（机械工程专业论文）助力吊设计及物料自动提升控制研究.pdf

哈尔滨一1 j 程大学硕十学位论文 摘要 本课题结合当今智能辅助设备i a d 的研究现状和发展方向，具体阐述了 一种吊臂式助力机械手的结构设计、控制系统的设计和开发过程。这种吊臂 式助力机械手是典型的机电一体化系统，在物料搬运和装配生产线中应用非 常广泛，具有推广价值。本文结合理论与实践，设计助力机械手的结构，并 对其物料提升控制系统进行研究。 助力机械手采用关节式结构，物料提升机构采用直流电机驱动控制，具 有零操作力物料升降控制功能。本文对助力机械手的机械结构进行了设计计 算和工作空间分析、直流驱动系统设计和电机选型；推导了直流电机伺服控 制系统的模型：设计了p i 控制器并进行了仿真分析；根据零重力操作的控 制要求，设计了系统控制的方案、a v r 8 5 3 5 单片机系统硬件和控制主程序软 件框图。 关键词：助力机械手；p i 控制器；i v r 8 5 3 5 单片机：零重力操作 哈尔滨一程大学硕七学位论文 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n c e a s s i s td e v i c e ( i a d ) ，t h e m e c h a n i s md e s i g na n dc o n t r o ls y s t e mo fp o w e ra s s i s tj i bc r a n ew e r ei n t r o d u c e d i nt h i sp a p e r t h ep o w e ra s s i s tj i bc r a n ei sak i n do ft y p i c a lm e c h a t r o n i c ss y s t e m ， a n di ti sa p p l i e dw i d e l yi nm a t e r i a lc o n v e ya n da s s e m b l yl i n e s ，s oi ti sw o r t ho f d e v e l o p i n g p o w e ra s s i s tj i bc r a n ei sa na r t i c u l a ra r c h i t e c t u r e d cm o t o rd r i v i n gs y s t e m w a sa p p l i e df o rm a t e r i a ll i f t i n gm e c m n i s m ，s oi tp o s e s s e st h ef e a t u r eo f “z e r o f o r c e o p e r a t i o n ”f o r t o a dl i f t i n g t h ea r c h i t e c t u r ed e s i g n c a l c u l a t i o no f m e c h a n i c a lp a r a m e t e r s ，a n a l y s i so fw o r k i n gs p a c e ，a n dd cm o o rd r i v i n gs y s t e m w e r ec o m p l e t e d ；t h em o t o rm o d e l i n ga n dp 1 c o n t r o l l e rw e r eb u i l t 印，a n d s i m u l a t i o nr e s u l t sw e r eg i v e n i nt e r m so f t h er e q u i r e m e n to f z e mf o r c eo p e r a t i o n ， t h em a i np r o g r a ma n dt h eh a r d w a r eo fa v r 8 5 3 5m c us y s t e mw e r ea l s o d e s i g n e d k e yw o r d s ：p o w e ra s s i s tj i bc r a n e ；p ic o n t r o l l e r ；a v r 8 5 3 5m c u ；z e r of o r c e o p e r a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等引 用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明引 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 1 _ 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。 作者( 签孰韭盗磐 日期：刀卯乒年r 月弓日 哈尔滨1 ：程大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 助力机械手的国内外发展概况 近年来，生产率和人机工程学问题越来越促使生产者和材料处理设备的 使用者开发和应用新的设备和系统。