（机械电子工程专业论文）平面移动吊装机构研究.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad is s e r t a ti o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g o r i z o n t a l - m o v i n gh o i s t i n g s y s t e m c a n d i d a t e ：l io i n g j i n s u p e r v is o r ：p r o f z h a n gj i n y u a c a d e m i cd e g r e ea p p li e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l t y ： m e c h a n i c a l e 1 e c t r o n i ce n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m i s s i o n ：d e c e m b e r ，2 0 0 9 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。h 作者( 签字) ：铈芭 日期： 7 t , 矽年z 月d - e l 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 留在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：绷也 导师( 签字) ：彳l 绘嗲易绚 一： l 一| 一 1 日期：砂庐年狷ir 日伊矽年弓月日j 哈尔滨。r 稃大学硕十学何论文 摘要 在自动化生产现场，能有效、快速地把所需物料搬运至适当地点的自动 化物料吊装系统越来越受人所重视。目前广泛应用的吊装机械在搬运物料时， 定位精度不够精确和稳定性不足等问题是困扰其生产效率提高的主要问题。 所以，开发和应用能够适应现代企业发展需求的新型物料吊装设备具有比较 大的现实应用意义。 本课题在比较国内外新型吊装设备的基础上，设计了吊装机构的轨道系 统、水平驱动系统和倾角检测系统的机械结构，阐述了各部分的功能和工作 原理，并对关键部位进行了载荷分析。同时，应用分析力学的相关知识建立 了吊装机构的动力学模型，通过仿真验证了该数学模型的有效性。 针对常见吊装机械设备定位和消摆方面的不足，本文依据吊装机构动力 学模型提出了一种基于p i d 理论的机构双闭环防摆控制方案，利用经典控制 理论的相关知识设计了系统内、外环控制器，并对控制器的仿真结果进行对 比分析。 根据吊装机构的实际情况，本文引入基于d s p a c e 的半实物仿真技术， 通过d s p a c e 实时硬件中的单板系统将吊装机构实物置于整个控制回路当 中，利用d s p a c e 建立控制系统模型，实时调整其控制参数，验证和观测p i d 控制算法的控制效果。最后进行了吊装机构控制系统的速度闭环控制、位置 闭环控制、参考速度输入、防摆算法控制实验，通过实验避免了吊装机构建 模的不准确性对系统误差和控制精度的影响。 关键词：水平移动；物料搬运；吊装机构；控制：半物理仿真 撕 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 a b s t r a c t i nt h ea u t o m a t e dp r o d u c t i o nf i e l d ，t h e r ei sg r o w i n gc o n c e r r lo nt h ea u t o m a t e d m a t e r i a l h a n d l i n g s y s t e m s w h i c hc a l lh a n d l et h en e c e s s a r ym a t e r i a l st o a p p r o p r i a t e l o c a t i o n se f f e c t i v e l ya n dq u i c k l y r e g a r d i n gt h ew i d e l ya p p l i e d h o i s t i n gm a c h i n e r yf o rh a n d l i n gm a t e r i a l s ，p o s i t i o n i n gi n a c c u r a c ya n di n s t a b i l i t y a r et h em a i ni s s u e st h a tp l a g u e i