（精密仪器及机械专业论文）基于误差分解与溯源的动态精度实验系统设计(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

基于误差分解与溯源的动态精度实验系统设计 摘要 随着科学技术的迅速发展，动态测量在测试技术领域已占主导地位，应用十 分广泛。但是，动态测量精度理论的研究跟静态精度理论相比，由于起步较晚，难 度较大，复杂程度更高，因此其理论体系尚不完善，许多问题还处于探索阶段。科 学的动态测试精度理论不仅能够客观真实地描述动态测试系统的精度变化特 性，还可以对动态测试结果给出可靠的评定，并进一步提高动态测试系统的精 度。f h 于动态测量技术在现代测量技术中的重要地位，对动态测量精度理论的研 究一直以来受到各国学者的关注。 根据动态精度实验系统的功能要求，本文设计了一套以角位移传递为基础 的动态测量实验系统。系统以伺服电机作为整个系统的驱动装置，以电机内置 17 位高分辨率编码器信号作为测量基准信号，实时测量电机在不同转速下编码 器的输出信号，并与同步采集的圆光栅输出信号进行比较，两者差值的变化反 映系统精度的变化情况。根据对大量实验数据的分析处理，可以寻找精度变化 的规律，为误差分解与溯源提供可靠的依据。 本文介绍了伺服系统在复杂环境下的运行调试过程，分析影响系统的各种 干扰源，在设定惯量比和机械刚性的前提下，对系统进行增益调整，包括自动 和手动调整，实现系统的优化设置。此外，根据所设计的实验系统，利用全系 统精度理论建模的方法，建立了系统误差白化模型。使用小波分析及傅里叶频 谱分析等一些数学方法，实现了系统误差的溯源。 关键词：动态精度实验系统设计伺服控制误差分解与溯源 d e s i g nt h ed y n a m i ca c c u r a c ye x p e r i m e n t a ls y s t e m b a s e do nt h ee r r o rd e c o m p o s i n ga n dt r a c i n g a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，d y n a m i ct e s t i n gt e c h n o l o g y a c c o u n t sf o rt h ed o m i n a n tp o s i t i o ni nt h ef i e l do fm e a s u r e m e n ta n dw i t ha w i d er a n g eo f a p p l i c a t i o n s h o w e v e r , t h et h e o r e t i c a ls t u d y o ft h ed y n a m i cm e a s u r e m e n ta c c u r a c y c o m p a r e sw i t has t a t i ca c c u r a c yo ft h et h e o r y ，b e c a u s eo fi t sl a t es t a r t ，m o r ed i f f i c u l t ，t h e h i g h e rc o m p l e x i t y ，s ot h et h e o r e t i c a ls y s t e mi sn o ty e tp e r f e c ta n d al o to fq u e s t i o n sa l es t i l l i nt 1 1 ee x p l o r a t o r ys t a g e t h es c i e n t i f i cd y n a m i ct e s t i n ga c c u r a c yt h e o r yc a nn o to n l y d e s c r i b ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ed y n a m i ct e s ts y s t e m ，b u ta l s oc a ng i v ear e l i a b l ea s s e s s m e n t o nt h ed y n a m i ct e s tr e s u l t s ，a n df u r t h e ri m p r o v et h ea c c u r a c yo fd y n a m i ct e s t i n gs y s t e m b e c a u s eo ft h ei m p o r t a n tp o s i t i o ni nt h em o d e mm e a s u r e m e n tt e c h n i q u e s ，t h es t u d yo ft h e d y n a m i ca c c u r a c yt h e o r e t i c a lh a sa