturntableServosystemmodelingDcmotor1緒論1.1引言航空、航天以及航海事業(yè)的發(fā)展水平反映了一個(gè)國家的綜合國力，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、科技發(fā)展水平及軍事實(shí)力的綜合體現(xiàn)。這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展對(duì)于政治、國防、經(jīng)濟(jì)乃至人民的生活都有著重要的意義。而慣性導(dǎo)航及制導(dǎo)技術(shù)是航空、航天、航海領(lǐng)域的一項(xiàng)核心技術(shù)，早期的同步衛(wèi)星準(zhǔn)確定位、航天飛機(jī)的成功發(fā)射、導(dǎo)彈的精確制導(dǎo)，這都得益于高水平的慣性導(dǎo)航和制導(dǎo)系統(tǒng)。而慣性導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)中的核心元件是陀螺儀和加速度計(jì)，它們精度的高低將直接影響慣性系統(tǒng)的定位精度。仿真測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)是航空航天領(lǐng)域中進(jìn)行地面半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真和測(cè)試的一種關(guān)鍵硬件設(shè)備，它可在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)實(shí)時(shí)地復(fù)現(xiàn)飛行器在空中的動(dòng)力學(xué)特性和各種飛行姿態(tài)，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到仿真和測(cè)試實(shí)驗(yàn)的逼真性和置信度[2]，是最典型的測(cè)試仿真設(shè)備。1.2國外研究狀況在國際上，由于慣性制導(dǎo)技術(shù)受到世界上技術(shù)先進(jìn)國家和發(fā)展中國家的普遍重視，所以美國、俄羅斯、英國、法國、瑞士、中國、印度等國都投入了大量的資金和人力從事轉(zhuǎn)臺(tái)的研制。其中，美國的轉(zhuǎn)臺(tái)研究一直處于世界領(lǐng)先水平，其次，德國、英國、法國和瑞士等國研制的轉(zhuǎn)臺(tái)也具有一定代表性，性能和質(zhì)量?jī)H次于美國。世界上的第一臺(tái)轉(zhuǎn)臺(tái)是1945年由美國麻省理工學(xué)院儀表實(shí)驗(yàn)室研制成功的，定為A型轉(zhuǎn)臺(tái)，采用普通滾珠軸承，用交流力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)，角位置測(cè)量元件采用滾珠與微動(dòng)開關(guān)，由于采用的元件精度比較低，加上沒有經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，該轉(zhuǎn)臺(tái)存在許多缺點(diǎn)，精度也只能達(dá)到角分級(jí)，實(shí)際上沒有投入使用。隨后，美國的歐思一伊利諾斯公司的菲克(Fecker)系統(tǒng)分公司又研制出了T-800型伺服轉(zhuǎn)臺(tái)，它標(biāo)志著美國的轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)己經(jīng)達(dá)到了一個(gè)新水平。六十年代開始對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的重要部件如軸承、驅(qū)動(dòng)馬達(dá)和監(jiān)測(cè)元件進(jìn)行了系統(tǒng)的改進(jìn)，研制成功了專用于轉(zhuǎn)臺(tái)的空氣軸承和液壓軸承，大調(diào)速比、高精度的液壓馬達(dá)和高分辨率的檢測(cè)元件，把轉(zhuǎn)臺(tái)的技術(shù)水平推向了一個(gè)新臺(tái)階。同時(shí)誕生了一些專業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)的公司，如美國的CGC公司、Carco公司、德國的MBB公司等。1.3國內(nèi)研究狀況我國的轉(zhuǎn)臺(tái)研制雖然比發(fā)達(dá)國家起步晚，但這些年來也取得了一定的成就，特別是近幾年來，轉(zhuǎn)臺(tái)的研制得到了很大的發(fā)展。目前，國內(nèi)也有很多研究機(jī)構(gòu)和高校在從事轉(zhuǎn)臺(tái)的研究與開發(fā)，例如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中航303所、中船6354所、南京航空航天大學(xué)等。我國在20世紀(jì)60年代自主研發(fā)和制造了第一臺(tái)液壓飛行轉(zhuǎn)臺(tái)仿真，為我國早期飛行器控制和制導(dǎo)系統(tǒng)的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。進(jìn)入80年代后，我國將數(shù)字控制引入到了轉(zhuǎn)臺(tái)控制中，用軟件實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜控制規(guī)律，參數(shù)調(diào)整也比模擬控制器方便，將我國的轉(zhuǎn)臺(tái)研究開發(fā)帶入了一個(gè)新的時(shí)代。1990年，中航303所研制成功了SGT1型三軸捷聯(lián)慣導(dǎo)測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)，這是我國第一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制的高精度三軸慣導(dǎo)測(cè)試臺(tái)。進(jìn)入90年代以來，轉(zhuǎn)臺(tái)的研制進(jìn)入了數(shù)字和模擬的要求也越來越高，這就對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)和整定提出了更高的要求。圖1.3-1六自由度轉(zhuǎn)臺(tái)圖1.3-23KTD-300赤道陀螺伺服測(cè)試臺(tái)2三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的機(jī)械設(shè)計(jì)2.1三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的概述2.1.1三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的性能指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)內(nèi)框中框外框位轉(zhuǎn)角范圍（°）360180180置最大角速度（°/s）300210120伺最大角加速度（°/s2）1400080003000服最低平滑角速度(°/s)0.0010.0010.001狀靜態(tài)位置精度（″）101010態(tài)角位置分辨率（″）101010平坦段指標(biāo)（Hz）|ΔA/A|<10%，|Δφ|<10°251812軸不垂直度（″）不大于10系不相交度（mm）不大于三軸轉(zhuǎn)臺(tái)工作原理概述三軸轉(zhuǎn)臺(tái)在主要是根據(jù)計(jì)算機(jī)的指令，實(shí)時(shí)跟隨指令信號(hào)，控制轉(zhuǎn)臺(tái)滾動(dòng)、俯仰、航向軸系運(yùn)動(dòng)，模擬姿態(tài)角變化，與仿真計(jì)算機(jī)及射頻系統(tǒng)形成閉合回路[3]。