（安全技术及工程专业论文）履带车辆传动试验台自动换档机械手的开发与研究.pdf

t h i sp a p e ri sb a s e do n “i n t e g r a t e dt r a n s m i s s i o nt e s t - b e di n t e l l i g e n to p t i m i z e d s m f t m gt e c h n o l o g yr e s e a r c h w i t hr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fv e h i c l ei n t e g r a t e d t r a n s m i s s i o nt e s ts y s t e m , p r o v i d eah i g hp 瞄f o m l 勰c ct e s tb e n c hf o rc e r t t 1a r m e d n 甚潮v e h i c l e i tc 勰e l t h a n e ct h ew h o l ep e r f o r m a n c eo f s y n t h c t i ct r a n s m i s s i o ns y s t e m i nt h ep e r f o r m a n c et e s t , i fs h i f t e dm a n u a l l y , t h eo p e r a t o rs h o u l dp o w e ro f fa n ds h i f t ， w a s t i n gt i m ea n dm 钿删i nt h el i f e - s p a nt e s t , i t st o od i f f i c u l tt of i n i s hs h i f t i n gf o r 2 0 0 ，0 0 0 - 4 0 0 ，0 0 0t i m e s mt h et r a n s m i s s i o ns y s t e mt e s t , w es h o u l du s ea u t o m a t i cs h i f t m a n i p u l a t o ri n s t e a do fm a n u a ls h i f t i n gf o rr e d u c i n gt e s t - w o r kl o a da n ds h o r t e n i n g d e s i g nc y c l e i nt h ep a p e r , f i r s to fa 1 1 t h ep r e s e n ts i t u a t i o no ft h ed o m e s t i ca n df o r e i g ns h i f t i n g m a n i p u l a t o ri sa n a l y z e da n ds t u d i e d a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft e s t , i nc o n t r a s t w i t hp n e u m a t i c h y d r a u l i c , m e d h a n i c a la n da cs e r v od r i v em o d e s , ad e s i g np l a no f 3 - d o fc a r t e s i a nc o o r d i n a t er o b o to f a l t e r n a t i n g - c u r r e n ts e r v o m e c h a n i s mi sp r o p o s e d i t c a ns o l v ec u r v e s h i f t i n gm o t i o nc o n t r o lo f t h r e e m i m e n s i o nt ot w o - d i m e n s i o n ，s h i f tg e a r c a l i b r a t i o na n d o n a cs e r v o m e c h a n i s mi sc o n s t r u c t e do fs y 翮o n6 0 c bs e r i e s s a t v om o t o r , s y n t r o ng ss e r i e ss e r v ed r i v e r , t r i om c 2 0 6m o t i o nc o o r d i n a t o ra n d i n d u s t r i a lc o m p u t e r d e v e l o pu p p e r - c o m p u t e rc o n t r o lp r o g r a mw i t ha c t i v e xc o m p o n e n t i i lv b i ti n c l u d e ss h i f tg e a rc a l i