r o s et h ea t t e n t i o no f s c h o l a r s b a s e do nt h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so ft h ed y n a m i ca c c u r a c ye x p e r i m e n t a ls y s t e m ， d e s i g nae x p e r i m e n t a ls y s t e mb a s e do nt h ea n g u l a rd i s p l a c e m e n tt r a n s f e r t h es y s t e mu s e s s e r v om o t o ra sd r i v e re q u i p m e n t ，a n du s e s17b i th i g ha c c u r a c yc o d e ri nt h em o t o ra s m e t r i c a lb e n c h m a r k ，t h e nm e a s u r e st h eo u t p u ts i g n a lo fc o d e rw h i l et h em o t o ri sw o r k i n g i n d i v e r s es p e e da n dc o n t r a s t sw i t ht h eo u t p u ts i g n a lo ft h er o u n dr a s t e rs y n c h r o n o u s l y , t h e c h a n g eo fd i f f e r e n c eo ft h et w ok i n d so fs i g n a le x p r e s s e st h ec h a n g eo fs y s t e ma c c u r a c y b a s e do nt h ea n a l y s i so fal a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t a ld a t at r e a t m e n t ，w ec a nl o o kf o r c h a n g e si nt h el a wo fa c c u r a c ya n dp r o v i d ear e l i a b l eb a s i sf o rt r a c e a b i l i t yf o rm ee r r o r d e c o m p o s i t i o n t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e b u g g i n gp r o c e s sw h i l es e r v om o t o ri sw o r k i n g 1 1 1 i n t e r f e r e n t i a le n v i r o n m e n t ，a n a l y s e sv a r i o u sd i s t u r b a n c e ，r e g u l a t e ss y s t e mp l u si n c l u d i n g m a n u a lr e g u l a t i o na n da u t o m a t i cr e g u l a t i o na f t e rs e t t i n gt h ei n e r t i ar a t i oa n dm e c h a n i c a l r i g i d i t yi no r d e rt o a c h i e v et h eb e s ts e t t i n g i na d d i t i o n ，a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a l s y s t e m ，s e tu pas y s t e me r r o rw h i t e n i n gm o d e lb a s e d o n an e w p r e c i s i o nt h e o r yo fd y n a m i c m e a s u r e m e n to nw h o l es y s t e mu s es o m em a t h e m a t i c a lm e t h o d ss u c ha sw a v e l e ta n a l y s i s a n df o u r i e rs p e c t r u ma n a l y s i sc a nc o m et r u et h et r a c e a b i l i t yo ft h es y s t e m e r r o r k e y w o r d s ：d y n a m i ca c c u r a c ye x p e r i m e n t ； d e c o m p o s i n ga n dt r a c i n g s y s t e md e s i g n ；s e r v om o t o rd r i v e r ；e r r o r 插图清单 图2 一l 系统机构框图6 图2 2 系统机械机构实物图7 图2 3 伺服驱动器和电机( 内置编码器) 9 图2 4p c i 2 3 9 4 采集卡实物图1 0 图3 1 控制面板1 2 图3 2 交流伺服系统位置控制接口电路l3 图3 。