機(jī)械系統(tǒng)由三個(gè)框架和機(jī)座兩大部分組成，主要為負(fù)載提供安裝基準(zhǔn)和滾動(dòng)、俯仰、航向三軸系回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。電氣系統(tǒng)主要完成轉(zhuǎn)臺(tái)的起停、轉(zhuǎn)臺(tái)監(jiān)控及遠(yuǎn)程控制等功能，主要由控制臺(tái)、電氣柜等組成。工作時(shí)，電氣系統(tǒng)為三軸轉(zhuǎn)臺(tái)三個(gè)框架的驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供動(dòng)力，使轉(zhuǎn)臺(tái)能夠驅(qū)動(dòng)負(fù)載作所需的運(yùn)動(dòng)，完成相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)仿真機(jī)控制指令，經(jīng)控制律調(diào)節(jié)后，輸出控制信號(hào)給相應(yīng)框架的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，從而控制電機(jī)動(dòng)作。應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)與仿真計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)通訊，記錄轉(zhuǎn)臺(tái)三個(gè)框架運(yùn)動(dòng)的角位置數(shù)據(jù)，對(duì)試驗(yàn)的各軸角位置數(shù)據(jù)處理，繪制運(yùn)動(dòng)曲線，監(jiān)控各軸的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，實(shí)時(shí)進(jìn)行安全性評(píng)估，進(jìn)行各軸控制律運(yùn)算，控制轉(zhuǎn)臺(tái)正確運(yùn)動(dòng)[4]。2.1.3伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇與計(jì)算三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)元件有兩大類一類是所有框架全部由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，稱為電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，一類是所有框架全部由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，稱為液壓轉(zhuǎn)臺(tái)仿真。還有的轉(zhuǎn)臺(tái)，內(nèi)框由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，中、外框用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，稱為復(fù)合驅(qū)動(dòng)式轉(zhuǎn)臺(tái)。對(duì)于小負(fù)載、低頻響的轉(zhuǎn)臺(tái),采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案為佳，而對(duì)那些大負(fù)載、高頻響的轉(zhuǎn)臺(tái)仿真，采用液壓驅(qū)動(dòng)為宜[5]。驅(qū)動(dòng)型式可分為直接驅(qū)動(dòng)和間接驅(qū)動(dòng)[6]。直接驅(qū)動(dòng)是將電動(dòng)機(jī)或液壓馬達(dá)輸出軸直接與轉(zhuǎn)臺(tái)框架軸固聯(lián)。其優(yōu)點(diǎn)是有利于提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和精度，主要缺點(diǎn)是其低速性能基本取決于驅(qū)動(dòng)元件本身的低速特性。間接驅(qū)動(dòng)是將電動(dòng)機(jī)或液壓馬達(dá)輸出軸經(jīng)齒輪減速再與轉(zhuǎn)臺(tái)框架軸固聯(lián)。其優(yōu)點(diǎn)，一是可提高系統(tǒng)的超低速性能，二是用小力矩電動(dòng)機(jī)可驅(qū)動(dòng)大的負(fù)載力矩。其主要缺點(diǎn)是由于齒輪嚙合間隙以及齒面磨損后精度喪失等問題的存在，影響系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。當(dāng)前國內(nèi)外轉(zhuǎn)臺(tái)大多采用直接驅(qū)動(dòng)方式。電機(jī)驅(qū)動(dòng)常見的電動(dòng)機(jī)為力矩電動(dòng)機(jī)和直流伺服電動(dòng)機(jī)[7]。力矩電動(dòng)機(jī)允許轉(zhuǎn)速低，可直接與框架連接形成直接驅(qū)動(dòng)。但當(dāng)驅(qū)動(dòng)力矩增大時(shí)，其允許的最高轉(zhuǎn)速也減少。所以，當(dāng)框架的最高轉(zhuǎn)速較高時(shí)不宜采用力矩電動(dòng)機(jī)，而采用直流伺服電動(dòng)機(jī)經(jīng)齒輪驅(qū)動(dòng)的方案。但直流伺服電動(dòng)機(jī)的軸向尺寸較大，不宜用于轉(zhuǎn)臺(tái)的內(nèi)框和中框軸的驅(qū)動(dòng)。近年來，己研制出一種無刷直流力矩電動(dòng)機(jī)，它具有力矩電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性，調(diào)速范圍也大，可用于直接驅(qū)動(dòng)。是一種很有發(fā)展前途的新型驅(qū)動(dòng)元件。目前在三軸轉(zhuǎn)臺(tái)仿真伺服系統(tǒng)中使用的電動(dòng)機(jī)有直流伺服電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)、力矩電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、同步電機(jī)等。相對(duì)于交流電動(dòng)機(jī)，直流電機(jī)的調(diào)速性能更為優(yōu)越，在大范圍、高精度調(diào)速要求的應(yīng)用中，成為首選。特別是現(xiàn)有的直流伺服電動(dòng)機(jī)因多采用無刷設(shè)計(jì)，避免了電刷的維護(hù)，降低了外型尺寸，應(yīng)用更加廣泛。力矩電機(jī)分為直流力矩電動(dòng)機(jī)和交流力矩電動(dòng)機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩跟慣量的比值大，低速運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，輸出轉(zhuǎn)矩大，能直接與負(fù)載耦合[8]，可實(shí)現(xiàn)無齒傳動(dòng)，提高了系統(tǒng)的耦合剛度、機(jī)械共振頻率和位置準(zhǔn)確度響應(yīng)性能好。如果主要考慮系統(tǒng)的控制精度，應(yīng)首先考慮使用力矩電動(dòng)機(jī)，以實(shí)現(xiàn)無齒傳動(dòng)；如果主要考慮系統(tǒng)的響應(yīng)快速性要求，可考慮使用直流伺服電動(dòng)機(jī)、力矩電機(jī)；如果伺服系統(tǒng)的負(fù)載較大，而對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的體積和重量又有較高要求時(shí)，則應(yīng)考慮使用交流伺服電動(dòng)機(jī)或直流伺服電動(dòng)機(jī)加減速裝置的形式。直流力矩電動(dòng)機(jī)概述