b r a t i o nm o d u l e , t i m i n g - o p e r a t i o nm o d u l e , a n d p o s i t i o n - l i m i ta l a r mm o d u l e , f o ra c h i e v i n gs h i f ta u t o m a t i co p e r a t i o na n ds y s t e ms a f e t y a tl a s t , w i t hn e t w o r kc o n t r o lt e c h n o l o g y , b a s e d0 1 1d c so fs y n t h e t i ct r a n s m i s s i o n t e s t - b e d , s h i f tm a n i p u l a t o rc o n t r o ls y s t e mi si n t e g r a t e di n t od c s ，u s i n gm o d b u s c o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 w i t hi n s t a l l a t i o na n dd e b u g g i n gt h ew h o l ed e s i g na n dc o n t r o lp l a no fs h i f t m a n i p u l a t o ri sr e a s o n a b l e , s a t i s f i e dw i t ht e s tr e q u i r e m e n t s t h es y s t e mh a sc o m p a c t c o n s t r u c t i o n , a c c u r a t ep o s i t i o n i n ga c c u r a c y , s a f e t ya n dr e l i a b i l i t y w i t h o u ta n y c o n s t r u c t i o nc h a n g e so fg e a rb o x , t h es h i f tm a n i p u l a t o rc a nu s ef o ro t h e rg e a rb o x e s , o n l yc h a n g i n gp o s i t i o no f c o o r d i n a t e sa n dm o t i o nd i s t a n c ei nt h es o f t - w a r e k e y w o r d s ：t r a n s m i s s i o n t e s t - b e d ；s h i f tm a n i p u l a t o r ；, m o t i o nc o n t r o l ； d e c e n t r a l i z e dc o n t r o ls y s t e m ；m o d b u sp r o t o c o l c l a s s n o ：t p 2 4 1 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 略啦 导师签名：枥豸l 签字日期：山旬年卜月弦日签字日期：二哆年，二月，乎日 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学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已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名嘭恒签字日期z 口7 年7 乙月f 岁日 致谢 本学位论文是在导师李平康教授的精心指导下完成的，李老师知识渊博、治 学严谨，在研究生的学习和生活中给予我悉心的指导、热情的鼓励和不倦的教诲， 创造了良好的学习环境和科研气氛，使我受益匪浅，在此向李老师致以最诚挚的 谢意。 同时还要特别感谢实验室的杜秀霞老师、北京和利时电机有限公司的马听晟 经理、柴明工程师和吴嘉德工程师在本课题的设计和调试中给予的指导和帮助。 衷心感谢实验室的张伟、国俊峰、张鹏军、金涛涛、李婷婷、黄绿娥等同学， 在我攻读硕士学位期间，他们在工作中给予我无私的帮助并提出了许多建设性的 意见和建议。同时在日常生活中，实验室这个大家庭让我深深体会到了集体的温 暖，陪我度过了两年半美好的时光。 最后，我还要感谢我的家人和女友，他们长期以来默默的理解和支持使我能 够专心完成我的学业。 l 绪论 1 1 课题目的和意义 2 l 世纪是汽车工业飞速发展的时代，汽车工业逐步成为许多国家的支柱产业 为了控制汽车产品质量，提高汽车品质，对其总成及零部件提出了更高更严格的 要求。汽车作为一个复杂的机械系统，设计研发所需的许多技术指标和性能参数， 目前尚不能完全通过理论计算获得，还需通过试验，因此有人说“汽车是试验出 来的”传统手摸、眼看、耳听的原始手段已不能满足需要，现代的检测试验设备 是集计算机、传感器、仪表于一体的车辆综合试验系统【l 】总成和零部件的性能直 接影响到车辆的性能。