（测试计量技术及仪器专业论文）三坐标测量机运动控制系统研究.pdf

摘要随着现代制造技术的迅速发展，三坐标测量机正逐渐成为制造业特别是自动化生产中实现质量控制的主导设备。然而，对一些复杂几何形状的工件，很难利用传统三坐标测量机进行测量。数字信号处理器( d s p ) 的快速发展，促使以d s p 为核心运动控制器广泛应用在现代化加工工业以及测量领域。运动控制器的可编程性，一方面使得三坐标测量机能够实现各种复杂的曲线运动，这使得复杂几何形状的工件测量成为可能，另一方面提高了设计的柔性，可以方便的测量不同形状的工件。尤其是随着数控转台精度的大幅度提高，配备有精密数控转台的三坐标测量机能够更加快速精密的测量回转体工件的轮廓特征，促使逆向工程进一步发展。本文分析烟台中环机电技术开发有限公司设计制造的多轴三坐标测量机的机械结构，设计了基于该三坐标测量机的合理的运动控制方案。为了提高系统的速度和位置跟踪精度，分别调整了伺服系统的刚度系数和运动控制系统的p i d 参数以及速度、加速度前馈系数，并对p i d 参数调节过程中出现的积分饱和现象进行分析，提出了有效的解决方案。研究了运动控制系统中的关键技术，如s 形加减速运动、复杂曲线构造、手动控制系统设计以及多轴同步技术。这些关键技术的使用使得复杂曲线的运动成为可能，尤其是在逆向工程中表现出极大的潜力。最后进行了系统实验，测定了控制系统的定位精度为l g m 。关键词：三坐标测量机运动控制p i d 算法多轴同步a b s t r a c tw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e r nm a n u f a c t u r i n ge n g i n e e r i n g ，c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e s ( c m m ) a r eb e c o m i n gt h em a j o ri n s p e c t i o ne q u i p m e n t si nq u a l i t yc o n t r o ls y s t e mo fm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r ye s p e c i a l l ya u t o m a t i cp r o d u c t i o n h o w e v e r , i ti sv e r yd i f f i c u l tf o rc m m st om e a s u r es o m ep a r t so f c o m p l e xg e o m e t r i cf o r m s t h er a p i dd e v e l o p m e n to fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) h a sa d v a n c e dt h em o t i o nc o n t r o l l e r sw i t ht h ed s pc o r ew i d e l ya p p l i e di nt h ea r e a $ o fm o d e r nc u t t i n ga n dm e a s u r i n gp r o c e s s e s p r o g r a m m a b l em o t i o nc o n t r o l l e r sm a k et h ec m m st oa c h i e v ec o m p l i c a t e dc b r v em o t i o n t h i sm a k e si tp o s s i b l et om e a s u r es o m ep a r t so fc o m p l e xg e o m e t r i cf o r m s o nt h eo t h e rh a n d ，i ti m p r o v e st h ef l e x i b i l i t yo fd e s i g n i np a r t i c u l a r , w i t ht h ei n c r e a s i n ga c c u r a c yo ft h ec n ct u r n t a b l e ，c m m se q u i p p e dw i t hp r e c i s ec n ct u r n t a b l ec a l lm e a s u r et h er e v o l v i n gp a r t sm o r eq u i c k l ya n da c c u r a t e l y b e s i d e s ，t h i sp r o m o t e st h ef u r t h e td e v e l o p m e n to fr e v e r s ee n g i n e e r i n g i nt h i st h e s i s ，t h em e c h a n i c a ls t r u c t u r eo ft h em u l t i a x i sc m mm a d eb yy a n t a iz h o n g h u a ne l e c t r o - m e c h a n i c a lt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tc o l t di sa n a l y z e ds y s t e m a t i c a l l y ap r o p e rm o t i o nc o n t r o lm e t h o df o rt h i sc m mi sp r o p o s e d t oi m p r o v et h es p e e da n dp o s i t i o nt r a c k i n ga c c u r a c y ,t h es t i f f n e s sc o e f f i c i e n t so ft h es e r v os y s t e ma n dp i dp a r a m e t e r so ft h em o t i o nc o n t r o ls y s t e m , a sw e l la s t h ea c c e l e r a t i o nf e e d f o r w a r dg a i na n dv e l o c i t yf e e d f o r w a r dg a i na r eo p t i m i z e da n da d j u s t e d a tt h es a m et i m e ，t h ei n t e g r a t o rw i n d u pp h e n o m e n o nw h i c ha p p e a r e dd u r i n gt h ep i dp a r a m e t e ra d j u s t i n gp r o c e s si sa n a l y z e d , a n da ne f f e c t i v es o l u t i o nf o ri ti sp r o p o s e d 。s o m ek e yt e c h n o l o g i e so ft h em o t i o nc o n t r o ls y s t e m , s u c ha ss - - c b i w ep r o f i l i n ga c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o nm o t i o n , m o t i o uw i t hc o m p l e xc u r v e dt r a j e c t o r y , d e s i g no fm a n u a lc o n t r o ls y s t e ma n dm u l t i - a x i ss y n c h r o n i z a t i o nt e e t m o l o g y , a r es t u d i e d t h ea p p l i c a t i o no ft h e s ek e yt e c h n o