t s p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y t h e r e f o r e ，t h e d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no f n e wm a t e r i a l sh o i s t i n gd e v i c e sw h i c ha d a p tt ot h e d e v e l o p i n gr e q u i r e m e n to fm o d e me n t e r p r i s eh a v er e l a t i v e l yi m p o r t a n tp r a c t i c a l a p p l i c a t i o ns i g n i f i c a n c e o nt h eb a s i so fc o m p a r e dn e wh o i s t i n gd e v i c e sa th o m ea n da b r o a d ，t h i s p a p e rd e s i g n e dm e c h a n i c a ls t r u c t u r eo fr a i ls y s t e m ，t h eh o r i z o n t a ld r i v es y s t e m a n da n g l es e n s es y s t e mf o rh o i s t i n gs y s t e m ，d e s c r i b e dt h ef u n c t i o na n dw o r k i n g p r i n c i p l eo ft h ev a r i o u sp a r t s ，a n dm a k e dt h el o a da n a l y s i s o nk e yp a r t su s i n g a n s y s a tt h es a m et i m e ，e s t a b l i s h e dt h ed y n a m i cm o d e lo ft h eh o i s t i n gs y s t e m b ya p p l i e dk n o w l e d g eo fa n a l y t i c a lm e c h a n i c s ，v e r i f i e d t h ev a l i d i t yo ft h e m a t h e m a t i c a lm o d e l b ys i m u l a t i o n i no r d e rt os o l v et h ep o s i t i o n i n gi n a c c u r a c ya n di n s t a b i l i t yp r o b l e mi n c o m m o nh o i s t i n gd e v i c e s ，t h i s p a p e rp r o p o s e d ad o u b l e d o s e d l o o p p i d a n t i s w a yc o n t r o lp r o g r a ma c c o r d i n gt ot h ed y n a m i cm o d e lo fh o i s t i n gs y s t e m ， d e s i g n e dt h ec o n t r o l l e ro fi n n e r 1 0 0 pa n do u t e r - l o o pb yu s i n gt h ek n o w l e d g eo f c l a s s i c a lc o n t r o lt h e o r y , a n dm a k e dac o m p a r a t i v ea n a l y s i so fs i m u l a t i o nr e s u l t s a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c es i t u a t i o no fh o i s t i n gs y s t e m ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e d t h eh a r d w a r e i n l o o ps i m u l a t i o nb a s e do nd s p a c e ，p l a c e dt h eh o i s t i n gs y s t e m i n t ot