传统的物料搬运设备( 通常是指“辅助 设备”如关节臂、平衡器、提升器和起重机等) 在人机工程学安全性方面虽 然具有积极的影响，但它们在有效性、精确性和安全性方面的作用非常有限。 对于大型物件的搬运装配，不仅工人的劳动强度大、效率低、准确性差，而 且会对劳动者造成伤害。 现今机器人的应用已相当的普及，但由于受机器人的成本和功能的限 制，它还不能独立完成所有物料搬运作业，事实1 _ 二它只能完成很小的一部分 作业任务，大量的物料搬运作业仍需要人来完成。以德国的奔驰汽车生产线 为例：到目前为止，只在喷漆、铆焊等工位普遍使用了工业机器人作业，许 多的装配作业仍然需要人工借助于专用工具和助力设备( 助力吊、平衡臂、 起重臂等) 来完成。现有的助力设备一般具有重力提升功能，具有一定的负 载能力，没有控制计算机，不具备定位和( 或) 轨迹控制功能。它们的优点 是安全、省力，不会因为它的失控对操作者构成威胁；其缺点是操作困难， 需要较大的操作力，难以实现轨迹控制。美国和日本，在过去的十年通过改 进物料搬运设备，在这方面已经进行了有意义的改进。 耨一代人机工程设备，如：智能辅助设备l a d ( i n t e l l i g e n ta s s i s t d e v i c e ) 、不完全操作手等，使用计算机控制改善蘑物的运动状态并准确地 响应操作者的意愿。l a d 是一种被动式、可与操作者在一个物理空间实现人 机合作作业的特种作业机械手，最具代表性的是c o b o t 。它基于不完全约束 传动机构和虚拟轨迹( 虚拟墙) 控制理论，它不能单独工作，通过人机合作 完成作q k 仟务。l a d 存继承了机器人的承载能力强、高精度等特点的同时， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 又发挥了人的高智能、视觉及触觉感觉能力、灵活性等特长，不会因为机器 入的失控而伤害操作者。使用i a d 可以减轻操作者的劳动强度、提高作业 效率和作业水平，解决传统工业机器人不能与人在一个作业空间直接合作作 、i k 的问题。它主要用于各种装配生产线、物流传送作业、外科手术等，实现 靠传统j 二业机器人不能完成，或者难度较大的作业任务。l a d 的外形结构与 凿通的助力机械臂【或者机械手) 相似，, t l i i j 的是，l a d 的关节一l 虽然也装 有电机，但它并不是用来驱动关节，而是通过不完全约束传动机构约束关节 的运动，实现l a d 的轨迹控制。i a d 承担物体的重量，计算机通过约束控 制系统控制它的运动轨迹，而运动的动力是由操作者提供的，只有当操作者 推动i a d 的末端时，它才能运动。助力机械手是近年来出现的一种新型人 机合作机器人，本文所研究的助力机械手j f 是l a d 技术在工业生产领域中 的应用。 智能辅助作业设备( i a d ) 是一个新兴的产业，该项技术近年在国际上 发展很快。在两方困家，如意大利、德豳、瑞典、法国、美国等国家都有生 产丈犁助力设备( 1 a d ) 的厂家，它们t 耍，| i 产用于装配7 扣产线或糟其它涉 及物料搬运、传递、打包、码垛等作业的各种助；j j j t 械设备( 助力机械臂或 者助力机械手) 。仅在2 0 0 2 年的德国汉诺威世界工业博览会上参展的欧洲厂 商就有十几家，如意大利的l i f t r o n i c 公司、d a l m e c 公司：德国的s t r o d t e r 公司、s m i g r i p 公司、e c os m i l i f t 公司、b p i 公司：韩国的d o n g s u n gi n d u s t r y m a c h i n e 公司等：一方面表现它们产品的，4 。泛实用性，如它们配备各种物料 抓取装置( 手爪) ，可以搬运从机械零部件到石化产品到轻工产品等各种外 形的物体；另一方面，展示他们的高超的性能，如操作灵活性、物体重力自 动、i t 衡功能、安全系统等。 在我困助力机械设备的应用也相当广泛，它主要分两大类：吊臂式和行 车式通常被称为起藿臂、平衡吊臂等。在大型零部件的加工生产线、汽车 装配生产线、机车装配及维修、化工产品搬运及码垛、电线电缆生产、人型 哈尔滨【：程大学硕十学何论文 武器装备生产等都大薰的使用着助力设备。 图1 1 至图1 8 为国内外助力臂的应用实例。 图1 1 零件吊装 图1 ：j 扳材吊装 图1 2 显像管吊装 图i 4 汽车发动机m 装 哈尔滨。【：张人学硕 ：学位论文 网1 5 包装箱吊装 罔1 6 线轴吊装 图1 7 钢材吊装罔1 8 蓄电池吊装 结合大庆油m 奥维电缆有限公司的实际情况，在电缆行业，助力机械没 备的应用场合也非常多。在塑料挤出时，搬运绝缘料及护套料；在生产铠装 电缆时，铠装机工人装卸重达几十公斤的钢带盘：在拉丝工序，装卸重达5 0 公斤左右的铜、宅! ：；单线轴盘。图1 9 至图1 1 l 就是同类场合存翻外企、的应 4 哈尔滨j ：程大学硕七学忙论文 川实例。芷这些场合应用，f ；但提高了劳动效率，问时增强了作业过程的 安全性和准确性，大大降低了工人的劳动强度。 