（检测技术与自动化装置专业论文）车辆传动试验台自动换档机械手的设计及实现.pdf

北京交通人学硕士学位论文 中文摘要 中文摘要 传动装置是车辆的重要组成部分，依靠高性能的传动试验台进行测试，可降 低车辆的研究成本，缩短开发周期。疲劳寿命试验是传动试验的重要环节，由其 特殊性要求必须采用机械手代替人手进行自动换档操作。研制先进的车辆传动试 验换档机械手，对提高我国车辆试验技术有着重要意义。本文以车辆传动试验系 统为课题背景，对车辆传动试验台自动换挡机械手进行设计及实现。 本文首先对车辆传动试验台进行简要介绍，在研究分析国内外换挡机械手的 研究现状后，提出数字交流伺服的三自由度直角坐标换档机械手方案。方案采用 交流伺服驱动方式完成x 方向和y 方向的运动，而z 方向通过万向节和滑动副进行 随动，解决了曲线换档、三维转化为二维的运动控制，可以实现任意档位之间的 切换，结构简单，易于控制。 其次，经过大量的理论推导，建立了机械手的数学模型。文中先对多自南度 机械手的运动学和动力学进行分析与建模，然后将本课题的换档机械手空间运动 模型进行简化，对其进行理论分析与计算。最后利用m a t l a b 编写仿真程序，进 一步验证了所建模型的正确性。 然后，利用a c t i v e x 控件在v b 中开发上位机控制程序，并解决档位标定、档 位示教等难题，既实现了试验的自动化换档操作，又增强了换挡机械手的通用性 和智能化。 最后，本文实现了换挡机械手与车辆传动试验台d c s 系统的集成。编 写m o d b u s 通讯程序，将换档机械手控制系统无缝集成到d c s 系统巾。同时还将机 械手仿真系统也集成到d c s 中。研究d c s 与m a t l a b 的通讯与数据共享，主要包 括d c s 数据的读取、m a t l a b 与外部环境的数据共享。开发d c s 与m a t l a b 通 讯的程序及监控界面，利用m o d b u s 控件实现对d c s 数据的读取，通过m a t l a b a c t i v e x 自动化服务器技术完成m a t l a b 与外部环境的数据共享。实现由d c s 完 成控制功能，m a t l a b 提供仿真模型及运算分析，可充分发挥两者的优势，为车 辆传动试验台的测试提供了较好的仿真环境，便于控制策略优化的研究。 关键词：传动试验台；换挡机械手；运动控制；d c s ：m o d b u s ；m a t l a b 北京交通人学硕士学位论文a b s t r a c t ab s t r a c t t h et r a n s m i s s i o nd e v i c ei st h ei m p o r t a n tp a r to fv e h i c l e s d e p e n d i n go nt h e h i g hp e r f o r m a n c et r a n s m i s s i o nt e s t - b e d ，am a s so ft e s t sr e d u c et h er e s e a r c hc o s t a n ds h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tc y c l e t h ef a t i g u el i f et e s ti st h ei m p o r t a n te l e m e n t o ft 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 tm a n i p u l a t o ri n s t e a do f m a n u a ls h i f t i n gb yi t sp a r t i c u l a r i t y i tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei ne n h a n c i n gv e h i c l e s t e s tt e c h n o l o g yo fo u rc o u n t r yt h a td e v e l o p i n gt h ea d v a n c e ds h i f t i n gm a n i p u l a t o r o fg e a r - b o xt e s t b a s e do nt h ev e h i c l et r a n s m i s s i o nt e s ts y s t e m ，t h i st h e s i sf o c u s e s o nt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h ev e h i c l et r a n s m i s s i o nt e s t - b e da u t o m a t i c s h i f t i n go p e r a t i n gs y s t e m i nt h ef i r s tp a r t ，t h ev e h i c l e st r a n s m i s s i o nt e s ts y s t e mi si n t r o d u c e db r i e f l y a f t e rt 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 gm a n i p u l a t o ra n a l y z e d a n ds t u d i e d ad e s i g na p p r o a c ho ft h r e e - d e g r e eo ff r e e d o mc a r t e s i a nc o o r