(一)分類

按勵(lì)磁方式分類．直流力矩電動(dòng)機(jī)和直流伺服電動(dòng)機(jī)一樣可分為電磁式和永磁式直流力矩電動(dòng)機(jī)。水磁式直流力矩電動(dòng)機(jī)因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、勵(lì)磁磁通不受電源電壓的影響等優(yōu)點(diǎn)被首選采用。

直流力矩電動(dòng)機(jī)按結(jié)構(gòu)型式分類，有組裝式和分裝式直流力矩電動(dòng)機(jī)兩種。實(shí)際多采用分裝式結(jié)構(gòu)．因該電動(dòng)機(jī)與負(fù)載軸直接耦合，沒有傳動(dòng)齒輪和間隙誤差，在負(fù)載軸上有高的轉(zhuǎn)矩慣量比和耦合剛度。

直流力矩電動(dòng)機(jī)按其電樞結(jié)構(gòu)分類．還可分為有槽電樞和光滑電樞兩種。分裝式結(jié)構(gòu)見圖3-2-l。

直流力矩電動(dòng)機(jī)按有無電刷裝置分類，又可分為有刷和無刷直流力矩電動(dòng)機(jī)。直流力矩電動(dòng)機(jī)還確有限轉(zhuǎn)角直流力矩電動(dòng)機(jī)和雙力矩電動(dòng)機(jī)。直流力矩電動(dòng)機(jī)和低速高靈敏度直流測(cè)速發(fā)電機(jī)組裝在一起，組成力毛測(cè)速機(jī)組，使結(jié)構(gòu)更緊湊。

(二)特點(diǎn)

(1)折算到負(fù)載軸上的轉(zhuǎn)矩／慣量比高。在圖3-2-2中，兩種不同的驅(qū)動(dòng)方案都是為了使負(fù)載得到所需的同樣的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。當(dāng)兩個(gè)電動(dòng)機(jī)有相同的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)，即JT1=JT2,此時(shí)兩種方案折算到負(fù)載軸的轉(zhuǎn)矩／慣量比分別如上：比較式(3-2-1)和式(3-2-2)，盡管普通高速電動(dòng)機(jī)經(jīng)過減速，轉(zhuǎn)矩增大i倍，但電機(jī)慣量卻被放大i2倍(其中尚未計(jì)及減速器的慣量)，其結(jié)果是普通高速電動(dòng)機(jī)的力矩／慣量比反而減小i倍。

由于理論加速度a=TP/JT而轉(zhuǎn)矩／慣量比的大小直接反映了加速能力。直接驅(qū)動(dòng)用的直流力矩電動(dòng)機(jī)其輸出轉(zhuǎn)矩主要消耗在推動(dòng)負(fù)載加速上·而普通高速電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩則大部分消耗在加速電動(dòng)機(jī)和齒輪所增加的慣量上。

(2)具有較快的響應(yīng)速度。由于直接驅(qū)動(dòng)能得到較大的理論加速度，而在直流力矩電動(dòng)機(jī)與普通直流伺服電動(dòng)機(jī)慣量相近的情況下，力矩電動(dòng)機(jī)的機(jī)械時(shí)間常數(shù)要小(一般為十幾毫秒到幾十毫秒)，加之電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)為磁極對(duì)數(shù)較多，電樞鐵心磁通密度度高．使電樞電感小到可以忽略的程度，以致電氣時(shí)間常數(shù)可以小到幾毫秒或零點(diǎn)幾毫秒，從而使電動(dòng)機(jī)隨著電樞電流的增加而力矩增長很快。因而在足夠的輸出轉(zhuǎn)矩條件下，可使系統(tǒng)的剛度大增加，動(dòng)態(tài)精度得以提高。

(3)較高的速度和位置分辨率。用齒輪減速的普通直流伺服電動(dòng)機(jī)，往往難于齒輪齒隙而降低伺服系統(tǒng)的精度。因而從某種意義上講，直流力矩電動(dòng)機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展是為了消除減速機(jī)構(gòu)的齒隙和彈性變形所帶來的缺陷而發(fā)展起來的．特別是對(duì)于為獲得很好品質(zhì)因數(shù)的系統(tǒng)而言更有必要。

由圖3-2-3可見，有齒隙的減速器驅(qū)動(dòng)，不僅在零點(diǎn)附近有一個(gè)“死區(qū)”而且在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中附加了彈性變形和加速度誤差，從而大大降低了系統(tǒng)速度和位置的精度。在采用直流力矩電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)時(shí)，由于革除了精度要求高的減速齒輪，使電動(dòng)機(jī)與負(fù)載軸直接耦合，消除了由于齒隙而引起的非線性因素，可使系統(tǒng)的放大倍數(shù)做得很高而仍然保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。同時(shí)由于直接驅(qū)動(dòng)縮短了傳動(dòng)鏈，提高了裝置韻機(jī)械耦合剛度，減少了傳動(dòng)部件的彈性變形，因而可以大大提高整個(gè)傳動(dòng)裝置的自然共振頻率．可遠(yuǎn)遠(yuǎn)避開系統(tǒng)所能達(dá)到的響應(yīng)