为了保证车辆的安全可靠性，提高整车性能，需要对总成 和零部件进行性能和寿命的试验。根据试验数据进行处理分析，找出薄弱环节， 在设计中进行相应的改进。 近年来，随着汽车工业的飞速发展，车辆试验理论与测试技术也逐渐完善。 国外汽车工业由于发展时间较长，对车辆检测试验的研究也开展得比较早，针对 车辆传动台架系统的试验技术已比较成熟，从过去单一功能和专用配置的试验台 架，发展到现在的综合传动模拟试验台架1 3 。所谓模拟就是指在实验室中使实际工 作状态再现的一种方式。这样可以直接获得车辆在实际工况条件下的试验数据， 快速做出试验评价，缩短研发周期，节省试验费用。所以模拟车辆实际运行状况， 已经成为车辆传动试验系统的发展趋势1 4 1 车辆动力传动系统是车辆的重要组成部分，包括动力机、传动机构、转向控 制器、换挡控制器和车体本身。动力传动系统担负着负载调节、传递和变速等任 务以适应各种行驶路况，因此其性能对整个车辆的动力性、燃油经济性、环保性 和耐用性等都有极大的影响。车辆动力传动系统的核心是变速箱，其主要作用是 在汽车行驶中实现平稳变速换档，操纵轻便灵活，消除换档冲击噪音和降低汽车 油耗i ，】1 6 j 在传动试验台进行变速箱性能实验时，换档操作主要依靠人工进行，不 仅费时费力，而且人工换档所施加给档杆的力和速度难以达到一致或规定的值， 其次换档时间的起始时刻与终止时刻很难测量，这就便得试验条件很难符合车辆 实际行驶工况。另外，在变速箱疲劳寿命实验中需要连续做2 0 万4 0 万次的换档 操作，采用人工换档难以完成。所以车辆综合传动试验中需要采用机械手代替人 手进行自动换档操作，一方面符合试验中模拟实际工况的要求，另一方面能有效 地减少试验工作量。 本课题正是基于以上情况，以“履带车辆综合传动试验台换挡系统智能优化 技术研究”为基础，为我国自主研究和开发高速履带车辆综合传动装置提供一个 良好的性能和寿命测试平台，对于提高我国类似车辆的传动与控制方面的设计、 研发、试制能力。缩短与国外在传动试验技术上的差距具有重要的意义 1 2 国内外研究现状 国外车辆传动台架测试技术已比较成熟，可以对自动变速器的一些特性进行 全面的检测，这些设备技术含量和测试精度高，价格贵，而且多为专用型试验台 架，只能对同一系列传动装置进行检测。如德国z f 集团建立了专门的试验研究中 心嘲，有关传动方面的试验台有2 1 个，试验种类繁多，有空载试验台、可靠性试 验台、加载试验台、低温试验台、离合器试验台、油压试验台、电磁阀试验台、 传动系统噪音实验室、汽车底盘测功机等。德国r u b r 大学采用次级调节元件加载 的传动系部件动态性能测试台是典型的高端功能试验台的代表1 4 】，该系统采用 v m e 总线结构，多c p u 并行处理，具有强大的实时计算和信号处理能力，系统的 可扩展性好。另外德国s c h e n c k 公司也开发了采用液压次级调节元件作为加载 设备的专用自动变速箱性能试验台i 。”，并产品化出售；德国d s p a c e 公司、韩国汉 城大学在传动试验系统半实物仿真方面也进行了深入研究，取得了很多的成果嗍。 早期的一些传动试验换档机械手只能进行直线换档运动，不能进行曲线换档 运动，并且换档定位精度较低，功能单一。现在已经发展到不仅能实现曲线换档， 还能实现计算机控制自动换档。 国外汽车制造商对换档机械手进行了详细的研究，专门搭建了专用的试验台 架进行试验。日本的a u t o m a x 公司设计了液压式换档机械手试验台，具有柔性好， 精度高，驱动能力强的特点【1 0 】，如图1 - 1 所示。美国宝克公司的换档机械手则采 用交流电机驱动方式，具有系统简单，控制容易，精度高，无需液压油源的特点【”】。 德国r e n k 公司、奥地利a v l 公司以及德国s c h e n c k 公司作为国际知名的车辆 传动试验技术研究机构，在这方面也做了一些很出色的工作。 随着国内汽车工业的快速兴起，国内各汽车厂商和相关研究机构加大了对传 动试验系统的研究，取得了一定的进展。东南大学的张为公和陈晓冰设计研制了 气动七连杆换档机械手【吲；合肥工业大学自动化研究所的董学平采用p l c 控制伺 服电机实现了直线自动换档操作刚；吉林大学的陈恩福和一汽集团汽车技术中心 合作，研制开发了液压自动换档机械手，并在一汽集团世纪星等系列轿车中所采 用的日本三菱公司m a e 同步器寿命试验中安装使用，取得了良好的试验效果1 2 ”， 如图1 2 所示。 图1 - 1a u t o m a x 公司的液压式换档机械手 f i g u r e l - 1a u t o m a xc o m p a n y sh y d r a u l i cs h i f t i n gm a n i p u l a t o r 图1 - 2m a e 同步器液压换档机械手 f i g u r e l - 2h y d r a u l i cs h i f t i n gm a n i p u l a t o ro f m a es y n c h r o n i z e r 国内对于传动试验换档机械手的研究和国外有较大的差距。