h ec o n t r 0 1 1 0 0 pt h r o u g ht h ed s p a c er e a l - t i m eh a r d w a r e ，e s t a b l i s h e dc o n t r o l s y s t e mm o d e lu s i n gd s p a c e ，a d j u s t e di t sr e a l t i m ec o n t r o lp a r a m e t e r s ，v a l i d a t e d a n do b s e r v e dc o n t r o le f f e c to fp i dc o n t r o la l g o r i t h m f i n a l l y , i tc a r d e do u tt h e c l o s e d l o o ps p e e dc o n t r o le x p e r i m e n t ，d o s e d l o o pp o s i t i o nc o n t r o le x p e r i m e n t ， r e f e r e n c es p e e di n p u te x p e r i m e n ta n da n t i s w i n ga l g o r i t h mc o n t r o le x p e r i m e n t ，t o a v o i dt h ee f f e c to fi n a c c u r a c yo fh o i s t i n gs y s t e mm o d e l i n gf o rt h es y s t e me r r o r a n dc o n t r o la c c u r a c y 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 k e yw o r d s ：h o r i z o n t a lm o v i n g ；m a t e r i a lh a n d l i n g ；h o i s t i n gs y s t e m ；c o n t r o l ； h a r d w a r e i n - l o o ps i m u l a t i o n 哈尔滨：程人学硕+ 学何论文 目录 第1 章绪论1 1 1 选题的目的及意义一1 1 2 国外发展概况2 1 2 1 国外新型吊装机构发展2 1 2 2 国外吊装机构防摆控制发展6 1 3 国内发展概况8 1 3 1 国内新型吊装机构发展8 1 3 2 国内吊装机构防摆控制发展9 1 4 本文研究内容9 第2 章机械系统设计与分析1 1 2 1 弓l 言1 1 2 2 性能参数与总体结构方案1 1 2 3 空间轨道系统设计1 3 2 4 行走小车结构设计一1 4 2 4 1 行走小车驱动机构方案1 4 2 4 2 行走小车运行速度计算1 6 2 4 - 3 驱动电机功率校核。1 7 2 4 4 倾角检测系统设计1 8 2 5 力学性能分析1 9 2 5 1 不同工况下的轨道变形分析1 9 2 5 2 承载轮的有限元模型分析2 4 2 6 本章小结2 6 第3 章吊装机构数学模型2 7 3 1 引言2 7 3 2 吊装机构数学模型的建立2 7 3 2 1 吊装机构三维模型的描述2 7 3 2 2 吊装机构数学模型分析2 9 3 2 3 数学模型简化3 3 3 3 模型验证3 4 3 4 本章小结3 6 哈尔滨i ：稗大学硕十学位论文 第4 章吊装机构防摆控制仿真研究一3 7 4 1 引言3 7 4 2 吊装机构追踪轨迹规划3 7 4 2 1 速度参考曲线3 7 4 2 2 追踪轨迹规划3 8 4 3 双闭环p i d 控制器设计3 9 4 3 1p i d 控制的方案设计3 9 4 3 3 仿真分析4 5 4 4 本章小结4 7 第5 章实验研究4 8 5 1 引言4 8 5 2 实验控制系统4 8 5 2 1 控制系统方案4 8 5 2 2 实验系统电气装置4 9 5 2 3 电气装置抗干扰措施5 1 5 3 半实物仿真实验5 2 5 3 1d s p a c e 半实物仿真步骤5 2 5 3 2 伺服驱动器试机说明5 2 5 3 3 速度闭环仿真实验5 5 5 3 4 位置闭环仿真实验5 6 5 3 5 参考速度曲线仿真实验5 8 5 3 6 防摆定位控制仿真实验5 8 5 4 本章小结6 1 结论6 3 参考文献6 4 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果6 8 致 射6 9 哈尔滨 ：稃人学硕十学位论文 1 1 选题的目的及意义 第1 章绪论 在自动化生产系统上，是否能有效地把所需物料搬运至适当的地点，对 于系统的绩效有很大的影响。