3 速度控制框图1 4 图3 4 系统增益调节框图1 5 图3 5 速度控制模式调整图1 6 图3 6 伺服电机控制界面1 7 图3 7 圆光栅编码器输出信号18 图3 8 数据采集系统界面1 9 图4 1 系统的黑箱表示法2 l 图4 2 系统的状态变量表示法2 1 图4 3 简单弹簧质量系统分析2 2 图4 4 衰减振荡二阶系统各过渡过程曲线2 3 图4 5 混联式动态测量系统结构2 7 图5 1 傅里叶变换频率分析结果3 1 图5 2 多分辨分解过程3 4 图5 3 多分辨重构过程3 5 图5 4 三层b p 网络模型框架3 6 图6 1 系统工作原理框图3 8 图6 2 系统信号传递关系图3 9 图6 3 减速机齿轮传动链4 2 图6 4 系统误差曲线图4 4 图6 5 系统输出误差小波分析图4 5 图6 6 系统输出误差的频谱分析图4 6 图6 7 系统误差频谱局部放大图4 6 表格清单 表2 1 光栅输出信号接线表9 表3 1 内部速度选择表1 4 附表1 实验系统3 0 r m i n 转角误差数据( 单位：分) 一5 2 附录l 信号分析所用的m a t l a b 程序一5 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 金月里王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：黄 小氓 签字日期：叩年中月刁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金星王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金目巴王些太堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：教 日、 签字日期砷年争月刁e t 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 电话： 邮编： 月2 7 日 致谢 本学位论文是在导师陈晓怀教授的精心指导下完成的。导师严谨的科学态 度、渊博的知识和精湛的学术水平、开阔的视野、分析洞察问题的能力和高尚 的个人情操，使我受益匪浅。在此，对陈晓怀教授在学习上、生活上给予的帮 助表示深深的谢意和崇高的敬意。 在学习过程中，感谢程真英老师、党学明老师、王标博士给予我无私的指 导和帮助。感谢姜珊、夏瑞雪、贾政、胡茂留等师兄弟妹和科技楼4 0 6 的室友 们，在我的学习、科研和生活中给予我的帮助。同时身边的同学和朋友们对我 的关心和照顾。 感谢我的父母和家人，他们十几年来一直在精神上和物质上默默的支持着 我，才使我走到今天。 作者：黄小明 2 0 0 9 年3 月3 0b 第一章绪论 科学始于测量，测量技术水平是一个国家科技发展水平高低的重要评价标 准【ij 。随着科学技术的迅速发展，动态测量在测试技术领域已占主导地位，应用十 分广泛。但是，动态测量精度理论的研究跟静态精度理论相比，由于起步较晚，难 度较大，复杂程度更高，因此其理论体系尚不完善，许多问题还处于探索阶段。科 学的动态测试精度理论不仅能够客观真实地描述动态测试系统的精度变化特 性，还可以对动态测试结果给出可靠的评定，并进一步提高动态测试系统的精 度。由于动态测量技术在现代测量技术中的重要地位，对动态测量精度理论的研 究直以来受到各国学者的关注。 1 1 精度理论研究的重要性与意义 当今的时代是综合国力竞争的时代，是科学技术竞争的时代，而竞争的表 现形式之一就是市场的竞争和商品的竞争，即质量的竞争，性价比的竞争。精 度、可靠性和使用寿命是质量的主要指标。而提高产品精度和它的稳定性、可 靠性必须从设计、制造、质量抓起：在设计过程中进行精度分析，确定系统和 产品的设计精度要求，并对精度进行合理的分配和合成，以确保各产品、零部 件的精度符合工作要求；加工制造应采用先进加工方法，从源头上减小各类误 差的影响，减小由于加工制造造成的精度损失；在测量过程中要选择合适测量 仪器、严格参照测量方法，使所测量值即符合i s 0 19 9 3 ( e ) 规定，又能到达产 品设计精度要求，使精度保证体系贯彻始终【2 】。 在科学与工程技术领域和国防武器装备系统中，则需对其赋予量化指标， 其中精度是最主要的指标之一【3 】。