国内很多汽车制 造商和研究机构进行传动换档试验时，不得不花高价购买国外的产品，或者将变 速箱送到国外进行试验。特别是针对重型履带车辆的换档机械手，各国出于技术 保护的目的，相关的资料更是非常稀少。目前国内外的换档机械手多数采用了气 动或者液压方式，通过直接控制变速箱拨又的运动，能够实现简单行程的换档操 作，但仍然存在着以下的明显缺点；执行机构结构复杂，维护困难；机械手定位 精度不高，一旦变速箱行程或者档位变化，执行机构需要重新设计，通用性差。 1 3 系统性能及研究内容 1 3 1 系统要求 1 总体要求： ( 1 )该系统包括自动变速箱换档机械手一套；用于模拟车辆变速箱在 进行传动试验时，代替驾驶员操作完成换档动作； ( 2 )该系统可以和传动试验台集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m ) 、太平洋数据采集系统进行通讯和接口； ( 3 )执行机构最小工作寿命：1 0 0 0 0 0 次 2 系统功能要求： e ( 1 )启动换档操作前，机械手自动按下档位解锁按钮；换档操作结束 后，机械手自动弹出档位解锁按钮； ( 2 )通过控制软件设置执行机构的速度、加速度、换档行程等参数； ( 3 ) 各运动轴具有独立的限位监控； ( 4 )控制程序能集成到现有试验台d c s 控制系统中； ，( 5 )可以实现对实际换档过程的真实再现并具有换档重复性； ( 6 )执行机构和控制系统具有工业级的稳定可靠性。 1 3 2 主要工作 针对以上课题任务，本文在查阅大量相关资料的基础上，通过分析和多次试 验，完成的工作包括以下六个部分： 1 根据传动试验台的换档试验要求，对比不同的执行机构驱动方式完成系统 总体方案的设计，包括驱动方式、执行机构、交流伺服控制系统； 2 通过对运动控制方式的分析，确定交流伺服系统的控制方案，完成硬件的 选型和安装： 3 对换档机械手传动部分的机械结构进行设计，实现x 、y 和z 。三轴的换档 运动； 4 开发上位机控制程序，包括自动换档操作控制界面、档位示教子程序、档 位标定子程序等； 5 通过m o d b u s 协议的通讯，实现与试验台d c s 控制系统的集成： 6 自动换档机械手现场安装联调。 4 2 试验台换档机械手总体设计方案 2 1 车辆传动试验台概述 车辆传动试验系统通常被称为变速箱试验台或传动试验台，传统试验台主要 针对专用功能单机型系统而言。按照试验目的不同可分为用于研究开发的性能试 验台和用于维修调整的故障诊断检测试验台 性能试验台是进行汽车变速箱性能试验及动态特性试验的必备设备，试验台 结构如图2 1 所示在进行变速箱新产品开发时必须进行自动变速器的静、动态性 能试验，以考察变速箱的设计制造水平；或者在改型时，利用试验方法来考察有 关参数的变化对静、动态特性的影响。其目的是要考核变速箱结构设计的合理性、 加工制造、装配和调试的工艺性以及有关性能指标。其服务对象是生产厂家，所 试验的试件是从出厂的样品中随机抽取。它可以用来进行变速箱本身的性能试验 及其匹配试验等一系列试验，在稳定工况下对被试件测量一定时间，得到平均试 验数据，从而也得到静态特性；也可以在有加速、减速的非稳定工况下，测得瞬 时参数值，得到动态性能，以研究冲击负荷对自动变速器性能的影响它的主要 试验内容包括圈： ( 1 ) 空运转试验，即输出转速范围、空载功率、空载温升、振动和噪声等； ( 2 ) 负载试验，即承载能力( 允许的输出功率、扭矩随转速的变化情况) 、 滑动率，传动效率、负载温升和超负荷试验等； ( 3 ) 疲劳寿命试验。 图2 - 1 传动试验台结构图 f i g u r e 2 1t r a u s m i s s i o nt e s t - b o ds t r u c t u r e 与性能试验台相比，故障诊断检测试验台的目的则是对修复前、后的变速箱 进行检测，判别故障所在或者判断故障是否已得到修理并恢复原有性能1 2 ”。 本文研究的车辆综合传动试验系统属于研究开发用的功率封闭式性能试验系 统，试验台能将测功装置吸收的能量回输到输入端，具有节能的优点瞄瞄】。试验 系统主要由试验控制部分和辅助试验部分组成，包括传动驱动- 力n 载、被试件供油 和数据采集在内都属于辅助试验部分，而试验控制装置主要包括自动换档机械手 和d c s 所模拟的车辆电控单元( e c u ) ，根据车辆行驶速度和油门开度情况，通 过机械手控制档位的变化或者是由车辆电控单元的指令控制变速箱内的电磁阀通 断，从而改变换挡执行元件的油路，使得工作液压油进入相应的执行元件，使离 合器结合或分离，制动器制动或松开，以此控制行星齿轮机构的三个元件( 太阳 轮、齿圈和行星架) 处于运动或停止的状态来获得不同的传动比与以往同类型 的试验台相比，该试验台采用了基于d c s 的网络控制系统将各个控制和检测模块 无缝集成为一个整体，实现了传动试验台的集中控制和数据共享，试验系统结构 如图2 - 2 所示。 