通常在生产的流程中，物料加工时间所占的比 例较小，相对花费在运送、等待的时间则占有相当大的比例。由国外统计资 料得知，一个产品的完成，平均有5 至2 5 制造时间是花在加工上，有7 5 至9 5 的时间是花在输送和等待上。所以t o m p k i n 和w h i t e ( 1 9 8 4 ) 曾清楚 地指出，在制造成本中，工件搬运成本占总加工成本的2 0 到5 0 。由此可 见，现今的工业，由于受到市场因素与企业竞争力的影响，为了提高生产力 及降低生产成本，故需减少输送的时间，才是提高竞争力的方法。 随着科技的日新月异以及工业的快速发展，用于物料搬运的吊装机械越 来越多地应用在工矿企业、货物码头、仓库的装卸和运输作业中，工业生产 中的自动化物料搬运系统越来越受人所重视。对生产率和人机工程学等问题 的关注，促使生产者和物料搬运吊装设备的使用者开发和应用新的设备和系 统。而在越来越多的自动化物料搬运设备中，负责搬运货物的吊装机械是一 种常见的设备。吊装机械主要用于吊载与运送货物以提升产能及工作效率， 其操作方式大部分采用专人手动驾驭控制，将负载物体由一起始位置搬运至 目标位置。然而在搬运过程中，经常产生负载摆荡的现象，尤其是在加速与 减速的瞬间最为严重，这是我们所不希望的，因为载重物的摆动可能会造成 负载重物本身的损毁，或是对周围物体或人员造成伤害，严重时可能使负载 物件脱落而造成意外，这种摆动现象不仅不利于提高物料搬运效率，还给吊 装机械机械结构带来不利，如增大吊装机械本体的疲劳程度，使吊装系统提 前报废等。因此，如何在能准确定位的同时，消除吊运过程中的重物摆动， 提高生产效率和降低操作工人劳动强度是吊装机械防摆控制研究的目的，此 问题的解决及成果的广泛应用将对提高生产效率和安全生产有重大意义。 自动化物料搬运的目的，是在制造系统中促成物料流动的合理化和自动 化。除了解决日益缺乏的劳力问题外，更能提高生产系统的效率和弹性。虽 然传统的用于物料搬运吊装机械设备( 如起重机、关节臂、平衡器、提升器等) 在人机工程学安全性方面具有积极的影响，但它们在有效性、精确性和安全 性方面的作用非常有限瞳。3 1 。因此，在生产作业现场中，开发和应用新的物料 哈尔滨i ：稃大学硕十学何论文 i i ii i i i i i i i i i i i i i i i i 搬运的设备和系统应具有以卜特点： ( 1 ) 具有弹性的物料流程规划与运作：可随不同的生产组合、批量大小 等做调整变更，具有变更搬运路径或增添数目的弹性，甚至进行系统扩充； ( 2 ) 系统的布置与工作环境具有高度的适应性：搬运系统易于设置、拆 除与移装，灵活运用于厂房空间； ( 3 ) 节省物料搬运的人工成本，并降低物料搬运过程中的损害，提高搬 运效率。 美国、德国和同本，在过去的十年不断改进物料搬运设备，在这方面已 经进行了一些富有意义的研究，研发了新一代人机工程设备，其中以由美国 c o b o t i c s 公司开发的一种用于物料搬运及装配作业的智能辅助搬运装置 ( 1 a d s ) 最具有代表性，该装置最早于上世纪9 0 年代由汽车工业和学术界的 一些工程师提出了这一构想h 刊，就是直接采用智能控制技术来提高物料搬运 及配送等应用场合操作工人的生产效率。智能辅助搬运装置( t a n s ) 采用智能 微处理器、伺服电机，应用“传感处理动作 的控制概念，每一台智能辅助 搬运装置( i a d s ) 装有专利产品“预知传感器 ，它将操作者的想要获得的运 动速度和方向定量化，这种信息经不间断地进行处理，指导智能辅助搬运装 置( i a d s ) 运动。该装置能显著减轻工作疲劳、提高生产力和安全性，目前已 广泛应用于丰田、通用、福特、本田等汽车公司订1 。 综上所述，在工业生产现场，开发和应用能够适应现代企业发展需求的 新型物料搬运设备和系统对提高劳动生产率和降低员工的劳动强度等具有重 大的意义，对应用于物料搬运的吊装机械的研究不仅具有比较大的现实应用 价值，还具有一定的拓展应用价值。同时，对吊装机械的消除摆动方面的研 究成果对柔性系统的控制具有一定的适用性。 1 2 国外发展概况 1 2 1 国外新型吊装机构发展 应用于工业生产现场的物料搬运设备是一个新兴的产业，近年在国际上 发展很快。在西方国家，如意大利、德国、瑞典、芬兰、美国等国家都有提 供一整套物料搬运解决方案的设备生产商，它们主要生产应用于装配生产线 或者其它涉及物料搬运、传递、打包、码垛等作业的物流机械设备。 美国的s t a n l e ya s s e m b l yt e c h n o l o g i e s 公司一直从事智能辅助物料搬运设 备的研究，并且在收购美国c o b o t i c s 公司后，依托c o b o t i c s 公司的技术优势， 2 哈尔滨+ i ：科人学硕十学位论文 将相关理论转化成成熟的应用级产品，且在汽车等生产线上得剑了广泛应用 8 - 1 0 。