d i n a t e m a n i p u l a t o ro fd i g i t a la cs e r v oi sp r o p o s e d i tu s e st h ea cs e r v o m o t o rw i t hr o l l e r l e a d i n gs c r e wt od r i v et h em o v e m e n to fx d i r e c t i o na n dt h ey d i r e c t i o n ，h o w e v e r ，z d i r e c t i o nm o v e m e n tf o l l o w st h em o v e m e n tw i t ht h eu n i v e r s a lj o i n ta n dp a i rs l i d i n g s h a f t s t h i sa p p r o a c hi m p l e m e n t sc u r v es h i f t i n g ，m o t i o nc o n t r o lo ft h r e e - d i m e n s i o n t ot w o - d i m e n s i o n ，a n dt h es h i f tm a ya r r i v ea tt h er a n d o mp o s i t i o n ，w i t hs i m p l e s t r u c t u r e ，e a s yc o n t r o lm o d e s e c o n d l y , t h em a s s i v et h e o r yi sr e a s o n e da n dm a n i p u l a t o r sm a t h e m a t i c a lm o d e l i se s t a b l i s h e d m u l t i - d e g r e eo ff r e e d o mk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sm a t h e m a t i c a lm o d e l so fm a n i p u l a t o ra r ea n a l y z e da n de s t a b l i s h e d t h e ns h i f tm a n i p u l a t o rs p a c em o - t i o nm o d e li ss i m p l i f i e da n da n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y s i m u l a t i o nc o n f i r m st h i sm e t h o d t h r o u g hm a t l a b t h i r d l y , d e v e l o p i n gu 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 s i nv b ，i ts o l v e ss h i f tg e a rc a l i b r a t i o na n ds h i f tg e a rt e a c h i n gp r o b l e m s ，w h i c h a c h i e v e ss h i f ta u t o m a t i co p e r a t i o ne a s i l y , a n ds t r e n g t h e n e su n i v e r s a l i t ya n di n t e l l i - g e n c e f i n a l l y ，a n dm o s ti m p o r t a n t l y ，s h i f tm a n i p u l a t o ri si n t e g r a t e di n t od i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m ( d c s ) o ft r a n s m i s s i o nt 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 s i n t e g r a t e di n t od c su s i n gm o d b u sc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 s i m u l a t i o ns y s t e mo f m a n i p u l a t o ri sa l s oi n t e g r a t e di n t od c s c o m m u n i c a t i o na n dd a t as h a r i n gb e t w e e n d c sa n dm a t l a bh a sb e e ns t u d i e da n dr e a l i z e d w h i l ed c sc a r r i e so nt h ec o n t r o 】 一1 v 一 北京交通人学硕士学位论文 a b s t r a c t f u n c t i o n ，m a t l a bp r o v i d e sm a n i p u l a t o r ss i m u l a t i o nm o d e l s oi tc a ne n h a n c et h e t e s te f f i c i e n c yg r c a t l y , a n dp r o v i d