d e s 系统( 传动电控模拟器) 图2 - 2 传动试验台d c s 系统结构图 f i g u r e 2 - 2t r a n s m i s s i o nt e s td c ss y s t e ms t r u c t u r e 2 2 总体设计方案的提出 该传动试验台采用的是液力变矩手自一体变速箱，该变速箱通过箱体内行星 齿轮的不同组合实现了6 前2 倒1 个中心转向共9 个档位。试验中执行换档操作 时，通过对电磁阀的控制实现了行星齿轮机构的结合或分离，电磁阀用来控制作 用在换挡滑阀端部的先导油压：当电磁阀线圈断电时，油路被切断，使相应的齿 轮分离；当电磁阀线圈通电时，油路接通，使相应的齿轮结合。图2 3 是工控机所 显示的实时档位界面，表2 - 1 给出了c i ，c 2 ，c 3 、c m 、c l 、c s 、c r 、c h 共八 个电磁阀与档位的对应关系。 6 图2 - 3 实时档位界面 f i g , u r e 2 - 3r e a l - t i m es h i f tg e a ri n t e r f a c e 表2 - 1 档位和电磁阀对应关系 、垦磁阀 黝 0 i c l c 3c sc 2c hc rc 1 n ( 空档) i t ( 前1 ) d ( 前2 ) r 1 ( 倒1 ) 1 1 2 ( 倒2 ) p t ( 中心转向) 1 ( h ) 手 2 ( d ) 自 3 _ 4 体 5 6 与普通汽车的变速箱相比，履带车辆的变速箱档位更多，各档位的行程也更 复杂，档杆箱实物如图2 - 4 所示。从实物图中可以看到档杆箱底座上标记有d 、h 、 r 1 、r 2 、n 、+ 、一、p t 八个换档位置，换档手柄为不规则的曲面柱体，手柄右 7 侧为锁闭解锁按钮。进行换档操作时，档杆运动位置如图2 - 5 所示，档杆在x - y - z 平面的空间位置如图2 - 6 所示。 图2 - 4 档杆箱实物图 f i g u r e 2 - 4s t i c kb o x 图2 - 5 换档运动示意图 f i g u r e 2 - 5s h i f t i n gm o t i o nd i a g r a m m a t i cs k e t c h 图2 击档位空间示意图 f i g u r e 2 - 6s h i f tg e a r t i l r e e - d i m e n s i o np o s i t i o n 换档机械手设计属于机械专业和电子专业相结合的机电一体化设计，机械手 的组成一般包括：机械执行机构，驱动系统和控制系统三个部分，如图2 7 所示。 执行机构是机械手的主体机械部分，也是整个机械手的核心部分。根据设计要求， 换档机械手应模拟人手完成换档操作，如果以档杆手柄中心所处的平面作为参考 平面，所有八个档位是处在一个球形曲面上，所以该机械手为3 自由度，即需要 输出f x 、f y 、f z 两两垂直三个方向的换档力完成换档动作。从档杆箱实物图2 - 4 中可以看到，档杆手柄为不规则的曲面柱体，如何设计一个机械手能稳定可靠地 夹持住手柄，并且在运动过程中能避免二者的相对移动是执行机构设计的关键。 图2 - 7 机械手结构图 f i g u r e 2 - 7m a n i p u l a t o rs t r u c t u r ef i g u r e 目前，通过文献资料可以查阅到的换档机械手均采用了直接控制变速箱拨叉 的方式进行换档操作。这样设计的优点在于避免了对不规则的换档手柄夹持部分 的设计难点，只需要直接对拨叉的换档位移进行控制。但是，这种执行机构的缺 点也非常地明显。第一，需要对变速箱的结构进行改造，将执行机构与拨叉连接， 破坏了变速箱的结构完整性；第二，如果需要进行不同型号的变速箱试验，整个 9 执行机构的行程和机械结构需要重新计算和设计，工作量基本等于设计一个新的 机械手所以基于上面二点的考虑。本文所设计的换档机械手执行机构决定采用 直接驱动换档手柄的换档方式驱动方式可根据动力源的不同，采用气动、液压、 机械、交流伺服四种驱动方式。控制系统则通过驱动系统控制执行机构的运动 综上所述，机械手的设计内容应包括：( 1 ) 确定机械手自由度数，进行执行机构 设计；( 2 ) 驱动方式的选择；( 3 ) 控制方案的设计 2 3 设计方案的对比与确定 2 3 1 执行机构的设计 根据上一节的分析，该换档机械手为三自由度，通过直角坐标下x 、y 、z 三 个方向的运动完成换档动作，所以执行机构对应这三个方向应有三个独立的运动 机构，如图2 8 所示图2 - 8 采用的三轴执行机构需要在各个轴上分别安装驱动装 置和运动导轨，换档过程中档杆球面运动需要z 轴和另外至少一个轴进行联动， 但是实际换档时间只有1 2 秒，z 轴运动行程又比较短，所以这样的结构很难在进 行曲线换档时实现2 轴运动的准确定位。同时，换档手柄侧面的换档按钮还需要 一个执行机构进行解锁、锁闭操作，这样就进一步加大了设计的难度，并且很容 易发生运动干涉导致换档失败。通过进一步地查阅相关机械手设计资料和现场的 实验，最后决定采用一个滑动副和一个关节轴承连接夹持机构实现z 轴的随动， 滑动副由一个套筒内嵌入的直线轴承和滑杆组成，如图2 - 9 所示。图2 - 9 的设计结 构将原来x 、y 、z 三轴的运动控制简化为x 、y 二轴的运动控制和z 轴的随动， 巧妙解决了z 轴运动行程的难题，同时节省了执行机构的硬件成本。 