率上限。這樣給系統(tǒng)得到滿意的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能創(chuàng)造了前提?？墒瓜到y(tǒng)獲得寬的頻率響應(yīng)和高的精度以及高的伺服剛度，從而為獲得極低速的無爬行平穩(wěn)運(yùn)行找到了一個(gè)新的途徑。

(4)特性線性度好。由于這類電機(jī)采用較好的軟磁和硬磁材料，磁路高度飽和，氣隙選擇恰當(dāng)，電機(jī)的磁路設(shè)計(jì)保證其在連續(xù)運(yùn)行時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩與輸入電流成正比關(guān)系，從而使電機(jī)的線性度好，為系統(tǒng)的靈活控制和平穩(wěn)運(yùn)行剖造了條件。

(5)低速時(shí)輸出力矩大，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，運(yùn)行平穩(wěn)，可以革除減速齒輪，而使電動(dòng)機(jī)本身可動(dòng)部件少，功耗小。又由于電動(dòng)機(jī)基本處于低速或堵轉(zhuǎn)狀態(tài)．機(jī)械噪音小傳動(dòng)振動(dòng)小，使裝置簡(jiǎn)單、可靠，結(jié)構(gòu)緊湊。在滿足技術(shù)要求的條件下，盡可能地減小電機(jī)尺寸和重量,降低各軸系工作在最大加速度時(shí)的電流和電壓，以減小功率放大器的難度?；谏鲜隹紤]，本三軸臺(tái)所選的電機(jī)型號(hào)及技術(shù)性能見下表：名稱內(nèi)框電機(jī)中框電機(jī)外框電機(jī)電機(jī)型號(hào)250LYX06320LYX560LYX空載轉(zhuǎn)速（rpm）806045峰值堵轉(zhuǎn)力矩（Nm）90200980峰值堵轉(zhuǎn)電流（A）14.513.550峰值堵轉(zhuǎn)電壓（V）6012095連續(xù)堵轉(zhuǎn)力矩（Nm）4580410連續(xù)堵轉(zhuǎn)電流（A）7.255.421數(shù)量（臺(tái)）2212.1.4直流力矩電機(jī)的計(jì)算分析轉(zhuǎn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)為直流力矩電機(jī)[9][10]。直流力矩電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩％為：Tm=CmΦIa=KtIa3-1式中：Tm——電磁轉(zhuǎn)矩，N·MCm、Kt——電機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)Φ——單極磁通，WbIa——直流電機(jī)電樞電流，A電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩并不都是電磁轉(zhuǎn)矩，因?yàn)殡姍C(jī)本身的機(jī)械摩擦和電樞鐵芯的渦流、磁滯損耗等都會(huì)引起阻轉(zhuǎn)矩，設(shè)電機(jī)本身的阻轉(zhuǎn)矩加上負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩為總阻轉(zhuǎn)矩Tf，當(dāng)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)候，存在轉(zhuǎn)矩平衡方程式： Tm=Tf+Tl3-2在實(shí)際中，有些電動(dòng)機(jī)經(jīng)常運(yùn)行在速度變化的情況下，如電機(jī)啟動(dòng)、停止和反轉(zhuǎn)，因此必須考慮速度變化的轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系。當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)部分(轉(zhuǎn)子與負(fù)載)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量將產(chǎn)生慣性轉(zhuǎn)矩TfTj=J* 3-3式中：J——折算到電機(jī)輸出軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Kg·m2Tj——慣性轉(zhuǎn)矩，N．mw——電動(dòng)機(jī)的角速度，rad／s——電動(dòng)機(jī)的角加速度，rad／s2并且電機(jī)的總阻轉(zhuǎn)矩中與轉(zhuǎn)子角度成線性關(guān)系的那部分轉(zhuǎn)矩被稱為粘滯摩擦分量或者稱為粘滯阻尼分量，將它從摩擦轉(zhuǎn)矩中分開，此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式為：Tm=Tf+Tl+Tj+Bw3-4式中：Tm——電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，N·MTl負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N．MTf——摩擦轉(zhuǎn)矩，N．MB——粘滯摩擦系數(shù)式(3-4)表示了轉(zhuǎn)速變化是電動(dòng)機(jī)軸的轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系，因此被稱為電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩平衡方程，其中召留非常小，可以忽略不計(jì)。2.1.5框架的選材內(nèi)框、中框、外框均用ZL201鑄造，轉(zhuǎn)臺(tái)底座采用HT300鑄造。ZL201的密度為2.78，力學(xué)性能為抗拉強(qiáng)度為310MPa,伸長率大于等于3%。而Q235-A的密度為7.8,力學(xué)性能為屈服極限大于等于220MPa,強(qiáng)度極限為380～400MPa,伸長率大于等于2%?？梢?，ZL201的力學(xué)性能與Q235-A的力學(xué)性能相近，但ZL201的密度僅約為Q235-A的密度的三分之一。所以選擇ZL201可以減輕旋轉(zhuǎn)軸系的重量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，減小驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩、重量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度及控制精度。轉(zhuǎn)臺(tái)底座起固定和支撐作用，力學(xué)性能足夠，成本低，采用鑄造底座可降低轉(zhuǎn)臺(tái)的制造成本。支撐內(nèi)框、中框、外框的軸的材料均選用碳剛，既能保證軸的強(qiáng)度、剛度要求，又能鑄出中空的軸孔?？傊?