e st h eg o o ds i m u l a t i o ne n v i r o n m e n tf o rt h ev e h i c l e s t r a n s m i s s i o nt e s t ，w h i c hi sa d v a n t a g e o u sf o rr e s e a r c hc o n t r o ls t r a t e g yo p t i m i z a t i o n k e y w o r d s ：t r a n s m i s s i o nt 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 c s ； m o d b u s ；m a t l a b v 一 北京交通大学硕士学位论文 插图目录 1 1 车辆传动试验系统组成框图 2 2 - 1 机械手结构图6 2 - 2 半闭环位置伺服系统结构 8 2 3 全闭环位置伺服系统结构 9 3 - 1 通用关节连杆组合的d h 表示1 l 3 - 2 平移映射1 2 3 - 3 矢量的旋转1 3 孓4 在一般情况下的矢量变换1 4 孓5 中间坐标系 尸) ， q 和 r ) 的位置1 5 3 - 6 机械手示意图1 6 孓7 机械手换档行程三维坐标图1 7 3 8 机械手的空间运动轨迹1 7 孓9 换档方向上的轨迹。1 7 3 - 1 0 选档方向上的轨迹1 8 3 - 1 1 两关节角度变化曲线2 0 3 - 1 2 机械手初始状态图2 l 3 - 1 3 机械手关节角变化后状态图2 l 3 - 1 4 机械手运动到目标点的三维图2 1 3 - 1 5 旋转后的机械手三维坐标图2 2 3 - 1 6 机械手末端的运动轨迹2 2 3 - 1 7 机械手两关节角转动的弧度2 3 3 - 1 8 机械手运动学实时仿真图2 3 3 - 1 9 换档仿真曲线2 4 垂1z 轴随动机构2 5 4 2 位置伺服系统结构示意图2 6 垂3 驱动器及交流伺服电机外观图2 7 垂4 驱动器及步进电机外观图2 7 垂5m c 2 0 6 硬件接口示意图3 0 4 - 6m o t i o np e r f e c t 2 程序界面3 0 插陶目录 l 1 0 一d 3 n k 电感式n p n 型接近开关3 1 电感式接近开关的接线原理图3 l 驱动器c n 2 接口定义3 2 位置脉冲控制接线原理图3 3 m c 2 0 6 运动控制器d b 9 ：k , 型接口定义3 4 伺服电机、驱动器和运动控制器的硬件接线图3 4 步进电机、驱动器和运动控制器的硬件接线图3 5 限位传感器接线示意图3 5 电气控制柜硬件安装3 6 控制系统硬件结构3 7 上位机控制界面3 8 运行中的上位机控制界面3 8 系统状态显示3 9 电机运行参数显示4 0 档位显示和换档操作界面4 l 限位报警4 1 电机运行状态4 2 电机点动控制4 2 档位标定示教监控界面4 3 d c s 系统结构图4 5 e d p f c o m 通讯模块4 7 n i o 运动控制器与d c s 硬件连线图5 0 通讯主程序流程图5 1 数据接收子程序流程图5 2 输入模拟点定义5 4 输出模拟点定义5 5 m l 算法图5 5 填写测点命令5 6 n i o 控制器v r 寄存器值显示5 6 d c $ c o m 模块寄存器值与换档操作模拟图5 7 车辆传动试验系统d c s 监控主界面5 7 d c s 与m a t l a b 通讯硬件结构图6 1 数据共享与通讯监控界面( 未运行) 6 2 机械手运动学仿真监控界面6 3 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 l 2 3 4 5 o 1 2 3 4 5 7 8 9 1 1 1 1 1 1 l l l 1 2 2 2 2 2 2 l 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 l 1 1 1 垂缸缸缸缸垂乒缸乒缸缸乒缸缸乒缸缸乒缸 乒艮豇墨舅孓墨艮孓艮舅孓孓孓孓 北京交通人学硕士学位论文 5 - 1 6 机械手动力学仿真监控界面6 4 5 - 1 7d c s 的内存卡寄存器数值6 5 表格目录 表格目录 2 - 1 驱动方式性能比较 7 3 - 1 机械手“r o b o t t e s t 的连杆参数1 9 缸1 伺服电机性能参数2 8 4 - 2 步进电机性能参数2 8 5 1 t r i o 控制器串口b 针脚定义表4 8 5 2e d p f c o m 2 模块通讯端子排定义表4 9 5 3 ( 3 ) 读取保持寄存器5 0 5 4 ( 1 6 ) 事先调整多寄存器5 1 5 5 通讯测点地址设置参考表5 4 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：弯畸畸 签字日期：瑚d 多年占月0 日 导师签名： 签字日期： j ! 室奎望奎堂硕士学位论文 独创性声明 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：朔哼签字h 期 砂彩年6 月l a 。7 l 。 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昕晟 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。 衷心感谢实验室的国俊丰师兄、张鹏军师兄、赵恒师兄、张伟师兄、金涛涛、 黄绿娥、杨敏师妹、王鹏师弟、赵立策师弟、张斌师弟、张洁浩师弟、曲云腾师 弟，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，陪我度过了两年美好的时光。 