z 图2 - 8 三轴执行机构 f i g u r e 2 - 8 t h r e e a x e s a c t u a t o r m e c h a n i s m l o 图2 - 9 z 轴随动执行机构示惫图 f i g m | e 2 - 9z - a x i ss l a v i n ga c t u a t o rm e c h a n i s m 2 3 2 驱动方式的选择 机械手常见的驱动方式主要有气动、液压、机械、交流伺服四种驱动方式 气动方式反应快、动作迅速、有缓冲，但工作稳定性差、噪音大；液压驱动方式 调速范围大，工作平稳，但存在泄漏，传动效率低，受温度影响较大，工作过程 中有机械摩擦损失、阻力损失及容积损失 2 6 3 1 2 ；机械驱动方式成本低，重量轻， 但换档冲击大，并且无法实现复杂行程的换档操作。比较交流伺服与其它驱动方 式相比主要优点有：控制方式灵活，定位精确高，响应速度快，配合滚珠丝杠和 高刚性导轨，不仅传动效率高，而且可获得较好的重复定位精度，易于多段柔性 编程定位，能满足曲线换档操作的要求。表2 2 为四种驱动方式的主要性能比较。 表2 - 2 驱动方式性能比较 婴动方式 拦艏 气动液压机械交流伺服 输出力较大最大一般较大 定位精度一般一般较高最高 行程复杂性较差一般一般最好 技术要求 一般 较高 一般最高 结构较复杂较复杂一般简单 清洁程度好较差一般好 温度影响较小较大基本无无 通过综合以上驱动方式的优缺点，考虑到本机械手的换档操作及精度要求经 过试验对比交流伺服方式达到了很好的控制要求，因此采用交流伺服驱动方式作 为动力驱动执行机构完成换档动作 2 3 3 控制方案的选择 根据所采用的交流伺服驱动方式，机械手的运动控制实际上也就是对交流伺 服系统的控制随着应用要求的不同，对交流伺服系统的控制方式也不相同在 实际应用中，交流伺服系统有各种不同的控制形式，按控制量来分主要有转矩控 制、速度控制和位置控制三种控制形式嘲： 1 转矩控制 有些负载需要交流伺服电机提供必要的力，并根据力的大小来决定交流伺服 电机的转矩控制和转矩限制，对速度和位置没有要求。这种应用场合就应当采用 转矩控制形式，又因为在交流伺服系统中，交流伺服电机的永磁转子磁极位置通 过位置传感器测量出来，并以此信号作为电流控制的依据，从而实现磁场和电流 的正交，此时电磁转矩和电枢电流成正比，所以交流伺服电机的转矩控制实际上 就是电流控制。 2 速度控制 有的情况下，负载的工作要求对交流伺服电机在各种运行状态下的速度进行 控制。通过速度值的采样作为当前速度反馈与给定信号进行比较，根据比较结果 进行控制调节，把调节结果作为转矩电流实现速度控制。 3 位置控制 对负载有定位要求的应用场合，则应采用位置控制方式的交流伺服系统。位 置控制方式要在系统内装入位置传感器，来测量负载的实际位移，采用的位置传 感器有光栅尺、各类编码器和旋转变压器等。 由于位置控制方式能提供足够的位置定位精度、位置跟踪精度和足够快的跟 踪速度随时跟踪位置指令的变化，与自动换档机械手要求吻合。因此在本课题中 采用位置控制构成交流位置伺服系统。在交流位置伺服系统中，根据位置反馈传 感器安装的不同位置又可以分为半闭环位置伺服控制系统和全闭环位置伺服控制 系统。当位置反馈传感器安装在伺服电机轴上时，可以间接测量受控对象的位置。 这种间接测量的系统称为半闭环位置伺服系统，如图2 1 0 所示。因为受控对象的 移动在闭环控制控制回路之外，所以半闭环位置伺服控制可以避免传动机构的非 线性( 如齿隙、库仑摩擦、t l q 目t l 性等) 引起的系统产生极限环和爬行振荡，机械 传动部件和受控对象只对电机产生惯性负载和负载转矩。当位置反馈传感器安装 在负载上时，传感器直接测量被控对象的移动，这是最理想的闭环位置伺服控制 方式，如图2 - 1 1 所示全闭环位置伺服系统位置控制精度高，但是会受到机械传 动部件的非线性影响。使系统容易产生机电共振和低速爬行现象。 逡度指令 i 蛆鼍时匦州阿至m 孽咽 ll 吲 i 一 图2 - 1 0 半闭环位置伺服系统结构 f i g u r e 2 - 1 0t h e 乳c t u 他o fs e m i - c l o s e d 【唧p o s i t i o ns e r v os y s t e m 速度指令 i 蟪鼍时至州h 圣m 巫蜩 ll 匹丑一 l 石磊k j i 。一 图2 - 1 1 全闭环位置伺服系统结构 f i g u r e 2 1 1t h es t r u c t u r eo f f u l l - c l o s e dl o o pp o s i t i o ns e t v os y s t e m 首先，交流伺服电机是一种模拟的执行元件，其输出速度、转角都是模拟量， 若反馈测量器件也采用模拟信号器件，如自整角机和旋转变压器等，可以构成模 拟位置伺服系统。模拟位置伺服系统的抗噪声干扰能力强，读取工作信号方便， 但存在着对微弱信号的信噪分离困难，零点受温度漂移影响容易产生零点漂移误 差。而数字伺服系统不但易于与上位机通讯，进行整体控制调节方便，而且可通 过增加数字位长提高控制精度，只对逻辑电平响应保证零点定位精度，己逐步取 代模拟伺服系统。