在现代精密工程，特别是现代国防武器装备 中，由于组成系统及装备的复杂性和组成精度的多样性，为了保证最终结果的 精度和质量，必须依据可靠的高精度数据信息，并采用相应措施严格控制和保 证整个系统装备的精度，因此人们对精密工程中的精度问题，一直给予高度重 视，并作为首要的关键理论与技术进行研究，而且今后对此将会给予更多的重 视。由于科学技术的日益发展，精密工程的精度要求越来越高，为了可靠地保 证精度又实现低成本运行，显然过去采用提高精密工程组成系统装备精度的措 施已不能完全适应，必须采取低成本现代精度保障理论与技术措施，这已成为 当今国内外注视的研究热点领域。 精度理论是设计制造和测量过程中统一的精度描述的理论基础，是指导产 品设计、制造和测量的重要理论之一，而产品设计和制造过程一些关键技术的 不断突破又为精度理论的发展提供了丰富资源。充分发挥精度理论指导产品的 设计制造是创优的基础和捷径，是提高产品竞争力的和档次的手段。把精度理 论应用到设计、制造、测量之中是科教兴国、科教兴企的具体举措，是保证和 提高产品质量的有效方法。国际权威组织b i p m 、i s o 等和发达国家有关部门对 此做了大量的研究工作，我国相关科研机构和高等院校也对此进行了研究。在 影响系统精度的因素分析、精度计算、精度评定和精度控制等方面均取得了一 定成果，有效地提高了装备系统的精度与可靠性，保证了所获得信息的准确性， 对科学技术、经济建设和国防建设均发挥了重要作用。 精度与精度理论的研究，必须跟上测试技术的步伐，而测试技术的发展， 必须紧跟加工精度的发展。随着精密过程技术、尖端技术和空间技术的迅速发 展，机械加工精度在不断地提高。当前，中小尺寸常规机械加工、精密加工和 超精密加工的精度，分别达1 m 、0 o l 肛m 和0 0 0 1 m ，而微电子加工技术已达到 了纳米甚至亚纳米级精度。近几年来，微机械m e m s ( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a l s y s t e m ) 技术获得了快速的发展，已广泛应用于国防、医疗、仪器检测、材料等 各个领域。虽然测量精度的提高也很快，近年来已从精密测量( 0 5 k t m 0 0 5 肛m ) 发展到超精密测量( 0 0 5 m 一0 0 0 5 m ) ，但很多测量技术和仪器还未达到实用的 要求，测量精度与加工精度所要求的纳米精度测量( 5 0 n m 一5 r i m ) 的要求还有相当 大的差距，这就要求我们加快对测量精度理论及实践的研究【4 j 。 1 2 动态测量精度理论的发展与现状 1 2 1 动态测量的概念 动态测量理论问题的研究，是以电测技术，特别是示波技术的需求为起点 而发展起来的i 5 儿引。前苏联学者a ko1 3hi o 和a 1 3 r l oh3 ie r lb 于1 9 世纪8 0 年代，在关于示波器测量元件动态性能的著作中提出了动态测量的概念，但并 未将其作为独立的问题提出。现代动态测量理论的发展，应以19 0 9 年a h kp b lj 1ob 发表的学术论文为起点。随后，随着科学技术和测量技术的进一步发 展，动态测量越来越受到人们的重视。美国标准局建立了动态电测量工作组， 并在19 7 4 年末举行了首次全会，在l9 7 6 年伦敦第七届和19 8 0 年莫斯科第八届大 会上，以及后来国际计量技术联合会i m e k o 召开的大会上，都把动态测量列入 会议议程。前苏联分别于19 7 5 年、19 7 8 年、1 9 8 1 年和19 8 4 年在列宁格勒举行了 “动态测量”全苏联讨论会，大大促进了动态测量的发展。近年来，国内外许 多专家学者均致力于动态测量理论的研究。苏联学者b a 格拉诺夫斯基( 代表 作：动态测量) 、北京航空航天大学黄俊钦教授( 代表作：测试系统动 力学和静、动态数学模型的实用建模方法) 、合肥工业大学费业泰教授 ( 代表作：动态测量误差修正原理) 、北京理工大学林洪桦教授( 代表作： 动态测试数据处理) 等，均对动态测量理论的发展起到了不可忽视的作用。 何谓动态测量，至今仍未有一个严格的科学定义。分析目前对动态测量的 认识，可归纳为两种见解：一种认为所谓动态测量，是指对确定量的瞬时值及 ( 或) 其随时间变化的量所进行的测量；另一种则认为被测量是变量的连续测 2 量过程，即测量装置在动态下使用的测量为动态测量，动态是以测量装置输出 变化信号为特征的，即使整个测量装置中只有某一部分的状态是动态的，其进 行的测量过程就认为是动态测量【j 7 1 。普遍认为，符合下列条件之一的测量过程 都是动态测量：( 1 ) 被测对象的量值在时域上是变化的；( 2 ) 被测对象的量 值在时域上是恒定的，而在空间域上是连续( 或间断) 变化的，而测量系统处 于运动状态下对被测量进行测量；( 3 ) 被测对象的量值在时间域和空间域上都 是恒定不变的，但与被测对象有关的测量信号是变化的。 