最后，我还要感谢我的家人长期以来的理解和支持使我能够专心完成我的学 - k 。 第一章绪论 第一章绪论 19 1 车辆传动试验台概述 传动装置是车辆的重要组成部分，其性能对整个车辆的动力性、燃油经济 性、环境的污染和使用寿命都有极大的影响。性能优良和可靠性高的传动装置是 车辆设计者的追求目标。传动装置的功用是把发动机的功率传递到主动轮来驱动 车辆行驶，按直驶的要求改变驱动车轮的速度和牵引力，按转向的要求分别改变 两侧车轮的速度和牵引力，实现车辆的倒档行驶、车辆制动、停车和切断发动机 动力等，保证汽车在各种工况条件下的正常行驶，并具有良好的动力性和经济 性。车辆传动装置的核心是变速器，变速器具有以下几个功能：( 1 ) 改变传动 比，扩大驱动轮转矩和转速的变化范围，以适应经常变化的行驶条件，同时使发 动机在有利( 功率较高而油耗较低) 的工况下工作；( 2 ) 在发动机旋转方向不变 的情况下，使汽车能倒退行驶；( 3 ) 利用空挡，在离合器结合时能保证发动机空 转、切断发动机与传动系的动力传递。变速器由变速传动机构和变速操纵机构两 部分组成。变速传动机构的主要作用是改变转矩和转速的数值和方向；操纵机构 的主要作用是控制传动机构，实现变速器传动比的变换，即实现换挡，以达到变 速变距【l _ 4 】。 传动系统及其零部件的使用条件复杂，车辆对产品的性能、寿命、质量和成 本等方面的要求高。同时影响产品质量的因素很多，所涉及到的技术领域也极为 广泛。现在的研究和设计一方面对有些问题的理论研究还不很充分，另一方面在 分析、设计中对问题进行了简化、假设，而实际工作条件极其复杂，所以不论设 计制造时考虑得如何周密，最终都必须经过试验来检验。在车辆下线前，往往需 要对设计的某种传动系统进行整车的性能验证和参数校验，因此传动系统的高性 能试验是非常必要的。由于传动系统在各种车型中都是核心部件，而且结构形式 多种多样，现有具备单一功能和专用配置的传动系统试验台难以适应这种多样 性，其利用率大大降低，随之造成了大量的设备闲置和资源浪费【5 】5 。国内外相关 的科学研究者和汽车设计制造商根据需要研究和开发了多种试验台架，为传动试 验技术的发展做出了贡献 6 - 1 4 】。 本文研究的车辆传动试验系统属于研究开发用的性能试验系统。车辆传动试 验系统主要包括驱动- 力口载子系统，供油子系统，试验数据采集子系统，传动试验 系统控制器，换挡操作系统和自动变速箱这几部分。车辆传动试验系统的组成如 图1 1 所示。 自动变速箱是传动试验的被试件；换挡操作系统是自动变速箱的换挡执行机 北京交通人学硕士学位论文 图1 1车辆传动试验系统组成框图 f i g u r e1 1c o m p o s i t i o no fv e h i c l et r a n s m i s s i o nt e s ts y s t e m 构，用来控制档位的变化；驱动- 力口载子系统可以模拟车辆各种实际运行状况， 用来测试变速箱的品质；供油子系统用来提供变速器工作用油和系统润滑用油； 数据采集子系统使用了太平洋数采系统，负责采集位于系统各个部位传感器的信 号。由于车辆传动试验系统庞大，需要检测和控制的信号较多，而且传动系统的 各个组成部分都自成子系统，各个子系统之间需要进行数据通讯与协调控制，因 此，需要改进传统设计的基于单一计算机或是上下位机结构的传动试验台架。本 课题以集散控制系统( d c s ) 作为网络控制的主体平台，采用基于分布式网络监 测和控制结构的传动试验测控系统。在d c s 上开发了传动电控模拟器和供油监控 界面，作为整个试验系统的监测与控制的平台，实现与其他子系统的集成和数据 通信。 1 2 本课题研究目的和意义 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。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日j 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。车辆传动系统的试验技术也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。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 - 2 一 第一章绪论 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 5 1 6 l 。 车辆传动试验系统的核心是变速箱，其性能的优劣直接影响到传动系统的性 能，关系到整车的质量，汽车工业对变速器性能和疲劳试验的研究十分重视。由 于变速器试验必须要在符合汽车实际运行的工况下进行，并通过准确测得换挡期间 变速器的各项特征参数进行性能分析和疲劳寿命评价，因而对变速器试验系统的 要求越来越高。在传统试验台进行变速箱性能试验时，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，这就使得试验条件很难符 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。而且，随着人们对汽车驾驶舒适性的要求日益提高， 变速箱品种逐渐增多，对变速箱换档性能的要求也将不断提高，传动装置性能试 验也随之增多，还应考虑研制开发通用性强的换挡机械手，以满足不同变速箱试 验需求。因此，研制先进的换档机械手，对提高我国汽车试验技术有着重要意义。 本文以车辆传动试验系统为课题背景，对车辆传动试验台的自动换挡机械手 进行设计及实现，为车辆传动装置提供一个良好的性能和寿命试验平台，以此提 高车辆传动的整体性能。 1 3 国内外研究现状 早期的一些试验设备的操作机械手只有换档的直线运动，不能做曲线运动，。 选档时，必须先停下试验，手工将换档油缸推到被测档位后，才能进行该档位的 换档寿命试验。