，X、Y、Z軸軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)件在滿足強(qiáng)度、剛度等條件下，材料盡量采用鋁合金，而底座上不轉(zhuǎn)動(dòng)的零件根據(jù)使用要求可采用鑄鐵、碳鋼等.2.2轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)臺(tái)的總體設(shè)計(jì)采用U-O-O的結(jié)構(gòu)，具體裝配形式和結(jié)構(gòu)見下。[11]2.2.1外環(huán)裝配示意圖外環(huán)采用高精度平面推力球軸承，以承受來自內(nèi)中環(huán)軸系的巨大傾覆負(fù)載，并對(duì)平面推力球軸承施加預(yù)負(fù)載，提高平面推力球軸承的剛度；采用一對(duì)帶有預(yù)緊力的背靠背角接觸球軸承和一對(duì)帶有預(yù)緊力的面對(duì)面角接觸球軸承共同支撐外環(huán)軸，以保證主軸的徑向跳動(dòng)。[12]圖2.2.1-1外環(huán)和底座裝配示意圖二維圖2.2.2中環(huán)裝配示意圖與外環(huán)不同中環(huán)與外環(huán)之間不再設(shè)計(jì)單獨(dú)的軸，而是采用了直接在中環(huán)上引出軸系，以減少裝配誤差，提高轉(zhuǎn)臺(tái)精度。如圖[13]圖2.2.2-1中框結(jié)構(gòu)示意圖圖2.2.2-2內(nèi)框結(jié)構(gòu)示意圖2.2.3內(nèi)環(huán)裝配示意圖與外環(huán)不同中環(huán)與外環(huán)之間不再設(shè)計(jì)單獨(dú)的軸，而是采用了直接在中環(huán)上引出軸系，以減少裝配誤差，提高轉(zhuǎn)臺(tái)精度。與中環(huán)不同內(nèi)環(huán)不再設(shè)計(jì)電機(jī)安裝座，而是采用了直接在內(nèi)中環(huán)上引出軸系，以減少裝配誤差，提高轉(zhuǎn)臺(tái)精度。置于工作臺(tái)面，可以安裝在內(nèi)框架內(nèi)，如圖：2.2.4總裝配示意圖總裝配示意三維圖，在裝配外框和底座的時(shí)候應(yīng)注意按二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求安裝。并且注意，所選擇的框架除底座外是鑄鋁，底座是灰鐵，最重要的是，為減輕轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)精度和快速響應(yīng)的影響，一律采用中空結(jié)構(gòu)，這樣也方便布線！圖2.2.4-1三軸轉(zhuǎn)臺(tái)總裝三維示意圖2.2.5零件示意圖 零件示意圖請(qǐng)見圖紙。3伺服系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)3.1伺服系統(tǒng)的組成本轉(zhuǎn)臺(tái)采用的伺服系統(tǒng)有以下主要部分組成：見圖圖3.1-1伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖由圖可知，通過信號(hào)反饋檢測(cè)元件，與控制通道在機(jī)械本體之間構(gòu)成了速度和位置反饋，從而控制轉(zhuǎn)臺(tái)的速度和位置。3.2三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的工作原理除動(dòng)力模塊外，本機(jī)械有執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控對(duì)象、傳感與檢測(cè)裝置，控制裝置，滿足控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。對(duì)于多執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制，采用了串口分配控制，由計(jì)算機(jī)軟件參數(shù)控制。[14]對(duì)于本轉(zhuǎn)臺(tái)，由機(jī)械本體上的傳感檢測(cè)裝置，把信號(hào)，包括位置和速度信號(hào)出給控制器，由控制器調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。首先，用戶通過計(jì)算機(jī)用戶界面設(shè)置運(yùn)動(dòng)參數(shù)，完成設(shè)備的運(yùn)動(dòng)的初始化設(shè)置，然后，由DSP構(gòu)成信號(hào)的相互傳遞[15]，再驅(qū)動(dòng)直流驅(qū)動(dòng)器，由直流驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，后驅(qū)動(dòng)機(jī)械本體，有機(jī)械本體上的傳感檢測(cè)反饋給DSP，從而完成反饋。3.3伺服系統(tǒng)硬件的選擇常用的轉(zhuǎn)臺(tái)控制技術(shù)，主要硬件實(shí)現(xiàn)方式有以下三種：1、以單片機(jī)為系統(tǒng)的控制中心，這種經(jīng)典、傳統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)因其集成度低、運(yùn)算速度慢，而使得系統(tǒng)硬件接口電路復(fù)雜，軟件接口繁多，而使得系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起來特別龐大，且實(shí)時(shí)性不高，可靠性低，抗干擾能力弱，現(xiàn)在不常用。[16]2、采用以DSP為系統(tǒng)控制核心的專用運(yùn)動(dòng)控制器為系統(tǒng)的控制主體，這種系統(tǒng)集成度商，接口簡(jiǎn)單，開放性好，能實(shí)現(xiàn)位置控制，多軸耦合等。3、采用高速的數(shù)據(jù)采集卡，伺服控制算法由Pc機(jī)進(jìn)行處理，其軟件通用性好，編程靈活，加上實(shí)時(shí)擴(kuò)展系統(tǒng)，可以滿足實(shí)時(shí)處理的要求，達(dá)到高精度。被控制系統(tǒng)采用了，2和3的混合控制、其選擇的硬件設(shè)備如下。3.3.1直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選擇濟(jì)南科亞電子科技有限公司的MMTDPS。該伺服驅(qū)動(dòng)器采用全方位保護(hù)設(shè)計(jì)，具有高效率傳動(dòng)性能：控制精度高、線形度好、運(yùn)行平穩(wěn)、可靠、響應(yīng)時(shí)間快、采用全隔離方式控制等特點(diǎn)，尤其在低轉(zhuǎn)速運(yùn)行下有較高的扭矩及良好的性能，在某些場(chǎng)合下和交流無刷伺服相比更能顯示其優(yōu)異的特性，并廣泛應(yīng)用于各種傳動(dòng)機(jī)械設(shè)備上。其主要技術(shù)參數(shù)