l o g i e sm a k e st h em o t i o no fc o m p l i c a t e dc u r v ep o s s i b l e ，w h i c hs h o w se n o r m o u sp o t e n t i a le s p e c i a l l yi nt h er e v e r s ee n g i n e e r i n g a tl a s ts o m es y s t e me x p e r i m e n t sw e r ed o n ea n dt h ep o s i t i o n i n ga c c u r a c yo f t h ec o n t r o ls y s t e mr e a c h e dq - i b m k e y w o r d s ：c m m ，m o t i o nc o n t r o l ，p i da l g o r i t h m ，m u l t i - a x i ss y n c h r o n i z a t i o n独创性声明本人声明所：i - e i 交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究! i 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，也不包含为获得墨注盘堂或其他教f f 机构的学位或征书而使j 1 j j 的材料。与我一同二l ：作的i 司j 芯对本研究所做i ，l 勺任何贡献均已在沦文。f -作了明确的说明并表示了谢意。文作者虢静赳签：i ；l j j ：夕年办】扩l |学位论文版权使用授权书本学位沦文作行完全了解苤盗盘堂有关保剐、使j 1 1 学f 讧沦艾的m 定。特授权苤盗盘鲎百r 以将! 学位沦义的仓部或部分内棒编入仃关教槲席进 j ：检隽；，并采门j 影印、缩i = l j 或扫拙等复制于段保存、汇编以供矿冲甜和f m 列。同意，校向n i 家有关部i 、- j 或机构送交论文的复印r l ：和磁f 垃。( 保密n 勺学位沦文扫：解密后适厂h 本授权说1 1 月)学位论义作者签躬：音每刊签字f 期：力 r7 月伊i 签字f 期：形r 月ji 罐丢移)夕i i芘月午o0 年妃矽钇期导褡第一章绪论第一章绪论三坐标测量机作为现代大型精密测量仪器，己经越来越显示出它的重要性和广阔的发展前景。作为一种通用性强、自动化程度高、高精度的测量系统，集机、光、电、控制、软件等为一体，在先进制造技术与科学研究中有极广泛的应用。尤其是随着数控转台精度的大幅度提高，配备有精密数控转台的三坐标测量机能够更加快速精密的测量回转体工件的轮廓特征，促使逆向工程进一步发展。1 1 三坐标测量机简介1 1 1 三坐标测量机的历史发展与现状进入6 0 年代以来工业生产有了很大的发展，随着机床、机械、航空航天和电子工业兴起后，体现三维测量技术的三坐标测量机应运而生，并迅速发展和日臻完善，三坐标测量机是基于以下客观要求发展起来的【1 】【2 】 3 】【4 】。1 科学技术和现代工业的迅速发展，各种数控机床、加工中心在生产制造中得到广泛应用，生产的效率和精度大幅度提高，然而各种复杂零件的研制和生产过程中，需要先进的检测技术与仪器，越来越多的零件需要三维形貌测量，而传统的测量方法已经不能满足生产的需要。2 产品的生产周期越来越短，制造部门为了适应瞬息万变的市场需求，快速灵活的组织生产，提出了许多新的制造技术与制造系统，如计算机集成制造，柔性制造系统等。而在计量室中用块规，塞规等的检测方法己经远远不能满足这种柔性制造的需要。3 。实现逆向工程的需要。例如模具的生产和发展，实体数字离散化，快速成型等。逆向工程己经成为一个非常活跃的研究领域。在逆向工程中，形状的测量最为关键，而传统的测量方法对于自由曲面和形状的测量显得无能为力。三坐标测量机的出现是计量仪器从古典的手工方式向现代化自动检测技术过渡的一个里程碑。1 9 6 0 年，英国f e r r a n t i 公司研制成功世界上第一台三坐标测量机，自此以后，三坐标测量机得到迅速发展，尤其是进入2 0 世纪8 0 年代后。