所以为满足高精度的指标要求，本系统决定使用数字式控制方 式。 第二，换档机械手要求在规定的行程内，模拟人手实现解锁、锁闭和换档操 作，并达到足够高的位置定位精度，所以应该采取位置控制形式。 第三，虽然全闭环位置伺服系统在理论上能比半闭环位置伺服系统达到更高 的精度，但是机械变形、温度变化，振动等其他因素对系统稳定性造成影响。在 实际的使用中，系统运行一段时间之后，机械传动部件的磨损、变形也会使系统 的精度降低。目前只在一些传动部件精密度高、性能稳定的高精度场合才使用全 闭环位置伺服系统。 综合考虑交流伺服系统的控制方式和结构形式，换档机械手系统决定采用半 闭环的数字式交流位置伺服控制方案 3 换档机械手机械系统设计 3 1 概述 机电一体化系统的机械设计与一般的机械系统设计相比，除了要求具有较高 的定位精度之外，还需要具有良好的动态响应特性，即响应快、稳定性好。一个 典型的机电一体化系统，通常由控制部件、接口电路、功率放大电路、执行机构、 机械传动部件，以及检测传感部件等部分组成。这里所说的机械系统一般由减速 装置、丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副等各种线性传动部件以及连杆机构、凸轮机构等 非线性传动部件、导向支承部件、旋转支承部件、轴系及架体等机构组成为保 证机械系统的传动精度和工作稳定性，在设计中还需要满足无间隙、低摩擦、低 惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比等要求。 3 2 传动部件的设计 3 2 1 传动方式的选择 常用的机械传动部件有螺旋传动、齿轮传动、同步带、高速带传动以及各种 非线性传动部件等，其主要功能是传递转矩和转速，因此实质上是一种转矩、转 速变换器。机械传动部件对伺服系统的伺服特性有很大影响，特别是传动类型、 传动方式、传动刚性以及传动的可靠性对机电一体化系统的精度、稳定性和快速 响应性有重大影响。因此，应设计和选择传动间隙小、体积小、重量轻、精度高、 运动平稳的传动部件。 随着机电一体化系统精密化和高速化的发展，必然要求其传动机构小型轻量 化，以提高运动灵敏度( 响应性) ，减小冲击、降低能耗。为了达到本课题中换档 机械手的设计要求，实现快速、准确地完成换档操作，传动部分应采用螺旋传动 机构螺旋传动机构又称为丝杠螺母机构，它主要将旋转运动变为直线运动或将 直线运动变为螺旋运动，分为滑动丝杠螺母机构和滚珠丝杠螺母机构两种。滑动 丝杠螺母机构结构简单，加工方便，制造成本低，具有自锁功能，但其摩擦阻力 大，传动效率低( 3 0 - 4 0 ) 。如图3 1 和图3 2 所示为滚珠丝杠副结构图和实物 图，滚珠丝杠副一般是由1 丝杠、2 螺母、3 滚珠( 钢球) 和4 滚珠循环返回装置 四个郁分组成。滚珠丝杠副中以滚动代替普通丝杠副的滑动，为使滚珠丝杠副在 工作过程中始终保持滚动摩擦，滚珠在螺母内循环滚动。根据其工作原理，滚珠 丝杠副和滑动丝杠副相比，它以滚动摩擦代替了滑动摩擦，具有以下的特点1 2 9 1 ： 图3 - 1 滚珠丝杠副结构图 f i g u r e 3 - 1t h es m a m a eo f b a l ls c r e wp a i r 图3 - 2 滚珠丝杠副实物图 f i g u r e 3 - 2b a l ls c r e wp a i rr e a lo b j e c t ( 1 ) 摩擦损失小，传动效率高： 由于滚珠丝杠副的摩擦损失小，其传动效率可以到达9 0 9 8 ，是滑动摩擦丝 杠副的2 3 倍； ( 2 )磨损小，寿命长： 通常，滚珠丝杠副的主要零件都是经过淬硬的，并且表面粗糙度低；滚动摩 擦的磨损很小，具有良好的耐磨性，工作寿命长； ( 3 ) 轴向刚度高： 由于滚珠丝杠副可以完全消除传动间隙，不会影响到丝杠运动的灵活性，所 以可以获得较高的轴向刚度； ( 4 ) 摩擦阻力小，运动平稳： 由于是滚动摩擦，动、静摩擦系数相差很小，其摩擦阻力几乎与速度无关， 而且静止摩擦力很小，启动力矩与运动力矩几乎相等。因此运动平稳，启动时无 颤动，低速传动时，无爬行现象发生； ( 5 ) 不能自锁，具有传动可逆性： 滚珠丝杠副不具有自锁能力，可以进行逆向传动。 1 6 综上所述，我们选择采用摩擦小、精度高的滚珠丝杠作为机械手的传动部件 当滚珠丝杠在轴向压力作用下，若其轴向压力过大或丝杠直径太小，或支承距离 较远的时候，滚珠丝杠会由于压弯而失去稳定性，所以为了保证滚珠丝杠副的正 常工作，还需要对丝杠的尺寸、安装方式等进行选择 1 滚珠丝杠尺寸的选择 选择滚珠丝杠时主要选择丝杠的公称直径丸和基本导程z b 两个尺寸公称直 径蟊是指滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时包络滚珠中心的圆柱直径。公称直 径矗应根据轴向最大载荷按滚珠丝杠副尺寸系列选择。螺纹长度z ( 即丝杠上的螺 纹滚道全长) ，在允许的情况下要尽量短，一般取l i d o 小于3 0 基本导程l o ( 即 丝杠相对于螺母旋转2 石弧度时，螺母上基准点的轴向位移) 应按照承载能力、传 动精度以及传动速度选取，l 0 越大承载能力越大，l o 越小则传动精度越高【2 9 1 。 