以该公司的智能轨道系统( i i l t e l l i g e n tr a i ls y s t e m ) 为例，智能轨道系统 ( i n t e l l i g e n tr a i ls y s t e m ) 一般由封闭式轨道系统、移动系统、提升系统、非接 触倾角传感器和吊钩等部分组成，如图1 1 所示。 图1 1 智能轨道系统( i n t e l l i g e n tr a i ls y s t e m ) 芬兰的科尼起重机新一代的c x t 钢丝绳电动起升机构打破传统的设计， 为物料搬运展现了一个全新的解决方案，如图1 2 所示。c x t 电动起升机构 的起升电机具有强劲的马力和良好的冷却特性，6 0 的接电持续率不但可以 满足短时期内频繁使用要求，而且增加了操作的可靠性，c x t 减速机构的传 动齿轮加工精确，齿面经硬化、研磨处理，确保长期无故障运行。小车运行 过程中变频控制系统的应用有效的解决装载物的摇摆，大直径卷筒设计大大 减少了吊钩起吊时的水平位移，从而使准确装载和定位变得更快捷方便。 德国的德马格( d e m a g ) 起重机械有限公司是世界著名的物料输送和驱动 设备生产商，并且一直致力于为用户提供最全面的物料搬运解决方案n 。如 图1 3 所示，为德马格起重机械有限公司生产地应用于工业生产现场的轻小 型物料搬运机械，该设备的电动运行小车由锥形转子发动机、减速器、墙板、 车轮和横梁等件组成，设计紧凑，空间利用率高，可以与工字钢轨道或h 型 钢轨道连接运行，通过各种标准部件的组合，使独立的单台设备能有机地组 成一个系统，实现复杂线路的物料搬运及各工位间物料传递及物件储运分配 等强大的网络功能，并以加快起升速度来提高工作效率，用变频行走电机来 降低晃动，达到载荷的精确定位和紧凑的极限尺寸。同时通过c a n - b u s 技 术将不同的检测执行元件与c p u 连接，在不同元件之间创建了可靠的数据 3 哈尔滨- - 稗人学硕十学何论文 交易。使用了该技术后，起重设备不冉仪仪是一个机械产品，而是成为智能 产品，能够自动检测自身工作状态，优化工作参数，从而保障运行的安全和 高效。 图1 2 科尼c x t 电动起升设备图1 3 德马格电动搬运设备 美国的英格索兰( i n g e r s o l l r a n d ) 公司在人机合作、助力机械、物料堆 垛等方面处于行业领先地位。其助力机械手的主要特点是：使重物全程无重 力化浮动，可以精确定位，重量感知系统适用于可变负载，控制手柄与夹具 集成一体，方便工件定位。当负载处于“零重力 的“漂浮”状态时，操作 者可以很轻易将负载起降，移动，旋转，前倾和侧翻等，并把负载快速、精 确地放置在预先设定的位置，利用它一个人就能得心应手地操作原来几个人 才能搬动的物品，或进行流水线上重复操作。整个机械手始终处于“失重” 状态，所有操作( 包括上升下降) 就象人的手及其关节样轻松自如，在设 计的工作范围内，任意时刻任意位置都保持“漂浮平衡，操作者可以轻松 随意的完成全部动作。图1 4 为该公司的人机合作型物料输送系统，使用该 系统可以很好地改进生产率，良好的人机合作性能避免由于人员操作安全产 生的生产停顿等问题n 2 | 。 美国g o r b e l 公司推出了用于物料搬运装配的智能物料提升设备g - f o r c e 和e a s y a r m ，如图1 5 所示，这种新产品是通过对货物施加额外作用力的方 式，以增大操作人员的力量。有了这种智能辅助提升设备的帮助，一个工人 就可以提起重量高达7 5 k g 的物体。该设备内的计算机系统可以感应货物的重 量并调整设备。这样，工人只需提升5 的货物重量，剩下的9 5 的重量由 4 哈尔滨f ：稃大学硕十学伊论文 该设备负荷。该产品特别适用十高速机动的生产环境“。 图1 4 英格索兰物料输送系统图1 5g f o r c e 智能物料提升设备 瑞典卡尔曼( k a l m a np r o d u k t e ra b ) 公司是欧洲著名的工业设备生产 商，其研发的q l 2 0 0 0 是一种新型快速物料搬运系统，包括带智能把手的提 升系统和水平移动系统，它的运动系统采用伺服电机驱动，可以快速响应操 作者的动作，从而大大的减轻了操作者的劳动强度和提高劳动效率。另外 q l 2 0 0 0 采用蓝牙技术，不需使用数据线，操作者仅通过服务计算机便可以 控制整个系统，该设备具有结构简单，操作方便等特点，适用于零部件的加 工车间和整机的装配生产线等需要搬运装配的场合n 划。目前，快速提升系统 已广泛用于沃尔沃汽车的各个生产线上。 