现代c m m不仅能在计算机控制下完成各种复杂测量，而且可以通过与数控机床交换信息，实现对加工的控制，并且还可以根据测量数据，实现逆向工程。目前，c m m 已广泛用于机械制造业、汽车工业、电子工业、航空航天工业和国防工业等各部门，第一章绪论成为现代工业检测和质量控制不可缺少的万能测量设备。国外三坐标测量机生产厂家较多，系列品种很多，大多数都有划线功能。著名的国外生产厂家有德国的蔡司( z e i s s ) 和莱茨( l e i t z ) 、意大利的d e a 、美国的布朗夏普( b r o w n & s h a r p e ) 、日本的三丰( m i t u t u y o ) 等公司。总的来说，外国机器有以下特点：l 、绝大多数机器总体布局为移动桥式、悬臂式等，空间敞开性好，便于安装大的零件；2 、移动构件多数用花岗岩、合金铝材等，移动件质量尽可能小，做到高刚性、低惯性；3 、配有2 l 项误差补偿软件，可以廉价的提高机器精度；4 、配有功能齐全的控制测量软件，专用和误差修正软件；5 、机器的性能高度稳定可靠，使用寿命比较长；6 、三坐标测量机技术近十年来突飞猛进发展，特别是数控系统和测量软件每二三年便更新一代；7 、系列品种齐全，“三化”( 标准化、通用化、系列化) 程度高。我国自2 0 世纪8 0 年代开始引进、研制三坐标测量机以来，也有了很大发展。国内引进较多的是：z e i s s 、b e o w n & s h a r p e 、l e i t z 、d e a 等公司的产品。国内的生产单位也已经有了很大的发展，主要的生产厂家有中国航空精密机械研究所、海克斯康青岛前哨测量设备有限公司、上海机床厂、北京机床研究所、哈尔滨工具量具厂等。现在，我国具有年产几百台各种型号三坐标测量机的能力。国内三坐标测量机近十年来发展也较快，但同国外相比还有一定差距，主要有以下几方面：系列品种较少，“三化”程度低；新产品开发周期长，主要原因是元件和材料配套难；机加工周期长等；产品的稳定性较差，特别是电控系统，可靠性较差，故障率较高，寿命相对低，此外软件功能相对少些，特别是专用软件更少，与计算机工作站和数控机床联网问题，仅有极少数测量机刚刚起步，多数机器还没开始这项工作，有待进一步开发研究。哈尔滨工具量具厂生产的三坐标测量机装备了天津大学自主开发的控制软件为三坐标测量机的国产化生产开了个好头。1 1 2 三维测量技术演变三坐标测量机基于坐标测量原理【5 1 。首先将各种几何元素的测量转化为这些几何元素上一些点集的坐标位置的测量。在测得这些点的坐标位置后，再由软件按一定的评定准则算出这些几何元素的尺寸、形状、相对位置等。这一工作原理，使三坐标测量机具有很大的通用性与柔性。从原理上说，它可以测量任何工件的任何几何元素的任何参数。显然，对任何复杂的几何表面与形状，只要测量机的测头能够瞄准( 或感受) 到的地方( 接触或非接触) ，就可以测出它们的几何尺寸和相互位置关系。这种测量方法看起来简单，但实现起来却不容易。主要由于很难制造出精密的三坐标机构。即使制造了合格的机构，要进行大量的数学计算也是很困难的，在加上需要各式各样的三维测头，这些因素使的三坐标测量机较加工2第一章绪论机床晚问世很长时间。到了6 0 年代，精密机械、电子技术和电子计算机有了很大的发展，解决了精密导轨的设计与加工，大位移测量装置( 如光栅) ，电子计算机数值计算的应用，才使三坐标测量机得到迅速发展。当前，除正在研制高精度、快速检测的三坐标测量机外，还在拓宽程序与自动化，加强网络功能，实现与c a d 、c a m 软件的通讯。同时，也在开发各种用途的新型、高灵敏度、高精度的测头，以完成复杂零件内外形状的快速精确检测。1 1 3 三坐标测量机的发展趋势先进制造技术、各种工程项目与科学实验的需要也对三坐标测量机不断提出新的、更高的要求。从目前国内外三坐标测量机发展情况和科技、生产对三坐标测量机提出的要求看，在今后一段时期内，它的主要发展趋势可以概括为以下几方面1 6 j 。l 、提高测量精度在生产中一般要求测量不确定度小于制造公差的l 3 到1 5 ，有的还希望达到1 1 0 。但目前商品三坐标测量机的精度远低于钻石切削或其它类型的超精加工机床。因此只能在超精加工后，在原机床上将刀具换成测头，进行检测。这种方法在原理上说是不合理的，因为有很多共同的因素影响，而使许多误差不能发现。