现在已经发展到既能选档、换档自动化，还能实现曲线换档。 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。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f 1 7 - 19 】。 国内对于传动试验换档机械手的研究起步较晚，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。国内过去研究的换档机械手多数通过直 接控制变速箱拨叉的运动，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【2 0 ，2 1 j 。但随着国内汽 一3 - 北京交通人学硕士学位论文 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f 2 2 】，气动方式反应快、动作迅速、有缓冲，但工作稳定性差、噪音 大；合肥工业大学自动化研究所的董学平等采用p l c 控制伺服电机实现了直线自 动换档操作【2 3 ，2 4 ，换挡行程较简单，不能进行曲线换挡操作；吉林大学的陈恩福 等【2 0 2 5 ，2 6 】研制开发了液压自动换档机械手，液压驱动稳定，但液压油需由专门的 液压泵系统提供，使试验台系统的故障点增多，结构复杂，受温度影响大，无法 实现复杂行程，还需要考虑泄漏问题。因此，研究通用性强且能完成曲线换挡的 智能自动换挡机械手迫在眉睫。 1 4 论文主要工作 本文以车辆传动试验系统为对象，研究并设计了车辆传动试验台自动换档机 械手，为车辆传动试验系统提供了一个现代化的、高性能的换挡试验手段，对提 高车辆传动试验技术有着重要意义。本课题具体的工作包括以下几部分： ( 1 ) 换挡机械手总体方案设计。根据传动试验台的换档试验要求，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、试验台集成设 计。 ( 2 ) 机械手数学模型的建立。通过对机械手的运动学分析，建立运动学模 型，并利用m a t l a b 进行仿真验证； ( 3 ) 换档机械手系统硬件部分设计。包括对换档机械手执行机构的方案设 计，驱动控制系统的设计，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 ) 换档机械手与车辆传动试验台d c s 系统集成的实现。编写m o d b u s 通 讯程序，实现换挡机械手控制系统与试验台d c s 系统的数据通讯；研究换 挡机械手仿真系统与d c s 系统的集成，由于d c s 与m a t l a b 处于不同设备， 不能直接进行通讯，研究并解决d c s 与m a t l a b 的数据通讯与共享的问题。 将d c s 与m a t l a b 结合，充分发挥两者的优势，为提高传动系统的整体性能提供 较好的仿真环境。 - 4 - 第二章试验台换挡机械手方案设计 第二章试验台换挡机械手方案设计 2u 1 总体设计方案的提出 车辆传动试验系统是一个典型的集成系统，由不同平台、不同层次的具体功 能模块组成，采用集散控制系统( d c s ) 作为传动试验系统网络控制的主体平 台，d c s 系统的开放型接口将各个子系统集成一体，实现控制系统中网络资源信 息的共享。集散控制系统( d c s ) 可以把每个子系统的执行任务分配给下位机控 制器去完成，而把管理任务交给上位机去完成，并通过网络互联通讯，实现上位 机对下位机的控制。这样既减轻了上位机的控制负担，又可以选择专用控制器做 下位机，一般专用控制器控制能力较强，在现场的抗干扰性和稳定性都较好， 可大大提高控制质量。换挡机械手也是d c s 的一个子系统，需要集成到d c s 系统 中，所以总体方案设计主要包括两部分：( 1 ) 自动换挡机械手的方案设计； ( 2 ) 机械手与传动试验台d c s 系统集成的方案设计。 1 自动换挡机械手的方案设计 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 1 所示。执行机构是机械手的主体机械部分。换档机械手大多采用了直接控制 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。所以基于上面两点的考虑，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，可 以采用气动、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 换挡机械手与传动试验台d c s 系统集成的方案设计 试验台要求实现在d c s 系统的操作站上对换挡机械手的集中监视及管理，所 以换挡机械手控制系统要集成到d c s 中，即设计实现机械手控制器与d c s 系统的 数据通讯。 随着试验台性能不断提高，对机械手的功能及性能要求也将不断提高。因 此，为了能快速对机械手进行运动学及动力学分析，实现机械手机构和控制器的 优化设计以及规划出优化的机械手运动轨迹，利用仿真技术是一个重要的手段。 - 5 - 北京交通人学硕士学位论文 图二1 机械手结构图 f i g u r e2 - 1m a n i p u l a t o rs t r u c t u r ef i g u r e 一个机械手应用项目开发之前，利用机械手仿真可以先制作出设计方案中的机 械手模型，为机械手控制方案提出依据，并在这个机械手上模拟能够实现的功 能，使设计者直接看到设计效果，及时找出缺点和不足，进行改进。由于实际工 程的限制，在d c s 系统中难以进行仿真试验。如能将d c s 和专用仿真系统相连， 由d c s 完成控制运算功能，仿真系统提供被控对象的仿真模型及运算。将充分发 挥两者的优势，同时也为开发新的控制策略和算法给予极大的帮助。