1 9 包装袋搬运图1 1 0 线轴装卸 图1 儿盘状物搬运图 助力机械设备之所以应用范围广，其主要原因是它具有以下特点： 5 哈力：演i ：程人学硕士学位论文 1 ) 轻松搬运：零重力操作，可完成物料的搬运、装配和定位工作， 成为各行各业中物科搬运装备的首选。 2 ) 精确定位：悬挂载荷后，在空中处于“浮动”状态，可实现所操作 物料的快速和位。 ：；) 操作简译：不需要控制按钮，人的动作i j ! | j 为机械的动作指令。刚性 结构，可配备任何形式的夹具系统。 4 ) 高效安全：人机合作，减少误操作，提高安全保障和工作效率。 从以上的分析不难看出，助力设备具有j 4 一泛的应用范围和非常大的市场 需求，从家用电器的生产到工业设备的生产、从汽车的生产到机车的生产、 从化工产品的生产到武器装备的生产都离不开助力设备。我国的平衡臂、起 重臂性能较西方国家落后，功能相对比较简单，一般只有重力提升功能，很 少具备重力自动平衡功能，操作也比较困难，它们的动作比较慢、笨拙、不 灵敏、难于合作，很难适应需要快速而又准确的工作场合。为改善工人的劳 动条午嶂：、降低劳动强度和提高丁作效率，平衡臂、起熏臂的更新换代已经是 大势所趋。 1 2 题目的来源及研究意义 术课题为臼立课题。 助力设备智能化在西方国家已经受到助力设备厂商的普遍重视。智能辅 助作业设备( i a d ) 是不同于其它工业机器人的新型机器人。出于f a d 可以 通过与人合作完成复杂的装配作业任务，它的应用必将扩大机器人的应用范 闭，使得一蜘如汽车、飞机生产线上仪表盘的装配，大型武器装备和航空航 天没需等复杂装配的自动化水平得到提高。闻此，对f a d 的关键技术进行研 究，对于掌握浚项前沿技术，提高我国机器人技术水平具有重要意义。 在物料搬运作业中，大于l o k g 物体的徒手搬运已经非常困难，而大于 l o k g 的物体的搬运工作在各种生产线上是很常见的，为减轻1 ：人的劳动强 6 哈尔滨工程大学硕士学1 1 。= 论文 度，提高操作安全性，各种生产线都离不开助力吊臂的帮助。如哈尔滨东安 机械厂2 0 6 汽车的装配车间使用各种助力臂、助力吊3 0 台：大庆奥维电缆 公司的电缆生产车问要使用7 台行吊、1 2 台吊臂式助力臂；一般一个汽车 底盘生产线要使用8 1 0 台吊臂式助力臂，一个汽车总装生产线要使用2 5 - 3 0 台助力吊臂。我国有数以万计的大型生产线，有几十万台各种助力设备在工 作，其中半数以k 可以由i a d 取代。 我国讵处于工业发展时期，旧生产线的更新换代、核心生产线的建设量 都很大。如果每年有5 的助力设备需要更新换代每年就需要上万台的i a d 产品，再加上新建的生产线对智能助力设备的需求，每年也需要几千台的 i a d 产品。每台i a d 的生产成本预计在8 万元左右，按3 0 利润计算，每年 可获利l 到2 亿元。随着旧设备更新换代的完成，对智能助力设备的需求会 相应的减小，尽管茹此，旧设备的报废更新和新设备投入仍会对产品有一定 量的需求，按每年1 0 0 0 台的需求计算，每年仍可获利2 0 0 0 万元。 同前l a d 的产品丌发在同际卜处于起步阶段只有荚、只、德少数几个 发达国家拥有这方面的技术。该产品的开发有利于我们抢先占领国际市场， 为出l _ l 创汇创造条件。l a d 是高科技机电一体化产品，具有较高的技术附加 值，国际市场的开发潜力很大，具有更多的创汇机会。 i a d 产品可以从根本上改善工人的劳动条件、降低劳动强度、改善人机 环境。传统的物料搬运设备存的一个至关紧要的问题就是与健康相关的人机 工程问题。由于对有效载荷惯性管理的缺乏，导致操作者产生疲劳、紧张， 更严重的会导致肌骨骼的紊乱( m s d ) 。在欧洲由工作引起的背部功能紊乱 也逐渐增多。根据欧洲安全与健康部门( o s h a ) 的报道，大约有3 0 的欧 洲工人有背部疼痛的症状，主要是| = | 于对身体需求过高引起的，例如举起或 下动搬运负载、重复的动作、另人厌烦的姿势等。这个问题造成大量的社会、 健康和经济的代价，据估计因为工人过劳疾病的花费占成员国的围民生产总 值的2 6 3 8 。随着入世步伐的加快和企业的胤范化，：i ：人的劳动环境以 哈尔滨j ：程人学硕士学位论文 及人机工程问题已经越来越受到我国政府的重视。i a d 产品的开发i f 是符合 这一要求。 i a d 产品的应用可以提高物料搬运作业的智能化水平，提高工作效率和 作、【k 水平。i a d 的产品丌发将会带动一个新型机器人产业的发展、扩大机器 人的作业范围、提高我国机器人的整体水平、提高我国机电一体化产品在圈 际市场的竞争力：- q 此同时，也对国民经济的发展、扩大就业、提高机电。 体化产品的技术水平做出贡献。 1 3 论文主要完成工作 本课题主要研究了一种吊臂式助力机械手的结构设计和控制系统设计， 见图1 1 2 。主要研究：助力机械手结构设计、物料自动提升操作控制系统、 赢流电机控制系统数学模型、电机控制系统硬件电路设计。