所以应对提高三坐标测量机的精度提出进一步的要求，以适应超精加工与科学技术发展的需要。为了提高测量机的测量精度，需要采取一系列综合性措施：( 1 ) 提高标尺精度，将廉价、便于使用的半导体激光器和激光干涉标尺应用到测量机中。( 2 ) 提高结构精度，其中包括测量机主机、分度台、测头及其附件的精度，这里尤为重要的是提高它的重复精度。( 3 ) 减小环境因素带来的影响，特别要注意避免复杂力变形与热变形。( 4 ) 适当的采样策略，采样策略对被测参数的测量不确定度有很大影响。2 、提高测量效率现代生产节奏不断加快，要求测量机在保证必要的测量精度的同时，还要有较高的效率。为了提高测量机的效率，需从以下各个方面采取措施。( 1 ) 改进测量机的结构设计，减轻运动部件的质量。( 2 ) 提高控制系统性能，使测量机能以较高速度运动，同时运动平稳，准确定位，不产生振荡、过冲等现象。3第一章绪论( 3 ) 采用飞测与扫描测量方式，可避免频繁加速、减速、碰撞等，可大大提高效率。( 4 ) 对动态误差进行补偿，在实现高效率同时保证高精度。( 5 ) 提高软件的运行速度，使它不影响测量机效率。( 6 ) 对可靠性与安全保护提出更高的要求。3 、发展探测技术，完善测量机配置探测技术发展的第一个重要趋势是，非接触测头将得到广泛的应用。近年来国外光学三坐标测量机发展十分迅速。光学三坐标测量机的核心就是非接触测量。非接触测头具有许多优点：允许高的探测速度：没有测量力；它可以形成很小的光斑，对一些接触测端不易伸入的部位或细节进行测量；具有较大的量程。不同类型的测头同时使用或交替使用，也是一个重要发展方向。测头的功能在很大程度上取决于它的附件。各种形式的测端和探针、接长杆、回转体、自动更换测头系统近年来获得很大发展，并将进一步发展。为了增强三坐标测量机功能，还将发展计算机数控的分度台与回转台。配置一维或二维分度台，使三坐标测量机变为四坐标或五坐标测量机。精密回转台还使三坐标测量机具有圆度测量功能。4 、采用新材料，运用新技术铝合金、陶瓷材料以及各种合成材料在三坐标测量机中得到了越来越广泛的应用。铝合金特别适合于制作高速运行的三坐标测量机。它导热好，不易产生复杂热变形。尽管它线膨胀系数较大但简单热变形比较容易补偿。它耐磨性差，可在其表面涂覆一层耐磨的陶瓷材料。还有一些材料将在制作一些有特殊要求的测量机部件中得到应用，例如，在超高精度的三坐标测量机中，采用零膨胀系数的微晶玻璃制作一些关键部件：利用膨胀系数小、具有高的弹性模量与密度小的碳化纤维制作探针与接长杆等。其它些新技术，例如磁悬浮技术也会在测量机及其测头中获得应用。5 、发展软件技术，发展智能测量机测量机的功能主要由软件决定。三坐标测量机的操作、使用的方便性，也首先取决于软件。测量机软件所覆盖的范围越来越大。它不仅包括坐标系的转换、测端半径补偿、控制软件，数据处理软件，还包括误差补偿软件，c a d 、c a m 软件与网络通信软件等。4第一章绪论测量机每一项新技术的发展，都必须有相应配套的软件技术跟上。可以说测量机软件是三坐标测量机中发展最为迅速的一项技术。软件的发展将使三坐标测量机向智能化的方向迈进。6 、控制系统更开放在现代制造系统中，测量的目的越来越不能仅仅局限于成品验收检验，而是向整个制造系统提供有关制造过程的信息，为控制提供依据。三坐标测量机越来越多地成为现代制造系统的一个有机组成部分，能与其它生产机器联网、通信，完成计算机辅助设计、制造、工艺规划。从这一要求出发，必须要求测量机具有开放式控制系统，具有更大的柔性。7 、成为制造系统的组成部分从发展趋势来看，三坐标测量机将越来越多地用于生产线，成为制造系统的一个组成部分。为了使测量机能更好地用于生产环境、进入制造系统，需在下述方面进一步提高测量机的性能。( 1 ) 进一步提高测量机的工作可靠性，增强其安全保护性能。( 2 ) 增强其适应车间环境的能力。( 3 ) n 量机应有较完善的软件功能，能与制造系统的网络交换数据，有建模与生成c a d 、c a m 软件的功能。( 4 ) 具有开放式的控制系统，能与制造系统中的其它机器统一控制、协调工作。( 5 ) 能有较高的运行速度与测量节拍，能符合生产节拍的需要。8 、发展非正交坐标系测量系统非正交坐标系测量系统从原理上说基于三角测量法。