动态测量具有以下四个基本特征【8 】： 1 ) 时空性在某些动态测量中，被测量或测量信号随时间而变，动态测 量数据也表现为测量时间的函数，即动态测量具有时变性，可用时间参数来描 述；而在有些情况下，例如对大多数几何量动态测量系统，尤其是在数据处理 时，用空间参量描述更为方便合理，从这个意义上来说，动态测量具有空间性。 因而，动态测量具有时空性。 2 ) 随机性由于在动态测量过程中，难免存在各种外界干扰，因此它是 一个高斯或非高斯过程，总表现为时间的随机函数；另外，被测量自身也可能 是一个随机函数，当测量系统对被测量进行采样时，得到的是若干个随机序列 ( 或随机过程) 。因而，动态测量具有随机性。 3 ) 相关性由于动态测量系统的输出值不仅和该时刻的输入值有关，而 且和被测量在该时刻以前的量值变化历程有关，必须从所获取测量值的整体数 据推估被测量的量值。因而，动态测量具有相关性。 4 ) 动态性在测量过程中，动态测量系统始终处于运动状态，需要用微 分方程( 或差分方程) 来描述其所输入的含有被测量信息的信号与所输出的动 态测量结果之间的关系，或以该动态测量系统内部状态变量形成的状态方程来 描述，一般常用与之等价的传递函数、时域上的脉冲响应函数或频域上的频率 响应函数等来反映该测量系统的动态特性。因而，动态测量具有动态性。 1 2 2 动态测量精度理论研究现状 动态精度理论的研究是从物理和数学模型入手，求出特性参数量值的数值 解和它的分散性( 精度) 。动态精度理论的研究涉及的数理基础较为广泛：从 微分方程到数理方程；方程的阶次从一阶到多阶；参数个数从几个到多个，从 独立到相关；关系从线性到非线性。因此动态对精度理论的发展提出新的更高 的要求。由于动态精度理论的研究还处在发展阶段，很多基本问题尚需加强研 究：例如研究建立动态精度的特征参数方程和它的分散性程度( 精度或不确定 度) 指标体系；通过先进测试方法和研究来揭示动态特性的变化规律和测试仪 器的精度分布特性，为动态特性及精度研究提供实验基础和依据。在实际操作 中，精密测量系统往往都是复杂的非线性系统，对这样的系统现在大多的办法 是采用高阶线性方程来描述，这是一种近似的描述。因此，如果非线性科学研 3 究有所突破，必将为非线性系统的动态特性及精度研究提供新的更可靠的理论 依据。此外，随着计算机技术的飞速发展，计算机仿真技术应用于系统动态特 性的研究，可通过该技术仿真再现系统结构参数的变动量( 不确定度) 对输出 量的影响，以及对工作状态下其它因素的影响，从而可以通过图形化形象的得 到各种因素的影响程度，为改善系统结构和特性参数提供依据。为了推动动态 精度理论的应用发展，还应投入更大的精力，建立大量的资料数据库，以便为 设计研究人员提供精度分配与综合原始资料、数据，使精度设计现代化，实用 化【9 1 。 动态测量精度理论的研究，和静态精度理论相比，由于起步较晚，复杂程 度较高，因此，其理论体系尚不完善，许多问题还处于探索阶段。但是，由于 动态测量技术在现代测量技术中地位越来越重要，动态精度理论的研究也就成 为现代精度理论研究的重要内容，受到各国研究机构和学者的关注。近年来， 随着光电、数字化、微处理、自动化等技术的广泛应用以及智能化测试、柔性 测试、计算机辅助测试等的发展，各种动态测试数据处理方法及测试精度分析 方法层出不穷，使动态测量精度理论得到了相应的发展，取得了一定的成果： 1 ) 动态测量数据处理方法层出不穷动态测量数据处理方法的研究，一直 受到各国学者的重视，提出了很多实用的方法。这些方法主要有谱分析、回归 分析、滑动平均分析、时间序列分析、滤波分析、神经网络、小波变换、遗传 算法等，其中各种分析方法又都经过了不断的演变和改进，如谱分析方法，从 开始基于傅立叶变换的传统谱分析方法发展到现代的最大熵谱分析方法、最大 似然谱分析方法、自回归谱分析方法和最小互熵谱分析方法等。有如回归分析 方法，从开始的一元和多元线性回归分析、逐步舍选回归分析、正交多项式回 归分析、分段回归、样条回归、加权回归等到现代的岭回归分析、递推回归分 析、最小最大残差值回归和稳健性回归分析等【l o 】。 2 ) 动态测量误差分离与修正技术由于计算机的普及，误差分离与修正技 术得到了新的飞跃，不仅使其理论得到了进一步的完善，而且，它不再停留在 理论计算阶段，而是与计算机的快速计算、处理能力相结合，并应用在实际的 生产线上，进行实时误差分离与修正【1 1 1 。目前国内外的研究重点是复杂测量系 统多因素误差修正和动态实时误差修正的理论与应用问题，并已取得了一定的 成果。 3 ) 动态测量误差评定动态测量误差的评定一直是各国研究机构和学者 的研究重点，现已提出了若干评定指标和评定方法，初步建立了动态测量误差 评定的理论体系。对动态测量误差，将其均值函数、方差函数、自相关函数或 自协方差函数等特征量作为评定指标【l 2 | 。 4 ) 全面误差源分析理论与建模方法研究精密机械与仪器系统的精度， 最基础的问题是全面充分地分析系统内外的各项误差源，研究产生误差的原因、 4 误差的性质及其分布、误差传递函数和误差合成计算等，目前对常见的机械与 仪器系统各组成构件和元器件的误差源分析理论与建模方法均有所掌握。 