课题内容包括以 r 几个方面： 1 、结构设计 i ) 总体结构设汁 2 ) 作、守问分析 3 】强度校核计算 2 、物料自动提升操作控制系统 1 ) 总体控制方案 2 ) 结构设计 3 ) 驱动系统设计 3 、商流电机控制系统数学模型 1 ) 直流电机数学模型 2 ) 商流伺服控制模型 3 ) 计算机仿真分析 4 、电机控制系统软硬件设计 r 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一 1 ) 总体结构 2 ) 电机p w m 驱动电路设计 3 ) 草片机控制系统设计 4 ) 控制软件设计 图1 1 2 吊臂式助力机械手 9 哈尔滨工程大学硕斗：学位论文 第2 章助力机械手的结构设计 本章对助力机械手机械结构的坐标形式和机构方式做了选择，确定了工 作空间，建立了运动学方程，并借助于m a t l a b 软件工具进行了仿真。 2 1 总体结构方案 工业机器人按照结构坐标特点可分为以下几种： 1 ) 坐标型三个关节运动方向互相垂直，其控制方案和数控机廉相似。 这一结构各轴线位移分辨率在操作空间内任意点上均为恒定，但是操作灵活 性较差。 2 ) 圆柱坐标型在水平转台上装有立柱，水平臂可沿立柱做上下运动并 可在水平方向伸缩。这种结果优点是动作过程中负荷变动少，容易控制，缺 点是动作区域狭窄。 3 ) 球坐标型和圆柱坐标结构相比，这种结构巫为必活，占地l ：f i i 秘小， 一l 作空问大，但是移动关节不易防护。 4 ) 关节型这类机器人由两个肩关节和一个轴关节进行定位，由两个或 三个腕关节定向。其中一个肩关节绕铅直轴旋转，另一个肩关节实现俯仰， 这两个肩关节轴线讵交。肘关节平行于第二个肩关节轴线。这种结构动作灵 活，工作空间大，在作业空间内手臂的干涉最小结构紧凑，占地面积小， 手爪可获得较高的线速度。目前中小型机器人多采用这种结构。 5 ) c a r a 型这种机器人有三个旋转关节，其轴线相互平行，在平面内 进行定位和定向。另一个关节是移动关节，完成垂直平面的移动。它特别适 用于把针脚等零件插入空穴的场合，在完成精密装配操作任务中能充分发挥 其效益。 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 此人机合作机器人要求具有结构简单，动作灵活，工作空间大，占地面 积小等特点，所以选择关节型坐标。助力机械手主要实现对末端的平面运动 轨迹控制。要实现这种功能可以有多种机构方式，比如双关节式、极坐标式、 五连杆式，各机构方式有如下特点： ( 1 ) 双关节式：具有较大的运动空间，运动灵活，结构简单。但由丁： 两个关节相互耦合具有牵连坐标关系，使得机构具有不对称性，导致机器人 木端力f 和速度v = ：i ：均匀的分配到，两个手臂上。 ( 2 ) 极坐标式：两坐标正交，互不影响，运动学关系简单。手臂重量 轻使得结构紧凑，运动空间大，但是要使用移动副结构比较复杂。 ( 3 ) 五连杆式：此机构属于并联机构，具有很好的对称性，未端的力 和速度可以平均分配给每个杆，整个系统有很好的刚度。但是并联机构的模 型复杂，活动空间小。 根掘以上的分析，助力机械手的平面运动机构采用第种方式，即双关 节式，包括两个转动关节。另外增加一个上下移动关节。移动关节由电机驱 动用来提升负载，两个转动关节为自由关节，不使用电机驱动，助力机械手 的结构原理如图2 1 所示。 图2 1助力机械手的结构原理图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 工作空间分析 2 2 1 工作空间外边界的确定 此机器人具有三自由度( 两个平面转动，一个垂直方向移动) ，两个平面 转动( 大臂关节和小臂关节) 用来形成水平面的运动轨迹，每个关节转角范围 为1 8 0 度，两转臂长分别为0 8 米，其工作空间如图2 2 所示。其中： r l = r 4 = 0 8 米 1 1 2 = r 1 2 = 1 1 3 米 r 3 = r 1 + r 4 = 1 6 米 e = 孚型 - 一 图2 2 助力机械手的工作空间图 2 2 2 建立运动学方程式 如图2 3 所示，设大臂关节坐标点为a ( 0 ，0 ) ，小臂关节坐标点为 b ( x h ，k ) ，末端坐标点为p ( x ，耳) 。则有： l = a b = 0 8 m l 2 = b p = o 8 m 1 2 一；。；鎏耋二墨垡型：垒苎；。；一 b a x = q 1 以a b 所在直线作为y 轴建立相对坐标，如图2 3 所示。 麒卯= q 2 根捌以上相对坐标与绝对坐标的关系建立运动学方程式： x p = 厶c o s q f + 三2s i n ( q l + 9 2 ) ( 2 1 ) 匕= l is i n q l - c o s ( q l + 9 2 ) ( 2 2 ) 其中，一9 0 。q 9 0 。 0 。q ，1 8 0 。 y p 图2 3 助力机械手的运动分析图 2 2 3 基于m a t l a b 软件的作业空间仿真 x 根据运动学方程式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 编写m a t l a b 程序代码如下 l l = 8 0 ； l 2 = 8 0 ； 1 3 f o ri = l ：l l q l ( i ) - - p i 2 5 + ( i 一6 ) f o rn = l ：1 1 q 2 ( n ) = p i 2 5 + ( n - 1 ) x p = l i + c o s ( q l ( i ) ) + l 2 + s i n ( q l ( i ) + q 2 ( n ) ) ； y 庐l 1 + s i n ( q l ( i ) ) - l 2 + c o s ( q l ( i ) + q 2 ( n ) ) ； p l o t ( x p ，v p ，0 ) ； a x i si m a g e ； h o l d o n ； e n d e n d 运行结果如图2 4 所示。 