非正交坐标系三坐标测量机很重要的应用是对大尺寸测量。测量头是临时安装的，要对测头相对位置标定后才能进行测量。近年来，也出现了一些中小型非正交坐标系三坐标测量机，它们的优点是不需要精密的导轨和标尺，测量空间开阔，操作方便，但精度一般不很高。作为车间用的测量仪器，这类测量机会有一定发展，但正交坐标系仍将占主要位置。9 、加强环境问题的研究三坐标测量机的测量精度不仅取决于机器本身的精度，而且依赖于环境条件。在许多情况下，环境条件的影响往往成为制约因素。如温度和震动对尺寸测量的精度影响很大，而且不好补偿。随着三坐标测量机向在车间使用、进入制造系统的方向发展，更加重了环境问题的复杂性与环境研究与解决的迫切性。1 0 、加强量值传递、误差检定与补偿研究第一章绪论作为一种计量仪器，三坐标测量机本身必须按量值传递的规程经过严格的检定。在一段时期内，检定三坐标测量机最常用的方法是单项误差测定的方法。这种方法的优点是直观，能直接得到原始误差，精度也较高。缺点是比较复杂，所需仪器比较多，耗时也较长，合成用的模型有一定近似性，测试条件与测量机工作条件不完全相符。近年来，国际上纷纷推出用实物基准对三坐标测量机进行误差检定的方法，其优点是方法简单。缺点是多数实物基准只能对测量机进行性能评定，而不能对它进行检定，即不能从这一些测试结果中分解出全部2 l 项机构误差。也不能保证全面反映测量机在整个测量空间的误差情况。在利用实物基准检定三坐标测量机的各种方法中，最有应用前景的是欧洲共同体推出的球板法( 或孔板法) 和天津大学推出的一维球列法。这两类方法都能给出测量机所有2 l 项机构误差，确定测量整个空间的误差情况。误差补偿技术是一项能以较低的成本、大幅度地提高测量机测量精度的技术。目前多数计算机数控的三坐标测量机带有误差补偿，但主要限于机构误差与简单热变形误差。误差补偿将用于动态误差与复杂的热变形误差。1 2 三坐标测量机运动控制系统简介1 2 1 运动控制技术概述信息时代的高新技术流向传统产业，引起后者的深刻变革。作为传统产业之一的机械工业，在这场新技术革命冲击下，产品结构和生产系统结构都发生了质的越变，微电子技术、微计算机技术使信息和智能与机械装置和动力设备相结合，促使机械工业开始了一场大规模的机电一体化技术革命。随着计算机电子电力和传感器技术的发展，各先进国家机电一体化产品层出不穷。机床、汽车、仪表、家用电器、轻工机械、纺织机械、包装机械、印刷机械、冶金机械、化工机械以及工业机器人、智能机器人等许多门类产品每年都有新的进展。机电一体化技术已经越来越受到各方面的关注，它在改善人民生活、提高工作效率、节约能源、降低材料消耗、增强企业竞争力等方面起着极大的作用【7 】。机电一体化技术主要有以下五大关键组成部分：l 、精密机械技术机电一体化技术的基础：2 、运动控制技术机电一体化系统的核心部分；3 、传感检测技术一闭环控制系统的关键部件；6第一章绪论4 、信息处理与自动化技术一计算机控制的关键技术；5 、系统总体技术一包括系统的总体设计和接口技术，用跨学科的思维能力来进行综合集成。当前我国的机电一体化技术水平同工业发达国家相比，总的来说还存在很大的差距。要提高我国的机电一体化技术的核心部分，提高其技术水平，缩小同发达国家的差距，是摆在我们面前的一个重大课题。运动控制的实质是根据预定的方案，将上位控制系统做出的决策命令变成某种期望的机械运动，以得到确定的位移、速度、加速度或特定的运动形式。一个完整运动控制系统通常由上位控制器、执行电机、机械传动机构和位置检测单元等组成，其结构框图如图1 1 所示。上位控制器将分析、计算所得出的决策命令以数字脉冲信号或者模拟电压信号的形式送到电机驱动器中，驱动器进行功率变换，并驱动伺服电机根据上位指令转动。电机通过传动机构带动机械结构运动，便可以得到预期的运动参数和运动形式。图1 - 1 运动控制系统结构框图上位控制器通常是运动控制卡、具有运动控制功能的p l c 、数控系统( c n c )或单片机系统等。数字化执行电机的受控性能较好，已经在运动控制系统中普遍应用，如步进电机或数字式交流伺服电机等。位置检测装置有脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、光栅、磁尺及激光干涉仪等。