5 ) 全系统动态精度理论概念的提出从全面分析系统内部各组成结构和 外部干扰因素入手，使输入与输出之间的“黑箱 即实际测量系统尽可能“白 化 或“灰化”，并进一步建立相应的系统信号传输函数和全系统动态精度模 型。 1 3 课题来源及主要研究内容 1 3 1 课题来源 本课题是国家自然科学基金项目“基于误差分解溯源理论的动态测量系统 最优设计原理及应用研究”( 5 0 6 7 5 0 5 7 ) 的部分内容。 1 3 2 主要研究内容 本文研究的任务是设计一套动态测量系统精度实验装置，为动态精度的研 究提供实验条件。系统的设计是一个包含机、光、电等多个方面的复杂过程， 本文研究的内容包括： ( 1 ) 系统总体设计及原理设计动态测量系统，根据实验要求选择仪器设 备。分析系统工作原理，以角位移传递为基础，以伺服电机内置1 7 位高分辨率 编码器输出信号作为基准信号，实时测量电机在不同转速下电机编码器的输出 信号，并与同步采集的圆光栅输出信号进行比较，研究两者的差值和差值变化， 寻找其规律，为研究系统精度理论提供依据。 ( 2 ) 伺服系统的运行调试伺服系统是实验系统的重要组成部分，它运行 的好坏直接关系到实验系统的正常工作与否，本文研究了伺服系统在空载和负 载两种情况下的运行情况，分析影响系统正常工作的因素，采用p i d 调节原理 实现系统的实时增益调节。 ( 3 ) 误差建模与误差分解与溯源建立系统准确的误差数学模型是描述一 个动态测量系统，分析系统的动态特性及其时变规律，评定系统的动态性能及 其测量精度的基础。通过对系统误差白化模型的分解与溯源得出系统各单项误 差的情况，为后文实验验证溯源理论的可行性提供基础。 ( 4 ) 实验分析与论证通过实验系统的调试与数据的采集，测出系统的误 差，分析信号的主要成分，并对误差模型进行分解与溯源，测量结果与误差分 解与溯源结果进行比对，验证误差分解与溯源理论的可行性。 5 第二章系统的总体设计及原理 2 1 系统总体结构 系统硬件结构主要由伺服驱动器及电机、减速机、圆光栅编码器、采集卡 和p c 机组成，系统结构框图如图2 1 所示。 图2 - 1 系统机构框图 从结构上可将系统分为四个部分，即伺服系统、传动装置、圆光栅编码器、 数据采集。伺服电机启动后驱动整个系统工作，同时电机编码器输出脉冲信号。 电机经过减速机减速后带动圆光栅编码器转动，圆光栅编码器也输出脉冲信号。 因此我们又可以根据输出信号的不同及电机编码器和圆光栅编码器分辨率的高 低，将系统分为标准信号部分和测量信号部分两大块，即电机编码器信号作为 标准信号，圆光栅编码器信号作为测量信号。 2 2 系统工作原理 系统的工作原理是基于标准信号和测量信号的比对上的。通过两个信号的 比对，就可以测出系统的误差。标准信号由伺服系统产生，电机内置编码器每 转过一个角度仍( 转角仍的大小由编码器的分辨率决定) 发出一个脉冲万，脉 冲经直接送入采集卡记下标准脉冲的个数，经过时间出，得到脉冲总数f ( a t ) ， 通过逆向运算，我们可以求出电机转过的角度 办= z ( a t ) ( 2 1 ) 测量信号由圆光栅编码器产生，光栅每转过一个角度仍，也发出一个脉冲 万，转角9 ：的大小由光栅刻线决定，经过同样时间a t ，得到测量脉冲总数l ( a t ) ， 然后我们可以求得光栅转过的角度 办= 厶。( 缸) ( 2 - 2 ) 最后得转角差 = 办一噍 ( 2 3 ) 一 其中n 为减速机减速比。理论上痧应该是个常数c ，但是随着时间的延 6 长，系统的精度逐渐下降，成为随时间t 变化的一个变量 卸；，( f ) ( 2 4 ) 本系统设计的目的是为了研究系统动态精度的变化。以动态误差分析为起 点，到动态系统最优精度设计及应用为终点，实现动态精度理论与技术的系统 化，为应用实际化提供依据。 2 3 机械结构设计 机械部分主要包括步进电机、减速箱、螺旋副、连接器件及机架组成。步 进电机及驱动器采用了松下a 4 系列伺服电机m s m d 0 1 2 s l l 和驱动嚣 m a d d t l 2 0 5 ，该电机内置七线制1 7 位增量式编码器输出两组差分信号，相 位差9 0 度，其输出功率为1 0 0 w ，角编码器的输出信号为差分t t l 电平输出e 减速箱的传动比为2 0 ：1 ，其输出方式为双轴输出：减速箱的输出测量圆光栅 采用南京中科天文仪器有限公司生产的增量式编码器，其输出为差分t t l 输 出，可直接正交编码，每转脉冲数目为9 0 0 0 。其总体的机械连接图如图2 2 所 示。 幽2 2 东统机槭机构实物削 2 3 ，i 减速机的设计 减速机是采用一系列互相啮合的齿轮将主动轴和从动轴连接起来，从而实 现速度的变化传递。 前期研究的精度损失系统所选用的减速机是德国n e u g a r t 公司生产的 p l e 系列行星减速机，型号为p l e 一4 0 ，减速比是1 0 0 。行星式齿轮减速机不同 于一般的齿轮传动方式，它的太阳轮、行星轮及内啮合齿轮的设计不仅使传动 空间大大减小，而且使各个接触面均匀承受负载，避免了负荷集中于某个接触 点而产生齿轮磨擦或断裂。