圈2 4 水平面工作空间图 1 4 啥尔演工程大学硕士学位论文 2 3 机械的校核计算 2 3 1 强度校核计算 助力机械手手臂的材料选用1 2 6 号槽钢对接，截面为矩形。主要参数为： 弹性模量e = 21 0 g p , 截面模数= 1 4 4 2 7 4 c m 3 ， 许用应力p 】= 1 4 0 m p a 取动载荷系数s = 3 ，则手臂末端的最大动负载力f = 2 3 5 2 n ，手臂末端距 机座长l = i 6 m 。根据总体结构设计，机器手受力分析图如图2 5 所示。 图2 5 受力分析图 如图2 5 所示，手臂所受最大弯矩应出现在a 端 = f l = 2 3 5 2 x 1 6 = 3 7 6 3 n - ，r 7 最大弯曲应力： ，：l y m a x _ ：鲁生：2 6 o g m p a 吲 “ 矿 l “2 7 4 1 符合设计要求。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i ；j j _ i 目i i _ i _ ；j _ 音_ _ _ _ _ _ _ 目j 目_ _ 目j i j l i ；j i ；_ 。o 2 3 2 刚度校核计算 如图2 5 所示，易得手臂的最大挠厦和最大转角肢出堍任于臂最木塥 且满足 ，：一堕 ( 2 1 6 ) f m a x 一3 e 、 一篙 代入数值得： 。一篙嘲岛 目。= 一篙划枷。加删1 。 2 4 本章小结 本章对助力机械手的总体结构方案进行了选择和设计分析，建立了运动 学方稃，给出了助力机械手的水平面作业空间图：并设计出机器人的机械本 体，经过校核，本设计满足速度、负载要求。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章自动提升操作驱动机构设计 本章对助力机械手中自动提升驱动系统进行分析，并将详细介绍控制系 统的工作原理及其实现方法。自动提升物料就是要达到近似于零重力的操作。 3 1 自动提升操作控制原理 “零重力”操作系统即具有平衡物料重力的功能，将重物“浮”在空中。 操作者可轻松、方便地对重物实现各种要求的搬运、装配和特殊定位工作。 图3 1 是重力平衡系统原理图，山直流伺服电机、光电编码器、减速器和滚 筒等组成。通过电机驱动滚筒，带动驱动绳上下移动来提升物料或工件。为 防止断电时因物料的重力作用反向驱动滚筒转动，要求减速器具有止逆功能。 零重力操作力控制系统与普通的重力提升系统有很大的区别，普通的重力提 升系统也有类似于图3 1 重力平衡系统的结构，但升降速度是固定的，操作 者通过按动上升和下降两个按钮实现升降操作。其缺点之一是操作比较繁琐， 启动和停止瞬间会产生冲击，要求操作者有良好的操作技能。缺点之二是采 用开环继电器控制，定位精度很低。 图3 1 重力平衡系统原理图 1 7 哈尔滨工程大学硕十学位论文 图3 2 为零重力操作控制系统原理图。它采用直流电机闭环速度伺服系 统，升降指令来自于装载操作把手上的力传感器，当操作者搬动操作把手产 生上下运动趋势时，力传感器输出信号通过a d 转换接口送给单片机系统， 作为输入指令，单片机根据力信号的大小控制电机输出相应的转速，控制物 料随操作者的运动趋势而运动。当操作者停止搬动操作把手时，力传感器的 输出信号为零，电机停止运动。由于传感器的灵敏度较高，只需要很小的操 作力即可产生所需要的力信号，操作者感受不到被提升物料的重力，可以很 轻便地实现物料的升降控制，因此称为零重力操作。 。屠 m a , x o n 伺服控制器 一 医 匕 1 堕 图3 2 控制系统原理图 实际的零重力驱动系统原理图为图3 _ 3 。在这个系统中没有使用具有反向 自锁功能的减速器，而是使用行星轮减速器。这样可以大大提高驱动工作效 率。在减速器之后，同轴串联一个逆止器，防止断电后升降机构因为负载重 力的作用而逆行运动。根据设计要求系统的主要性能参数和结果参数如下： 最大提升重力f = 1 0 0 0 最大提升速度v = 0 0 9 i n 5 减速器的传动比i = 1 0 0 逆止器的额定扭矩t = 1 0 0 n 埘 8 图3 3 实际的零重力驱动系统原理图 3 2 直流电机的选择 根据本课题的需要，选择瑞士m a x o n 公司的直流伺服电机，并利用该 公司提供的v i n m s p 软件来选电机和相关元器件。选择过程如下： 图3 4 驱动形式选择主界面 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 运行v i n m s p 软件，得到驱动形式选择主界面如图3 4 所示 2 根据系统结构需要，选择c r a n ed r i v e 驱动方式，得到参数选择界面 如图3 5 所示。 图3 5 驱动参数选择界面 由于该驱动方式没有考虑到减速器，应将减速比折算到负载参数中。