控制電源電壓AC：110系列：AC：110V±10%220系列：AC：220V±10%

主電源電壓AC：110系列：AC40110V220系列：AC50220V

輸出電壓DC：110系列：0—130V或其它電壓可設(shè)定220系列：0—230V或其它電壓可設(shè)定

額定輸出電流：DC5A（最大輸出電流10A）DC10A（最大輸出電流15A）圖3.3.1-1MMT-DPSDC20A（最大輸出電流25A）

控制精度：0.1%

輸入給定信號(hào)：0—±10V

測(cè)速反饋電壓：7V/1000R9.5V/1000R13.5V/1000R20V/1000R其安裝環(huán)境要求：

環(huán)境溫度：-5oC~+50oC

環(huán)境濕度：相對(duì)濕度≤80RH。（無結(jié)露）

避免有腐蝕氣體及可燃性氣體環(huán)境下使用

避免有粉塵、可導(dǎo)電粉沫較多的場(chǎng)合

避免水、油及其他液體進(jìn)入驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部

避免震動(dòng)或撞擊的場(chǎng)合使用

避免通風(fēng)不良的場(chǎng)合使用部分接口和使用說明見電控接線圖，端子名稱相符合，與具體事物的排列有所不同。3.3.2圓光柵編碼器增量式Y(jié)GM506的選擇適用范圍：自動(dòng)裝配機(jī)和自動(dòng)生產(chǎn)線、機(jī)床、包裝機(jī)、印刷機(jī)、木工機(jī)械、制圖儀、測(cè)量?jī)x、坦克、大炮、艦艇、塑料切割機(jī)械、石油鉆探和輸油管系統(tǒng)。產(chǎn)品說明產(chǎn)地南京 規(guī)格/型號(hào)YGM506適用范圍自動(dòng)裝配機(jī)和自動(dòng)生產(chǎn)線、機(jī)床、包裝機(jī)、印刷機(jī)、木工機(jī)械、制圖儀、測(cè)量?jī)x、坦克、大炮、艦艇、塑料切割機(jī)械、石油鉆探和輸油管系統(tǒng)常規(guī)參數(shù)工作溫度范圍0℃～70℃或按要求圖3.3.2-2圓光柵編碼器工作電壓5V±5％（200MaMax）、12V±5％、15V±5％、±15V±5％、24V±5％3.3.3穩(wěn)壓器的選擇來自上海的產(chǎn)品3.3.4軟件可編程器件的選擇TMS320系列DSP是軟件可編程器件，具有通用微處理器所具有的方便靈活的特點(diǎn)。其基本特點(diǎn)有：哈佛結(jié)構(gòu)，流水線操作，專用的硬件乘法器，特殊的DSP指令，快速的指令周期。這些特點(diǎn)使得TMS320系列DSP可以實(shí)現(xiàn)快速的DSP運(yùn)算，并使大部分運(yùn)算能夠在一個(gè)指令周期完成。常用系列：TMS320C2000系列，TMS320C5000系列和TMS320F6000系列。3.3.5串口卡的選擇關(guān)于UART[17]因?yàn)橛?jì)算機(jī)內(nèi)部采用并行數(shù)據(jù)，不能直接把數(shù)據(jù)發(fā)到Modem，必須經(jīng)過UART整理才能進(jìn)行異步傳輸，其過程為：CPU先把準(zhǔn)備寫入串行設(shè)備的數(shù)據(jù)放到UART的寄存器（臨時(shí)內(nèi)存塊）中，再通過FIFO（FirstInputFirstOutput，先入先出隊(duì)列）傳送到串行設(shè)備，若是沒有FIFO，信息將變得雜亂無章，不可能傳送到Modem。它是用于控制計(jì)算機(jī)與串行設(shè)備的芯片。有一點(diǎn)要注意的是，它提供了RS-232C數(shù)據(jù)終端設(shè)備接口，這樣計(jì)算機(jī)就可以和調(diào)制解調(diào)器或其它使用RS-232C接口的串行設(shè)備通信了。作為接口的一部分，UART還提供以下功能：將由計(jì)算機(jī)內(nèi)部傳送過來的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為輸出的串行數(shù)據(jù)流。將計(jì)算機(jī)外部來的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字節(jié)，供計(jì)算機(jī)內(nèi)部使用并行數(shù)據(jù)的器件使用。在輸出的串行數(shù)據(jù)流中加入奇偶校驗(yàn)位，并對(duì)從外部接收的數(shù)據(jù)流進(jìn)行奇偶校驗(yàn)。在輸出數(shù)據(jù)流中加入啟停標(biāo)記，并從接收數(shù)據(jù)流中刪除啟停標(biāo)記。處理由鍵盤或鼠標(biāo)發(fā)出的中斷信號(hào)（鍵盤和鼠標(biāo)也是串行設(shè)備）?？梢蕴幚碛?jì)算機(jī)與外部串行設(shè)備的同步管理問題。有一些比較高檔的UART還提供輸入輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，現(xiàn)在比較新的UART是16550，它可以在計(jì)算機(jī)需要處理數(shù)據(jù)前在其緩沖區(qū)內(nèi)存儲(chǔ)16字節(jié)數(shù)據(jù)，而通常的UART是8250?，F(xiàn)在如果您購買一個(gè)內(nèi)置的調(diào)制解調(diào)器，此調(diào)制解調(diào)器內(nèi)部通常就會(huì)有16550UART。CP-168EL-A是一款8口PCIExpress多串口卡，針對(duì)POS和ATM應(yīng)用而設(shè)計(jì)，可以用于工業(yè)自動(dòng)化制造系統(tǒng)和系統(tǒng)集成。CP-168EL-A可以兼容任何主流操作系統(tǒng)如：Windows、Linux和Unix，它的8個(gè)RS-232串口均可支持高達(dá)921.6Kbps的通信速率，并提供全調(diào)制解調(diào)器控制信號(hào)，確保與外圍串口設(shè)備的兼容性。此外，由于該卡片使用的是PCIExpressx1插槽，從而適用于任何類型的PCIExpress插槽。設(shè)計(jì)緊湊，CP-168EL-A低檔板設(shè)計(jì)，并能與各種PCIExpress插槽兼容。該卡片僅需3.3VDC供電，這意味著它們可適用于各類PC機(jī)。支持Windows、Linux和Unix主流操作系統(tǒng)，Moxa的產(chǎn)品支持各種各樣的主流操作系統(tǒng)，CP-168EL-A也不例外。Moxa可以為用戶提供穩(wěn)定可靠的WindowsCOM和Linux/UnixTTY驅(qū)動(dòng)，此外還支持WEPOS嵌入式應(yīng)用。規(guī)格硬件通信控制器：兼容16C550C圖3.3.4MOXACP-168EL-A