p l e 4 0 1 0 0 为三级行星齿轮传动，它的主要特性参 数如下 传输效率： 9 6 输入转速：最高转速1 8 0 0 0 转分 输入载荷：最大径向力6 0 0 0 n ，最大轴向力8 0 0 0 n 7 抗扭刚度：3 5 n m a r c m i n 回程间隙： 6 ，噪音低 该减速机传动比较稳定，精度变化比较小，不适合用于精度损失理论方面 的研究，故需自行设计一款减速机，该减速机加工精度不要很高，且随时间变 化精度变化比较明显，内部结构清楚，便于误差模型的建立。综合考虑电机的 输出功率及系统功能要求，设计制作了一款减速机，其为圆柱齿轮二级传动减 速机，其减速比为2 0 ，其主要特点如下： ( 1 ) 平行轴双轴输出，结构紧凑，传递力矩大工作平稳，噪音低，寿命长 ( 2 ) 法兰式安装，拆装方便 ( 3 ) 圆柱齿轮二级传动，便于误差模型的建立，其减速比为2 0 ( 4 ) 传动效率为9 6 2 3 2 相关支承件的设计 为使系统能稳定的工作，这里根据系统原理和各个设备的尺寸设计了一个 小型机械装置，用于固定各个实验设备，如图2 - 2 中所示，机械装置主要由一 块l 型支架板、法兰、联轴器组成。减速机通过地角螺钉固定在气动工作台上， 电机分别通过法兰与减速机连接；圆光栅靠固定在气动台上的l 型板支撑，其 转轴和减速机转轴用联轴器连接，从而保证同步转动；减速机根据实验需要来 选择，如不需要，可直接将电机转轴和光栅转轴连接。 2 4 实验设备选择 2 4 1 松下伺服电机 伺服系统选用松下公司生产的a 4 系列交流伺服系统【1 3 】，由伺服驱动器和 电机两个部分组成，如图2 3 所示，型号为m a d d t l2 0 5 + m s m d 0 12 s 1 1 。电机 内置七线制17 位增量式编码器，输出三组差分方波信号，相位差9 0 度。它具 有共振抑制和控制功能，可弥补机械的刚性不足，从而实现高速定位，保证系 统的稳定性：另外伺服器的面板操作功能可以帮助我们方便地选择控制模式、参 数设置，从而实现对电机的有效控制。伺服电机主要参数指标为： 主回路电源：单相2 0 0 2 4 0 5 0 6 0 h z 控制回路电源： 单相2 0 0 2 a o - 1 5 1 0 , 5 0 6 0 h z 温度：工作温度0 5 5 。c ；保存温度一2 0 8 0 。c 湿度：工作保存9 0 r h ( 无结漏) 海拔高度：1 ，0 0 0 米 震动：5 8 8 m s 2 ，1 0 6 0 h z ( 不允许工作在共振点) 最大瞬时输出电流：1 0 a 最大连续输出电流：5 a 主电源电缆：h v s f0 7 5 2 0 r a m ；a w g1 4 18 8 接地电缆： 电机电缆： 主电源最大冲击电流： 控制电源最大冲击电流 内置编码器： h v s f2o m m ：a w g1 4 h v s f 07 5 2o m m ：a w g1 4 一i 8 1 4 a 2 8 a 1 7 位增量式编码器，分辨率可迭1 3 1 0 1 2 p r 。 图2 - 3 伺服驱动器和电机( 内置编码器) 2 4 2 圆光栅传感器 圆光栅编码器是由南京中科天文仪器有限公司生产的增量式编码器，型号 是y g m 6 1 0 ，光栅整周刻线教选择9 0 0 0 线，输出三组正弦波信号。主要技术 参数是 工作电压：5 p 5 “2 0 0 m a m a x ) 最高转速：旦二：婴。1 0 。6 0 转，分( m i n 一一) ，l 为光栅刻线。 工作频率：0 - 1 6 0 k h z 。 输出形式；长线驱动型，电压型，推挽型，o c 型和正弦波型，本系统采用 正弦波型。 极限惯量：1 0 0 0 0 m i n “ 转动惯量；2 3 g c m 2 允许轴负荷：轴向4 0 n ；径向6 0 n 保护：防尘或按要求 工作温度：0 7 0 c 或按要求 存储温度：- 3 0 。c 一+ 8 0 。c 或按要求 抗震( 5 0 0 2 0 0 0 h z ) ：1 0 0 州s 2 抗冲击：1 0 0 0 m s 2 表2 i 光栅输出信号接线表 一一 玩。( 动i l 输出倍号 + 5 v 0 玑( )u o ，( 一) 以：) 虬：但)址。( z ) l 导线颜色白棕绿灰粉红红黑 1 插座脚号 1 09 s 36 2 s 9 2 4 3 采集卡 本系统选用的是北京阿尔泰科技发展公司生产的款数据采集卡，其实物 如图2 - 4 所示：p c i 2 3 9 4 是一种基于p c i 总线的数据采集卡可直接插在 i b m - p c a t 或与之兼容的计算机内的任一p c i 插槽中，4 轴正交编码器和计数 器，该卡带有四个3 2 位四元a b 相位编码计数器，多时间范围选择的8 位定时 器，4 路隔离数字量输入和4 路隔离数字量输出每个通道接受的数字量输入， 可以是旋转编码器的指数或线性编码器的内部传感嚣输入。它灵活的中断源非 常适合由于运动控制和位置监控。