折 算参数为： e = f i = 1 0 0 0 1 0 0 = i o n ”l = v i = 0 0 8 1 0 0 = 8 m s 3 计算工作参数：选择滚筒的直径d - = 6 0 m m ，效率为0 8 ，选择传感器 为光电编码器，电机的电枢电压为4 8 v ，则计算结果如图3 6 所示。 连续工作力矩3 7 5 m n m 工作速度2 5 4 6 r p m 需要的驱动功率i o o w 哈尔滨j ：程人学硕士学位论文 图3 6 驱动参数计算结果 4 选择电机：满足设计要求的电机和传感器选择结果如图3 7 所示，选定 r e 7 5 型直流电机。直流电机的特性曲线如图3 8 所示。 图3 7 电机和传感器选择结果 i ；j ；j _ _ _ 目= j ；j _ - i _ ；j 自自i l _ i _ 目i ；i i l _ i i i _ 。一 图3 8 电机工作特性曲线 选定电机和光电编码器的参数为： l 、r e 7 5 电机 功率2 5 0w 额定电压4 8 v 空载转速6 2 1 0r p m 堵转转矩7 8 3m n i n 最大连续转矩8 1 0m n m 启动电流2 1 5 a 最大连续电流2 4 4a 最大效率8 5 转子惯量1 4 2 0 9 e m 2 电枢电阻o 3 7 f l 电枢电感1 6 0 9m h 2 2 一 1 1 一堕塑丝竖ii 型m ir a 耋竺兰； ；i i _ i 目i 目_ i ；i i _ _ i 。i - - - - 。一 力矩常数11 6 2 6m n 。m a 2 1 h d e s5 5 4 0 光电编码器相数2 每转脉冲数5 0 0 3 3 本章小结 本章对物料自动提升操作控制系统的工作原理及其系统组成做了系统介 绍。并给出电机及其相关元件的详细选择过程。 。一。；一；。1 ：2 塑；：矍尘兰堡当耋：i 鎏；一；。； 力矩常数l1 6 2 6i n n m a 2 1 h d e s5 5 4 0 光电编码器相数2 每转脉冲数5 0 0 3 3 本章小结 本章对物料自动提升操作控制系统的工作原理及其系统组成做了系统介 绍，并给出电机及其相关元件的详细选择过程。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 第4 章提升系统的控制设计及仿真分析 提升驱动系统的控制设计是整个系统正常运行的重要环节之一，控制器 设计的质量直接关系到系统功能实现的好坏。本章将在介绍直流电机数学模 型的基础上，更为详细介绍所设计的驱动系统的控制器。 4 1 直流电机的数学模型 4 1 1 直流力矩电机转矩平衡方程 零重力操作系统驱动器为永磁式直流力矩电机。直流力矩电机的电磁转 距为： 死= 甜。= k ，l ( 4 一1 ) 式中：瓦，电磁转矩，肌 c 。，矸电动机的转矩常数 o 磁通，w b l 直流电机电枢电流，a 电动机的输出转矩并不都是电磁转矩，因为电机本身的机械摩擦和电枢 铁芯的涡流、磁滞损耗等都会引起阻转矩如果电机本身的阻转矩加上负载 的阻转矩叫做总阻转矩丁。当电机稳定运行的时候。存在转矩平衡方程式： = 丁， ( 4 2 ) 在实际中，有些电动机经常运行在转矩变化的情况下，如电机启动、停 止和反转，因此必须考虑速度变化的转矩平衡关系。当电机的转速变化时， 2 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 转动部分的转动惯量将产生惯性转矩r ： 7 ；j 塑 西 式中：，折算到电机输出轴的转动惯量，培晰2 ( 4 3 ) r 惯性转矩，n m 电动机的角速度，r a d s _ d o ) 电动机的角加速度，r a d s 2 讲 并且，电机的总阻转矩中与转子角度成线性关系的那部分转矩被称为粘 滞摩擦分量或者称为粘滞阻尼分量，将它从摩擦转矩中分开。此时电机的转 矩平衡方程式为： 毛= 0 + 瓦+ 一4 - b o j ( 4 4 ) 式中：电动机的输出转矩，n 坍 l 负载转矩，n m r ，摩擦转矩，n m b 粘滞摩擦系数 式( 4 4 ) 表示了转速变化与电动机输出轴的转矩平衡关系因此被称为电动 机动态转矩平衡方程。 4 1 2 直流电动机电枢电压平衡方程 根据电动机带载情况下的转矩平衡方程，不能够确定电动机的转速，所 以还需要对电机内部( 如图4 1 所示) 的运动规律进行分析。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 r t u a 图4 1 直流电动机的电枢回路 电流通过电枢绕组产生电磁转矩，同时因为电枢在电磁场作用下转动， 电枢导体切割磁力线产生感生电动势。感生电动势的值与电枢转速、电机磁 通量有关系。 仉= c ，巾厅= k ( 4 5 ) 式中：u ，感生电动势，v 盼电枢转速，r m i n 根据回路定律得到： i ，r ，一ud = - u t 式中：u 。电枢两端的电压( v ) 联立公式( 4 5 ) 、( 4 - 6 ) 可以得到电枢电流与转速的关系式： 扣与产 4 1 3 直流力矩电机的模型 ( 4 6 ) ( 4 7 ) 电动机在转速变化的过程中，电枢电流发生变化，所以在电根回路中将 产生电抗压降。