總線接口：PCIExpressx1

連接器：VHDCI68

串口口數(shù)：8

串口標(biāo)準(zhǔn)：RS-232

最大版口數(shù)：4

線性保護(hù)ESD保護(hù)：板載15KV

性能波特率：50bps~921.6Kbps

串口通訊參數(shù)數(shù)據(jù)位：5，6，7，8

停止位：1，1.5，2

校驗(yàn)位：None，Even，Odd，Space，Mark

流量控制：RTS/CTS，XON/XOFF

串行信號(hào)RS-232：TxD，RxD，RTS，CTS，DTR，DSR，DCD，驅(qū)動(dòng)支持操作系統(tǒng)：Windows2000,WindowsXP/2003/Vista/2008/7x86/x64,DOS,Linux2.4,2.6x86/x64,QNX6,SCOOpenServer5/6,UnixWare7

3.3.6雙電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)本三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的中框和內(nèi)框均采用雙點(diǎn)支撐，和雙電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)。一方面提供足夠的力矩，另一方面可以使系統(tǒng)在轉(zhuǎn)動(dòng)中保持動(dòng)態(tài)平衡。如過采用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)，雖然有利于經(jīng)濟(jì)性的設(shè)計(jì)，但必然造成兩端受力不均，進(jìn)而配重，對(duì)胎體的校核計(jì)算提出較高要求，很難提高轉(zhuǎn)臺(tái)的精度很動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。經(jīng)典的雙電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)有[18][19]：圖3.3.5-1雙電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)典型框圖對(duì)于硬件連接的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速被強(qiáng)制同步，因此保證電機(jī)的出力平衡將是轉(zhuǎn)臺(tái)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。顯然如果兩臺(tái)電機(jī)由一套驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，電機(jī)性能的差異將導(dǎo)致出力的不平衡，而且這種差異是無法調(diào)節(jié)的，因而不宜采用。而采用兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)器分別控制兩臺(tái)電機(jī)關(guān)鍵在于驅(qū)動(dòng)器間的聯(lián)系與控制，一般有轉(zhuǎn)速隨動(dòng)和轉(zhuǎn)矩隨動(dòng)兩種形式。其中轉(zhuǎn)矩隨動(dòng)方式更容易實(shí)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)性能更好，故經(jīng)典的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了這種方式。而本文采用了軟件編程的控制方式，在經(jīng)濟(jì)性和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易性方面有一定改變。3.4伺服控制系統(tǒng)的硬件接線圖圖3.4-1伺服控制系統(tǒng)接線控制圖詳細(xì)的接線圖見附件4三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)仿真4.1概述工程師無需等待物理原型就能測(cè)試產(chǎn)品的動(dòng)力行為。利用機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真，可以虛擬地仿真包含運(yùn)動(dòng)元件的系統(tǒng)中的作用力和加速度。而且，可以綜合考慮諸如彈簧、電動(dòng)機(jī)、摩擦力和重力等動(dòng)力影響，相應(yīng)地調(diào)整產(chǎn)品性能。改善檢驗(yàn)和認(rèn)證過程并最大程度地提高設(shè)計(jì)信心，而無需承受制造昂貴原型的負(fù)擔(dān)。4.1.1主要優(yōu)點(diǎn)?與設(shè)計(jì)和分析工具完全集成，從而無需再花費(fèi)時(shí)間、精力和金錢來處理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和關(guān)聯(lián)的錯(cuò)誤?可以創(chuàng)建虛擬樣機(jī)在桌面計(jì)算機(jī)中進(jìn)行測(cè)試，從而降低開發(fā)成本?能夠更快速和更早地將變更反映在產(chǎn)品中，并從桌面計(jì)算機(jī)測(cè)試中即時(shí)獲得結(jié)果?通過縮短開發(fā)時(shí)間率先向市場(chǎng)推出更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品?通過對(duì)產(chǎn)品壽命進(jìn)行更準(zhǔn)確的估計(jì)，從而可降低保修成本?利用具體的動(dòng)畫式生產(chǎn)指令進(jìn)行裝配，可以避免代價(jià)高昂的制造錯(cuò)誤?通過利用從虛擬測(cè)試中所節(jié)省的時(shí)間來評(píng)估更多設(shè)計(jì)構(gòu)思，從而可開發(fā)出更新穎的產(chǎn)品?在易于學(xué)習(xí)、直觀明了的用戶界面中工作?測(cè)量定制規(guī)格并用圖形表示定制規(guī)格，例如特定接頭處的速度?用圖表表示主要反作用力（如負(fù)載和扭矩），使分析人員能更好地了解到產(chǎn)品在特定環(huán)境下的具體表現(xiàn)?使用圖形和動(dòng)畫與其他人員共享結(jié)果；將表格式數(shù)據(jù)輸出到電子表格以供進(jìn)一步分析?將實(shí)際運(yùn)動(dòng)與圖形結(jié)果進(jìn)行比較4.1.2研究復(fù)雜的實(shí)際情況利用高級(jí)運(yùn)動(dòng)分析更加靈活地研究復(fù)雜的實(shí)際情況?使用靜態(tài)分析確定靜態(tài)平衡點(diǎn)的載荷?分析傳送帶連接、槽電動(dòng)機(jī)、動(dòng)態(tài)齒輪和普通齒輪，以了解所有運(yùn)動(dòng)關(guān)系?利用反向靜態(tài)載荷確定使機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)所需的作用力（力平衡）?輕松創(chuàng)建機(jī)構(gòu)中選定組件的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)包絡(luò)零件，以用于空間聲明研究或在任何裝配中用作占位符?