系统的输出信号可以直接接入数据采集卡中 进行采集，本实验系统采用的是差分输入方式，当a 相脉冲有一个上升沿时， 计数器就会增加或者减少一个数。 图2 - 4p c i 2 3 9 4 采集卡实物图 0 第三章交流伺服控制系统 2 0 世纪8 0 年代以来，随着集成电子科学技术的快速发展，交流伺服驱动技 术有了突出的发展，各类交流伺服电动机及伺服驱动器系列产品不断完善和更 新，其控制技术也越来越丰富。早期韵模拟系统存在的缺陷如零漂大、抗干扰 差、可靠性低、精度低等已得到了极大的提高，尤其是近来随着微电子和微处 理器的制造技术的进步，出现了数字控制系统，且功能越来越强大，到本世纪 初，交流伺服控制系统已发展到采用全数字控制驱动。交流伺服电动机与相应 伺服驱动器构成的伺服控制系统，广泛的应用于航空、航天工业、精密测试仪 器、医疗机械等多个领域，尤其在国防领域，交流伺服控制系统发挥越来越大 的作用，交流伺服驱动技术已经成为工业自动化的基础【l4 1 。 3 1 交流伺服电机介绍 3 1 1 交流伺服系统原理 交流伺服电动机一般由永磁同步电机、转子和高精度反馈元件( 如光电编 码器、变压器等) 组成。它和它的驱动器组成一个伺服系统。伺服电机内部的 转子是永磁铁，驱动器控制的u v w 三相电形成空间电磁场，转子在此磁场的 作用下转动，进而带动光电编码器旋转，最后编码器输出反馈信号给伺服驱动 器，驱动器将反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精 度取决于内置编码器的精度，即编码器的分辨率。 3 1 2 交流伺服电机特点 1 ) 采用高性能永磁材料，抗去磁能力强，采用无机壳定子铁芯，温度梯度 大，散热效率高。 2 ) 结构紧凑，功率密度高。 3 ) 转子惯量小，响应速度快。 4 ) 低速转矩脉动小，平衡精度高，高速运行平稳。 5 ) 全密封设计，噪音低、振动小。 6 ) 无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。 7 ) 定子绕组散热方便。 8 ) 性能价格比高。 3 2 伺服系统运行调试 伺服系统建立起来后，在实验之前需对该系统进行运行调试，以检查电源 和编码器连线是否正确、系统运行是否正常。调试分为空载和负载两种情况， 可通过控制面板来实现，如图3 1 所示。面板中的三个箭头用于上下左右移动， m o d e 是操作模式选择键，s e t 用来确定所选模式和参数，所有的操作都在面板 上方的显示屏中显示。 口o 图3 1 控制面板 3 2 1 电机空载运行调试 空载调试时，首先应将电机与减速机及圆光栅编码器连接断开，并将参数 回到出厂时的设定，以免发生振荡，影响系统正常运行，具体步骤如下：启动 电源；参数初始化，即回到出厂设定；按s e t 键，再按方向键直至显示屏中出 现所需字母；按住上键约3 秒，如显示屏显示正确的提示，则表示一切正常，试 运行准备完成，可进行下一步，若面板显示其它，表示主电源输入有问题，需 检查电源，排除故障，重新调试；按住左键约3 秒，若小数点从右向左显示正 确，则表示第二步准备完成；按上键或下键选择逆时针旋转或顺时针旋转，转 速由参数p r 5 7 确定。 3 。2 。2 电机负载运行调试 电机负载运行调试步骤如下：接上负载，启动电源；按s e t 键；按住m o d e 键，再通过方向键选择所要设置的参数，在速度控制模式中，需设置的参数包 括内外部速度选择参数、加减速限制参数、增益参数、速度环控制参数、惯量 比参数、第一内部速度参数等( 本系统选择第一内部速度) ，其他参数可参照出 厂设置；输入参数值，按s e t 键保存；按m o d e 键，选择写入模式，按s e t 键； 按住上键约3 秒，若显示屏上出现一串横杠，表示写入正确；写入完成后，显 示屏上会出现输入的电机转速，检查该速度是否与设定值一样，若变化很大， 需检查设置，重新调试。 3 3 伺服系统控制模式 本系统选用的是日本p a n a s o n i c 公司生产的m i n a sa 4 系列交流伺服电机 及相配套的伺服驱动器，这种交流伺服系统有位置、速度和转矩三种控制模式。 可通过设置驱动器中模式切换参数p r 0 2 、控制模式切换信号c m o d e 与电源 负极c o m 来选择不同的控制模式。 1 2 3 3 1 位置控制模式 p r 0 2 = 3 或4 ，c m o d e 与c o m 一开路。当伺服系统处于位置控制时，上位 控制器给伺服驱动器输入脉冲信号，信号输入方式分为普通光耦脉冲输入和差 分输入两种。其接口电路如图3 2 所示。普通光耦脉冲指令输入时，脉冲通过 三极管和限流电阻接到电机信号端子x 5 的引脚上，其中电源和电阻的大小由 电机的功率决定，1 0 0 w 的电机对应的电源为2 4 v ，电阻为2 k q ；差分脉冲指 令输入时，脉冲信号通过差分芯片a m 2 6 1 s 3 1 接到x 5 端子引脚上，a m 2 6 1 s 3 1 是t i