华，电机的动态平衡方程为： d r 2 6 ；一一一一；一；些堡三耋鏊鲨兰堡薹兰；。一；一 乞鲁+ l 兄+ 乩= 虬 “- 8 ) 式中：l n 一电动机绕阻电感，h 由前面分析的电机的转矩平衡方程可以知道，电机的输出转矩除了克服 电机轴的摩擦转矩以外，还需要克服电机轴上的惯性转矩，所以电机的转矩 平衡方程为： 1htljt|=jdm。j+b(4-9) 联立( 4 - - 1 ) ，( 4 - - 4 ) ，( 4 - - 5 ) ，( 4 - - 9 ) 得到 f = c 。o l 。= k r l l 乙= l + t + l 十b o j u 。= c 。中玎= k ；珊 l 。- 警- + i o r 。+ u 。= u 一 在零初始条件下，对上式进行拉氏变换： f 瓦( s ) = k ，l ( s ) j o ) = 乃o ) + 疋o ) + l o ) + 口q ( 5 ) ( 4 - 1 0 ) l u 。( s ) = k e q ( 5 ) 【上。s 。( 5 ) + ，。 ) r 。+ u 。( s ) = o ) 由式( 4 1 0 ) 得到直流电动机模型方块图如图4 2 所示： 图4 2 直流电动机模型方块图 哈尔滨工程火学硕士学位论文 4 2 控制器模型设计及仿真分析 4 2 1直流力矩电机闭环速度控制器设计 由图4 2 可知，直流电动机速度系统的传递函数没有积分环节，是零型 系统，存在稳态速度误差，宜采用p i 控制。即墩偏差的比例( p ) 和积分( i ) 的组合控制。p i 控制是在连续系统中应用最广泛，技术最成熟的一种控制方 式，特别是在直流电机闭环调速控制中应用得相当广泛。在本控制系统中， 对直流力矩电机的控制采用了数字p i 控制算法。 比例调节器的输出与偏差成比例，按一定的比例系数将偏差信号放大产 生控制量，系统一旦有偏差，比例调节立即产生调节作用使得偏差减少。比 例系数大，可以加快调节速度，减少误差，但过大的比例，会使系统稳定性 下降，甚至造成系统的不稳定：积分调节作用是使系统消除稳念误差，提高 系统精度，一旦系统存在偏差，积分调节器就会对偏差积分，产尘控制量输 出，直到消除偏差为止。加入积分调节会使系统的稳定性下降，而且动态响 应速度相应变慢。将比例调节器与积分调节器结合使用，即p i 控制，同时发 挥比例积分控制可以提高响应速度和积分控制可以消除偏差的优点，获得比 较好的控制效果。 由图4 2 所示的直流电动机模型可得校正前的系统开环s i m u l i n k 方块 图如醒4 3 所示。将其封装，并建立基于l t l 分析工具的模型如图4 4 所示。 图4 3 校正前的系统开环s i m u l i n k 方块图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 螽& 一 i n p u tp o i n t 岛 o u t p u tp o i n t 图4 4 基于l 1 1 分析工具的模型 应用l t l 分析工具得到校正前的系统开环频率特性和比例校正闭环阶跃 响应曲线分别如图4 5 和图4 6 所示。由于开环特性有较大的峰值，比例校正 出现较严重的震荡，精度也很低。宜采用p i 控制。 图4 5 校正前的系统开环频率特性 ；一。一垒型彗型堂型璧星鳖；，一一；。；，一 图4 6比例校正闭环阶跃响应曲线 设p i 控制器的模型为： 【，( s ) ：k p ( 1 + 生) e ( 占) ( 4 - - 1 1 ) s 得，p i 控制器的仿真模型如图4 7 所示。 图4 7p i 控制器的仿真模型 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图4 8p i 控制器的频率特性 确定p i 控制器的其参数为： u ( j ) ：1 _ 3 1 ( 1 + 0 0 3 6 ) e ( s )( 4 1 2 ) 5 得，p i 控制器的频率特性和校正后的开环频率特性如图4 8 所示。闭环l t i 工具分析模型如图4 9 所示，校正后的丌环频率特性和闭环阶跃响应分别如 图4 1 0 和图4 1l 所示。最大超调量为9 5 ，峰值时间为0 2 3 s ，满足设计要 求。 图4 9 校正后的l t l 分析模型 哈尔滨上程大学硕士学位论文 图4 1 0 校正后的系统开坏频率特性 图4 1 1 闭环阶跃响应曲线 4 3 本章小结 本章推导了电机力矩平衡方程、f 赶j 积电压平衡方程，进而对直流电机的 数学模型进行了推导；在此基础上设计了p i 控制器，通过m a t l a b 进行了 仿真分析，给出了特性曲线。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第5 章控制系统软硬件设计 零重力操作控制系统的硬软件包括单片机控制系统及其外围电路设计、 电机驱动电路设计，硬件基础上的软件设计。 5 1 控制系统方案设计 实现零重力操作系统的速度伺服控制可以有两种控制方法：模拟式控制 和数字式控制。两种控制系统的硬件原理如图5 1 和图5 2 所示。 le m a x o n r 巳 伺服控制器 一 墅蛩一 图5 1 模拟式控制系统 苴暑匡盈利j 片 l 键盘l 巨萨 机 叫垒竺堑垫卜一 图5 2 数字式控制系统 叫至 叫! 