意大利戴尔麦克( d a l m e c ) 公司在工业机械手技术领域处于国际领先地 位，d a l m e c 采用专门夹具和抗重力的平衡技术，研制的智能搬运系统可帮助 操作者“微重力”移动工件。其中m i n i p a r t n e r 系列机械手具有人机合作特性， 能与人在同一空间内进行作业引。该助力机械手可用于汽车装配线上或发动 机缸体、缸盖的加工中心上，代替人进行工件的上、下料搬运，通过改变手 爪形状，实现各种类型工件的搬运和装配作业。 韩国东星产机公司( d o n g s u n gi n d u s t r ym a c h i n e ) 研制了智能化物料搬运 设备，其最有代表性的是轨道自动车系统( r a i l & t r o l l e ys y s t e m ) ，它由封闭 式轨道系统、移动系统、气动提升系统和末端执行器等部分组成，轨道有d r a 和d r s 两种类型，材料采用铝、钢等金属，结构与i n g e r s o l l - r a n d 公司的 类似。移动系统是一个体积很小的滑动车，滑动车由车体和车轮组成，没有 5 哈尔滨f ：稗大学硕十学何论文 独立的驱动装置。工作时滑动牟安装在封闭式轨道的内部，在操作者拖拽下， 小车沿轨道内壁运动。该系统由标准零部件组合而成，安装拆卸方便。其优 点是能改善工作条件，不产生噪音和灰尘，工作平稳，可以大幅度的降低劳 动强度，提高生产力；缺点是移动系统没有导向结构、承载能力差，只适用 于质量较小零件的搬运装配场合n 引。 1 2 2 国外吊装机构防摆控制发展 在吊装机构防摆控制控制的研究上，国外学者从8 0 年代开始进行研究， 采用的控制方法多种多样，有经典控制理论，也有现代控制理论。从查阅的 文献来看，经典p i d 控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制、变结构 控制等控制方法都有应用。 1 经典控制方法 在吊装机构防摆控制的研究中，许多经典的控制方法被用来进行吊装机 构防摆、定位的控制。在文献 1 7 中，l e e 采用了根轨迹、频域法等常规分 析方法为主的古典控制方法与现在的智能控制相结合，设计了吊装机构的防 摆、定位控制器。文献 1 8 中，a l e s s a n d r o 提出了一种基于l y a p u n o v 稳定性 理论设计的吊装机构防摆控制器；文献 1 9 中k i s s b 等人提出了一种非线性 吊装机构的简单输出反馈p d 控制器设计方法；文献 2 0 中k a w a d a 等人提出 了吊装机构的提升负载的预定增益p d 摆动控制。图1 6 给出的是文献 1 7 中使用的吊装机构实物模型，此系统采用两级计算机控制。上位机为一台 u n i x 工作站，下位机采用摩托罗拉的m c 6 8 0 4 0 单片机系统。 图1 6 吊装机构试验模型 6 哈尔滨t 程人学硕十学何论文 2 适应控制 自适应控制是现代控制理论的一个分支，是控制理论中比较活跃的一个 领域，自从2 0 世纪6 0 年代以来，自适应控制理论在航空、航海、电力系统 等领域得到了广泛的应用。随着计算机技术的发展和理论的不断完善，自适 应水平控制的使用范围不断扩大。b o u s t a n y 等人较早的将自适应控制理论应 用到吊装机构的防摆控制中，并取得良好的控制效果暖卜捌。 3 模糊控制 1 9 5 6 年l a z a d e h 创建模糊数学，1 9 7 4 年英国工程师e h m a m d a n i 首 先将模糊集合理论应用于锅炉和蒸汽机的控制，在自动控制领域开辟了模糊 控制理论及其工程应用的崭新阶段。对于那些大时滞、非线性等难以建立精 确数学模型的复杂系统，应用模糊控制理论，通过计算机实现模糊控制可以 取得满意的控制效果。由于模糊控制的这一优点，使得模糊控制在工程中取 得广泛的应用。不少学者也将模糊控制应用与吊装机构防摆控制中，取得很 好的控制效果。o s a m ui t o h 在文献 2 4 将模糊控制用于吊装机构的防摆控制 当中。 4 变结构控制 变结构控制理论是2 0 世纪5 0 年代由苏联学者创立的一种控制系统设计 方法，由于其适用性、鲁棒性、控制形式的简单实用性等特点而得到广泛的 研究和使用。e r ，m j 等人将变结构控制应用于吊装机构防摆控制当中，取 得很好的控制效果。b a r t o l i n n i ，g 在文献 2 5 中提出了一种基于二阶滑模控 制方案，该方案对于像吊装机构这类系统动态模型不确定或参数不确定的系 统有很好的控制效果。 5 非线性控制 非线性控制理论是控制理论中重要的一部分，自然界的任何现象，从本 质来说，都是非线性的。人们在研究问题的时候，根据一定的条件，将非线 性问题线性化，从而便于研究。