根据机械手系统的性能要求，并按照国家标准( i s o d i s 3 4 0 8 2 1 9 9 1 ) 中的规 定唧，x 和y 轴选取了公称直径磊= 1 6 m 、基本导程上b = 5 m 的c 3 级精度的 滚珠丝杠，最大行程分别为2 5 0 r a m 和2 0 0 m m ；换档解锁锁闭轴选取了公称直径 碗= 1 0 m m 、基本导程厶- - 1 5 m m 的c 3 级精度的滚珠丝杠，最大行程为1 0 0 r m m 2 滚珠丝杠副安装方式的选择 丝杠的轴承组合及轴承座以及其它零件的连接刚性不足，将严重影响滚珠丝 杠副的传动精度和刚度为了提高轴向刚度，常用止推轴承为主的轴承组合来支 承丝杠，当轴向载荷较小时，也可用向心推力轴承来支承丝杠。滚珠丝杠副安装 方式通常有以下四种p l 】：( 1 ) 双推一自由方式：丝杠一端固定，一端自由，固定 端轴承同时承受轴向力和径向力，这种安装方式一般用于小行程的直线传动丝杠； ( 2 ) 双推一简支方式：丝杠一端固定，另一端支承，固定端轴承同时承受轴向力 和径向力；支承端轴承只承受径向力，而且能作微量的轴向浮动，可以避免或减 少丝杠因自重而出现的弯曲，同时丝杠热变形可以自由地向一端伸长；( 3 ) 双推 一双推方式：丝杠两端均固定，固定端轴承都可以同时承受轴向力和径向力，这 种支承方式可以对丝杠施加适当的预拉力，提高丝杠支承刚度，可以部分补偿丝 杠的热变形；( 4 ) 采用丝杠固定、螺母旋转的传动方式：螺母一边转动一边沿固 定的丝杠作轴向移动。由于丝杠不动，不受临界转速的限制，避免了细长滚珠丝 杠高速运转时出现的种种问题。螺母惯性小、运动灵活，可实现高转速此种安 装方式可以对丝杠施加较大的预拉力，提高丝杠支承刚度，补偿丝杠的热变形 该换档机械手的滚珠丝杠副采用双推一简支安装方式，一端装止推轴承及向 心轴承的组合，并施加预紧力，使其刚度最高；另一端通过联轴器与电机相连。 1 7 3 2 2 直线运动单元的选择 由上一节的分析，决定采用滚珠丝杠副作为机械手的传动部件。滚珠丝杠是 一种将螺旋运动转换为直线运动的传动机构，丝杠本身对运动副轴向力和径向力 的承载比较有限。当传动机构所连负载较大或者在高速运动情况下，丝杠本身的 形变会影响到运动精度，所以需要在x 、y 运动轴的滚珠丝扦副上加装提高运动 副强度的导轨，组成x 、y 轴的直线运动单元如图3 3 所示为直线运动单元的结 构，滑块中心与滚珠丝杠的螺母固定在一起。丝杠转动时螺母带动滑块做直线 运动，滑块顶部两侧则在直线导轨内通过滚珠链滑动。图3 - 4 所示为装配完成的一 个直线运动单元实物图，滚珠丝杠副通过直线导轨两侧的轴承座和联轴器安装在 直线滚动导轨内，导轨两侧安装位置检测的限位传感器。换档手柄的解锁锁闭直 线运动单元也同样采用滚珠丝杠副和滚动导轨组合的结构，但是这个运动轴不需 要对位置进行精确的定位，只需要在结束换档时弹出换档按钮锁闭档杆；开始换 档时按下换档按钮解锁档杆。因此，这个运动轴使用步进电机进行驱动，只在导 轨上解锁和锁闭2 个固定位置安装接近开关，如图3 - 5 所示。 图3 - 3 直线运动单元结构 f i g u r e 3 - 3t h es t r u c t u r eo f l i n e a rm o t i o nu n i t 图3 4 直线运动单元实物图 f i g u r e 3 4l i n e a rm o t i o nu n i tr e a lo b j c c t 图3 - 5 解锁锁闭轴直线运动单元 f i g o r e 3 - 5l i n e a r m o t i o n u n i t f o r l o c k i n g a n d u n l o c k i n g a x i s 3 3 其他部件的设计 1 z 轴随动机构的设计： 根据第一章总体设计方案，机械手为三自由度直角坐标执行机构，需要x 、y 、 z 三轴完成换档操作，x 和y 轴采用交流伺服电机驱动，z 轴在换档过程中进行随 动。z 轴随动机构采用一个滑动副和一个关节轴承连接夹持装置实现z 轴的随动， 滑动副由一个套筒内嵌入的直线轴承和滑秆组成，如图3 - 6 所示。 图3 - 6 z 轴随动机构 f i g o r e 3 - 6z - a x i ss l a v i n g a c t u a t o r 2 夹持机构的设计： 换档手柄为不规则曲面柱体，表面包裹了一层柔性皮质材料，如图3 - 7 左图所 示。如果采用常用的机械手夹持手柄，换档过程中很容易发生机械手爪和手柄的 相对移动，导致档位坐标发生改变，无法满足换档的精确定位。同时，常用的机 械手夹持在手柄上反复进行换档操作后，换档力会使手柄表面发生形变导致整个 执行机构的精度下降经过多次的试验，我们采用了两块厚度1 5 m m ，长宽为 4 5 r a m x 8 5 r a m 的铝合金块在螺栓的固定下前后夹住换档手柄。由于手柄为不规则 的曲面，为保证在换档中不会发生相对位移，我们将两块铝合金块的内侧铣成与 手柄表面相贴合的曲面，将整个换档手柄完全包裹住：如图3 7 右图所示。 1 9 图3 - 7 换档手柄和手柄夹持机