創(chuàng)建用戶定義的作用力和電動(dòng)機(jī)概覽圖，從中得出測(cè)量的作用力、扭矩、時(shí)間、加速度、速度或位置的定制函數(shù)?為智能的比例-積分-微商(PID)控制器以及非線性彈簧和阻尼器建立模型4.2三軸轉(zhuǎn)臺(tái)仿真過程[20]本設(shè)計(jì)的三軸轉(zhuǎn)臺(tái)用UG進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，一些運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫截屏如下，在這里尤其要感謝張老師的耐心指導(dǎo)和幫助。在以前的研究中，轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的研發(fā)方式多采用傳統(tǒng)方式(實(shí)體樣機(jī))，這樣對(duì)臺(tái)體結(jié)構(gòu)特性，包括剛度、強(qiáng)度、頻率響應(yīng)曲線、裝配特性、控制率特性等，由于沒有預(yù)先的仿真分析，在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和裝配臺(tái)體時(shí)沒有可靠的技術(shù)性能支持，可能出現(xiàn)零件的返工，臺(tái)體的重新設(shè)計(jì)等，這些因素都使轉(zhuǎn)臺(tái)研制的周期延長，增加開發(fā)成本和缺少強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)。如果采用虛擬樣機(jī)技術(shù)、虛擬顯示與可視化、先進(jìn)控制技術(shù)與有限元等技術(shù)則可以從一定程度上解決上述問題。圖4.2-1運(yùn)動(dòng)仿真1圖4.2-2運(yùn)動(dòng)仿真2本文對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)剛度分析及動(dòng)力學(xué)分析具有重要的意義。在內(nèi)框不轉(zhuǎn)，中框旋轉(zhuǎn)的過程中，外框軸的運(yùn)動(dòng)仿真如下。力的仿真時(shí)間設(shè)定為15秒，并可輸出各種力學(xué)數(shù)據(jù)，外框軸承受的力的變化曲線如圖所示。力據(jù)的仿真時(shí)間設(shè)定為10秒，并可輸出各種力學(xué)數(shù)據(jù)，外框軸承受的力據(jù)的變化曲線如圖所示。圖4.2-3外框軸受力變化曲線圖4.2-4外框軸扭矩變化曲線由圖分析，此設(shè)計(jì)受力雖然有一定的規(guī)律，接近循環(huán)應(yīng)力，基本符合設(shè)計(jì)要求，滿足轉(zhuǎn)臺(tái)的技術(shù)要求，但是短時(shí)間內(nèi)力的變化也較大，有可能造成沖擊或震蕩，需要一定改進(jìn)，或限制運(yùn)動(dòng)范圍。此仿真結(jié)果，如力、扭矩等信息，也能為之后的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及輕量化設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。結(jié)合相關(guān)材料以及本次設(shè)計(jì)仿真，總結(jié)如下經(jīng)驗(yàn)：在轉(zhuǎn)臺(tái)建模仿真過程中，通過分析轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)主要部件力學(xué)特性，在轉(zhuǎn)臺(tái)UG數(shù)模的基礎(chǔ)上，對(duì)各種特征進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化，采用合適的單元類型，控制模型規(guī)模和質(zhì)量，是確保分析精度的必要條件。對(duì)于轉(zhuǎn)臺(tái)的研究，要校核多種載荷工況下，根據(jù)不同的邊界條件，進(jìn)行多種受力情況的仿真計(jì)算，以達(dá)到考核多種剛度指標(biāo)的目的。多種工況下的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)分析，可以找到轉(zhuǎn)臺(tái)在實(shí)際工況中的變形趨勢(shì)，便于對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)剛度進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)轉(zhuǎn)臺(tái)的動(dòng)態(tài)性能要求，應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，以得到框架結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，并找出框架結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)激勵(lì)時(shí)的薄弱環(huán)節(jié)，并對(duì)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，提高了其一階固有頻率，為之后的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、優(yōu)化提供了參考。通過仿真模擬，對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)有一定的設(shè)計(jì)成型試制的感覺，對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的實(shí)際應(yīng)用和滿足轉(zhuǎn)臺(tái)的要求有一定指導(dǎo)意義。5結(jié)論本文針對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)仿真的主要性能指標(biāo)，做了一定的分析，參考了相關(guān)的資料，并從九江精密測(cè)試技術(shù)研究所得到一定的產(chǎn)品說明。由于此設(shè)備是高精密設(shè)備，很難找到樣本，所以按老師的安排，我首先對(duì)三軸轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括標(biāo)準(zhǔn)件的選型；其次是對(duì)三軸轉(zhuǎn)臺(tái)仿真進(jìn)行伺服仿真控制，幾乎沒有自己設(shè)計(jì)，這里主要是參考一定的資料，和使用說明書，完成一定的接線；最后是對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真完成一定的技術(shù)參數(shù)，由定性分析到定量分析。本論文的研究工作和成果大致如下：1、完成對(duì)三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的數(shù)學(xué)模型的建立和設(shè)計(jì)，以及部分零部件的設(shè)計(jì)和選配等。2、完成對(duì)三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括相關(guān)零部件和產(chǎn)品的選配以及組裝。3、完成對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真完成