近年来，随这非线性理论的发展，不少学者 开始直接从非线性的角度研究问题。吊装机构从本质来看是一个高度非线性 的系统，近年来不少的国外学者直接从非线性的角度来研究吊装机构的防摆 控制问题，取得了丰富的学术成果。d a w s o n 等人在文献 2 6 中提出了基于饱 和控制的非线性二维吊装机构的控制策略。 7 哈尔滨t 稃人学硕十学何论文 1 3 国内发展概况 1 3 1 国内新型吊装机构发展 我国机械工业起步较晚，传统的物料搬运设备( 如起重机、关节臂、平衡 器、提升器等) 结构、功能相对比较简单，一般只具有重物提升功能，很少具 备重物自平衡和智能控制功能，人机工程学性较差，很难适应要求快速和准 确的工作场合乜7 侧。考虑到新型物料搬运设备的优点，在借鉴欧美先进技术 和制造经验的基础上，目前，国内一些高校和物料搬运装配设备生产商也开 始了新型物料搬运设备相关技术的研究。 在国家自然科学基金、哈尔滨市留学回国人员基金和哈尔滨工程大学基 础项目基金的资助下，2 0 0 5 年，哈尔滨工程大学机电一体化研究所( h e u m i t ) 的教授们研制了一种用于物料搬运的关节式智能吊装设备啪1 ，又称为欠驱 动力人机合作机器人( c o b o t ) ，其结构简图如1 7 所示。欠驱动力c o b o t 由 三个转动关节和一个移动关节组成。c o b o t 的末端p 点处载有重物，末端转 动关节自由，转动关节1 、2 主要实现末端重物的位置和姿态，而移动关节 主要承载重物的重量，实现负载升降自动控制，具有良好的人机工程性。 图1 7 欠驱动力c o b o t 结构简图 上海永乾机电有限公司秉承美国英格索兰公司4 0 余年气动提升技术的 结晶，自行研制了软索式气动平衡吊，运用气动原理，通过滚轴丝杠将活塞 的直线运动转化为卷轴的转动，带动钢丝绳或链条实现上下运动。配合不同 的控制系统，则可实现多种平衡状态，满足各种不同的工作要求。 上海优乐博特自动化工程有限公司与法国、意大利、瑞典等知名真空系 统及工业传动控制技术公司合作，依据多年的行业经验，在吸收国外先进技 8 哈尔滨 ：群人学硕十学何论文 术及工艺的基础上，自主研发了具有独立的知识产权的真空吊具和助力机械 手。v a c u u m 系列助力机械臂基于人机工程学原理设计，具有操作简单、响应 速度快等一系列优点，现已基本达到欧洲同类产品的技术要求和安全标准。 1 3 2 国内吊装机构防摆控制发展 与国外相比，在吊装机构防摆控制这一问题的研究上，国内的差距还是 比较大的，虽然从时间上看，国内研究吊装机构防摆控制也比较早，但在研 究内容的深度、规模上，则远远不如国外学者。 国内较早从事吊装机构防摆控制研究的学者是哈尔滨工程大学华克强等 人 3 1 - 3 3 9 在文献 3 1 中，作者针对桥式吊车，给出了吊车系统数学模型，根据 此模型，设计了最优控制器、自适应控制器、模糊控制器，并对三种控制器 进行了比较分析。华克强的研究可信度较高，因为其理论成果不但有仿真验 证，而且还在吊车的实物模型上进行实验验证。 山东建筑工程学院的李伟等人m 。3 铂在吊装机构防摆控制领域也有一定的 研究。在文献 3 4 中，针对吊装机械抓斗摆动问题，应用最优控制理论，提 出了点动消摆等控制策略。文献 3 5 建立吊装机构摆振数学模型，文献 3 6 对于采用断续控制的吊装机构，提出了基于时间最优的消除载荷摆动的两拍 消摆策略。文献 3 7 中作者采用极点配置技术，以积分二次型性能指标提出 最有效摆策略，同时实现消摆、提高运行速度两个目标。 山东大学的邹军、陈志坚n 乳圳在文献 3 8 中建立吊装机构的数学模型， 并依据此模型，应用最优控制理论，提出吊装机构水平运动规律，并对抓斗 进行了消摆研究。在文献 3 9 中，作者依据文献 3 8 中提出的吊装机构水平 运动规律和抓斗摆动规律，提出了一种抓斗防摆新方法。 从前面可以看出，目前国内高校、研究所及企业单位等在新型吊装机械 和吊装机构防摆控制的研究还不够深入，对吊装机械关键技术如：传动方案 及驱动控制技术、移动系统结构及驱动控制技术、智能提升系统的控制技术 和操作者意愿传感检测技术等还没有成熟的应用。因此研制和应用新型的吊 装机械产品，并对各种关键技术进行研究，对于提高我国制造业的自动化水 平具有重要现实意义。 1 4 本文研究内容 新型吊装机构的研究是建立在机械设计技术、电气传动技术、自动控制 9 哈尔滨t 柞大学硕十了：何论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i l 技术基础之上的。本课题主要研究吊装机构半曲运动系统的机械结构和吊装 机构水平移动过程中的防摆控制问题，本文从理论研究和实际应用相结合的 角度，做了一下四方面的工作。 