两种控制方法的区别在于控制器实现方式的不同：模拟式控制方法的控 制器由模拟电路来实现，控制器的结构形式是固定的，只能在一定范围内调 整控制器的参数，其技术成熟，工作可靠，可以买到现成的产品，如m a x o n 哈尔滨工程大学硕士学佩论文 公司生产的伺服控制器：数字式控制方法的控制器出计算机程序来实现，控 制器的结构形式可以通过改编程序来改变，控制器的参数和控制算法可以根 据用户需要来调整和选择，需要进行软件玎发，工作量较大。由于本课题对 重物提升系统的工作性能要求较高，要实现控制的智能化，简单的伺服控制 已不能满足使用要求，优先选用数字控制。根掘系统结构并考虑成本，采用 单片机控制就可以满足使用要求。 5 2 控制系统硬件 零重力伺服控制系统的硬件原理如图5 3 所示。采用微处理器a t 9 0 s 8 5 3 5 单片机，系统包括键盘及显示接口、光电编码器接口、力传感器接口、p w m 驱动器等组成。 图5 3 系统工作原理图 系统工作原理：在新的采样周期到来时光电编码器( e n c o d e r ) 测得的 电机速度反馈信号通过e n c o d e r 接口反馈到单片机a t 9 0 s 8 5 3 5 。帮片机系统 通过a i d 接口从上位机获得电机给定速度，或是单片机系统自行给定电机速 度。单片机系统根据给定的运动速度与实际速度的反馈信号相减得出偏差， 经过各种控制算法( 如p i ) 得出控制量。单片机再把控制量以p w m 5 i 的形 哈尔滨工程大学硕十学位论文 一；i i 萱置崔暑一i 罩墨i i ；i i iij 目薯薯_ e 皇蛊篁鲁i 高；宣皇萱置- i 暑高i 葺i 置i 宣篁篁一 式输出，经过p w m 功率放大，驱动直流电机，然后进入下一个采样周期。 l e d 显示主要用于软件调试和一些需要显示特定参数的场合。这就是本调速 控制器的工作原理。 5 2 1a v r 单片机 a v r 单片机a t 9 0 s 8 5 3 5 是基于a v r 增强性能、r i s c 结构、低功耗、 c m o s 技术等的新一代微控制器，执行速度快，有良好的性能价格比。 a t 9 0 s 8 5 3 5 具有3 2 个寄存器和丰富的指令集；2 路8 9 1 0 位p w m 功能的1 6 位定时器；8 通道的l o 位a d c ；8 k - b 的可编程f l a s h 、5 1 2 b s r a m 。 5 2 2 光电编码器接口 光电编码器( e n c o d e r ) 为正交输出的增量式结构，输出信号如图5 4 所 示。它输出a 、b 两相相位相差9 0 度的f 交方波脉冲信号，a 相或b 棚的每 个脉冲代表被测对象旋转的角度增量，对a 和b 相的脉冲信号定时计数就可 以计算出电机的转速，对脉冲信号累加计数就可以计算出电机的转角。a 相 和b 相的相位关系则反映了电机的旋转方向。若定义a 相超前b 相，转动方 向为正转；则b 相超前a 相时，转动方向为反转。 a b mmi 阳i 厂 厂 厂 图5 4 编码器的输出信号 根据编码器的工作原理，设计了如图5 5 所示的编码器接【 硬件电路。 编码器的a 和b 两相信号经过上拉电阻，再经过c d 4 0 1 0 6 施密特整形，分 别接到a v r 单片机8 5 3 5 的p c 6 和i n t l 引脚e 。单片机对i n t l 的中断计数 柬测量通道b 的脉冲数，读取p c 6 ( 即a 相信号) 的电平状态来判断电机的 转动方向。以上升沿触发为例，即当b 路信号的上升沿引起中断时，单片机 判断p c 6 信号的电平高低。若p c 6 为低电平，则电机为证转，计数器n 的 值加1 ；若为高电乎，则电机为反转，计数器n 值减k 则电机的速度即为 一个采样周期中n 值的变化量。电机的转速( - 0 为： = c a n 式中： c 一标度变换系数，可根据转速的量纲来选择； 一一个采样周期中的计数值，它的符号反映电机的转动方向 瓦一采样周期。 5 2 3 电机驱动电路 图5 4 编码器的接口电路 在直流伺服系统中。功率放大器由于提供驱动电动机所需要的电压和电 流。起着极为重要的作用。使电压连续变化的放大器，称为线性放大器a 线 性放大器通过控制外加电压来调节电动机的电枢电压或者电流，因此输入电 哈尔滨r 稗人学硕十学佛论文 压和电动机的反电动势之差等于对应电流的电压降。这类放大器相对比较简 单，具有比较宽的带宽，但是从其具有的特性来浇，输出晶体管功耗大，导 致工作效率低，所以在传递大功率时，不适合，因为功率损耗大。现在采用 的另一种功放是开关放大器，通过改变加在电动机上的电压的平均值来控制 电动机的运转，这种放大器适合于大功率，特别是低速、大转矩的系统。在 j f ：关放大器中，晶体管如同， ：关样，总是处= j = i 接通或断开的状念。当晶体 管处于接通状态时，其上压降可以略去；当晶体管处在断丌状态时，其上压 降很大，但是电流为零，不论通断，输出晶体管中的功耗都是很小的。一种 比较简单的丌关放大器是按照一个固定的频率去接通和断丌放大器，并根据 需要改变一个周期内“接通”和“断玎”的相位宽窄，这样的放大器被称为 脉冲调制放大器( p w m ) 。开关放大器的另个更广泛的类型就是用