所以在集成 方案中也将仿真系统集成到d c s 系统中，即实现仿真系统与d c s 的数据通讯与共 享。 2 2 设计方案的确定 2 2 1 执行机构的设计 根据试验要求，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，档位是处在一个球形曲面上，所以换挡机械手通常为 三自由度，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， 所以执行机构对应这三个方向应有三个独立的运动机构1 2 7 j 。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两轴运动的准确定位。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、闭锁操作，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试验，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，这样的设计结构将原来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。 6 - 第二章试验台换挡机械手方案设计 2 2 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；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。交流伺服与其它驱动方式相比 较，主要优点有：控制方式灵活，定位精度高，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 1 为四种驱动方式的主要性能比较。 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，本课 题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 2 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【2 s - 3 0 1 ： ( 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 表二1 驱动方式性能比较 t a b l e2 - 1c o m p a r i s o no fd r i v e nm o d e 。一 气动液压机械交流伺服 性能 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 7 - 北京交通人学硕士学位论文 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。 速度指令 图2 2半闭环位置伺服系统结构 f i g u r e2 - 2t h es t r u c t u r eo fs e m i c l o s e dl o o pp o s i t i o ns e r v os y s t e m 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 2 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町以避免传动机构的 非线性( 如齿隙、库仑摩擦、非刚性等) 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 3 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。 一8 第二章试验台换挡机械手方案设计 速度指令 图2 3 全闭环位置伺服系统结构 f i g u r e2 - 3t h es t r u c t u r eo ff u l l - c l o s e dl o o pp o s i t i o ns e r v os y s t e m 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。 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，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，己逐步取代模拟伺服系统。所以为满足系统性能指标要求，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、闭锁和换档操 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。所以本系统采用半闭环位置伺服系统即可满足系统性能要 求。 2 2 4 试验台集成的设计 在前面的总体设计方案中提出：机械手控制系统、仿真系统要实现与d c s 系 统的集成，即是要实现机械手控制器、仿真系统与d c s 系统的数据交换与共享。 本传动试验平台采用的d c s 为北京国电智深控制技术有限公司的e d p f n t 集散控 制系统。e d p f n t 与外部设备进行数据交换的常用的方式有两种：采用o p c 服 务器和专用通信模块e d p f c o m 。 ( 1 ) o p c 服务器 9 _ 北京交通人学硕士学位论文 o p c 是o l e ( o b j e c tl i n k i n ga n de m b e d ) f o rp r o c e s sc o n t r o l 的缩写， 是m i c r o s o f t 公司的对象链接和嵌a , o l e c o m 技术在过程控制方面的应用，