1 吊装机构机械系统的设计与分析 针对国内学者在研究新型吊装机械实物验证少的现状，本课题根据现代 工业生产现场需求以及国内的研究状况，研制了吊装机构防摆控制实物模型。 并对模型的相关性能进行分析。 2 吊装机构防摆控制数学模型的建立 根据吊装机构防摆控制系统机械本体的结构，本文根据有关理论，应用 拉格朗同方程建立吊装机构系统的三维动态数学模型和二维动态数学模型， 并通过模型仿真验证了模型的准确性。 3 吊装机构防摆控制仿真研究 为解决吊装机构运动系统的位置定位以及吊挂绳索摆动角度抑制两大问 题，本文提出了基于p i d 控制理论的吊装机构防摆控制技术，分别对位置与 角度进行闭环控制器设计。 4 仿真实验研究 采用d s p a c e 实时仿真平台对原理样机进行硬件在回路仿真实验研究， 主要内容包括系统速度闭环控制实验、位置闭环控制实验、参考速度仿真实 验和防摆算法控制实验，通过实时调试，验证和观测p i d 控制算法的控制效 果。 1 0 哈尔滨f ：稗人浮硕+ 学何论文 2 1 引言 第2 章机械系统设计与分析 为了适应现代工业生产现场的需求，新型吊装机构必须具有体积小、操 作方便、适应性强等特点，可以自由组成具有一定柔性组合的悬挂搬运系统， 并且能取代传统吊装设备以减轻操作人员的劳动强度和提高生产率。本章根 据新型吊装机构的这些特点以及国内的研究状况，确定了吊装机构的总体机 械结构方案，研制了吊装机构实物模型系统，同时对系统关键组成部分的相 关力学性能进行分析。 2 2 性能参数与总体结构方案 吊装机构机械系统主要包括行走小车、h 型钢轨道、倾角传感器、限位 开关、立柱、底座等组成。由于采用模块化结构设计理念，系统各个组成部 分都是独立的模块，通过组装可获得柔性三维空间悬挂搬运系统，实现负载 在水平面上任意移动。现场布置采用空间轨道式框架结构，不占用车间的地 面空间，操作灵活，易于实现工厂自动化。系统工作时，通过倾角传感器检 测行走小车在加减速过程中引起的负载摆动角度，将相关信号进行定量处理， 指导行走小车运动，从而达到快速消除摆动的目的。考虑工业现场大型零件 搬运的工作要求及实验样机的需要，吊装机构的基本设计性能参数为： ( 1 ) 系统水平运行最大距离：4 0 0 0 m m ； ( 2 ) 系统垂直运行最大距离：4 0 0 0 m m ； ( 3 ) 系统最大提升重量不多于2 0 0 k g ； ( 4 ) 行走小车最大重量不多于6 0 k g ； ( 5 ) 轨道最大挠度不大于2 m m ； ( 6 ) 小车最大行走速度小于3 m s ； ( 7 ) 小车最大行走加速度小于2 m s 2 ； ( 8 ) 系统各个组成模块的结构尺寸及重量尽量小。 根据上面的性能参数要求，由于本文只研究吊装机构的水平运动，设计 的吊装机构机械系统机构简图如图2 1 所示。 哈尔滨t 稃人硕+ 学位论文 h 掣铡轨迸 图2 1吊装机构机械系统结构简图 如图2 1 所示，吊装机构机械系统由以下几部分组成。 1 水平运动机构 水平运动机构包括行走小车、h 型钢轨道、限位开关等，行走小车是水 平运动机构的核心部分，内部包括小车的驱动装置、重物提升装置、倾角传 感器。如图2 2 所示为行走小车实物图。 图2 2 行走小车实物图 1 2 哈尔滨t 程人学硕十学何论文 2 支撑机构 支撑机构主要包括h 型钢轨道、立柱、底座等三部分，h 型钢轨道由于 翼缘较宽而且两表面互相平行，与普通工字钢相比在钢结构连接、螺栓或铆 钉布置及规格选择上要方便得多。 3 提升机构 提升机构主要包括负载、钢丝绳、以及行走小车内部的提升卷筒、减速 装置、提升电机等构成。 2 3 空间轨道系统设计 在生产现场，为了实现吊装机构在水平面内自由移动，轨道系统的现场 布置采用空间轨道式框架结构，由三个结构相同的行走小车、三根h 型钢轨 道和限位开关等部分组成，其空间布置结构如图2 3 所示，吊装负载沿y 轴 方向运动由两个行走小车驱动，沿x 轴方向运动由一个行走小车驱动，x 轴 方向的h 型钢轨道与y 轴方向运动的行走小车通过高强度螺栓联接。 “是套车 图2 3吊装机构空间布置结构图 为了防止在做实验时出现飞车现象，设计了限位机构作为意外情况的保 护装置。采用m e 系列m e 8 1 1 2 触点式行程开关作为行走小车移动过程中的 限位保护，当行程开关的电接点被行走小车触动时，电信号切断伺服电机输 出，电机停止转动，实现限位保护。 热轧h 型钢已经被广泛应用于国内外物流输送设备上，是种新型经济 工业用钢，其截面形状合理，抗弯性能好，在相同截面积( 或重量) 条件下， 热轧h 型钢截面绕强轴的抗弯性能亦优于普通工字钢，且腹板厚度比同高度 1 3 哈尔滨t 科人学硕十学伊论文 的= 字钏小，这样就町使材料向主要受拉或受雎位置集中，更能允分发挥钢 材的抗拉性能h 叭。热轧h 型钢采用万能法轧制，与采用孔型法生产的工