基于以上对运动控制系统的简要分析，可对其作如下定义：运动控制系统是集机械、电子、计算机技术于一体的软硬件系统，它根据预定的方案，将上位控制系统做出的命令变成某种期望的机械运动，使控制目标得到精确的位置、速度、加速度，或具有特定规律的运动形式。7第一章绪论1 2 2 三坐标测量机控制系统特点三坐标测量机的控制系统基本上是在数控机床的控制系统的基础上发展起来的。但是三坐标测量机的工作状况和加工机床不同，具有以下特点：运行平稳。为保证高精度测量，要求测量进给平稳，特别是在低速探测运动时，要求无爬行、无冲击。响应速度快。测量进给有很多往复运动，要求伺服系统频繁地启动与停止，在正转与反转之间频繁切换。调速比宽。目前高速坐标测量机的运动速度可以达到3 0 0 m s ，世界上最快的测量机运动速度可以达到1 7 0 0 m m s 。而低速探测时速度一般在l o m m s 以下。c n c 扫描测量时要求速度控制到每秒几个微米。这就要求测量机的运动速度在0到最大速度之间连续可调。1 2 3 国内外运动控制技术发展现状在国外，运动控f l 卸( m o t i o nc o n t r 0 1 ) 已经成为一个专门的产业，一大批厂家正在不断开发这方面的新技术，研制这方面的新产品【7 】【引。从上位控制单元来说，有美国d e l t at a u 数字系统公司的基于d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s 0 0 数字信号处理器) 技术的p m a c 运动控制器，美国p a r k e r 公司生产的6 k 系列运动控制器，其特点在于功能强大，适合于要求进行复杂运动控制的场合，如机器入，大型三坐标测量机德国；奥地利b & r 工业自动化公司的新一代可编程计算机控制器p c c( p r o g r a m m a b l ec o m p u t e rc o n t r 0 1 ) ，它采用分时多任务机制构筑其应用软件的运行平台，这样应用程序的运行周期则与程序长短无关，而是由操作系统的循环周期决定。由此，它将应用程序的扫描周期同外部的控制周期区别开来，满足了真正实时控制的要求，从执行结构来说，有日本松下( p a n a s o n i c ) 公司的m i n a sa系列全数字式交流伺服系统，以其性能卓越，体积小巧而著称；德国伦茨( l e n z )的9 3 0 0 系列交流伺服系统，其特点在于其伺服系统针对不同行业，配有面向具体应用的软件包，可柔性实现自动化测量方案；美国科尔摩根( k o l l m o r g e n ) 的p l a t 烈u md d l 系列直线电机，其特点在于直接提供推力给负载，能提供很高的动态响应速度和加速度【9 】【1 0 j 。近年来，直线电动机伺服系统越来越在世界机床行业得到重视，并在西欧工业发达地区掀起了“直线电动机热”。美国a n o a r d 工厂在i m t s 8 6 芝加哥国际机床博览会上展出了该厂利用直线伺服电动机生产的高精度机床工作台，其直线精度高达0 1 u m 2 5 m m ，脉冲当量为o 0 2 l a m ，代表了当时的最高技术水平，美国英格索尔( i n g e r s o l l ) 铣床公司是第一个把直线电动机应用于机床上的机床厂，第8第一章绪论二家是德国e x c e l l 公司，该公司在1 9 9 3 年9 月德国汉诺威国际机床博览会上首次展出了x h c 2 4 0 型高速加工中心，其二坐标都采用了德国i n d r a m a t 公司生产的交流感应式直线电动机( l i n e a ri n d u c t i o nm o t o r ) 。在1 9 9 6 年9 月芝加哥国际机床博览会( i m t s 9 6 ) 上，直线电动机已经象雨后春笋般展现在人们面前，发展势头之猛，预示着直线电动机开辟的机床新时代已经到来。直线电动机在机床进给系统中的应用已被世界同行专家评价为当今机床工业的一个新技术高峰，是对机床设计理论和制造技术的一个重大突破，并称该类机床为“下一代机床”。国内在这方面的技术和产品相对落后，但各种品牌的运动控制产品正在各个行业越来越广泛的得到应用，如数控机床、轻工机械、包装机械、医疗设备、纺织机械、自动生产线等。国内一些科研单位和高校也相继开发出交流伺服系统，如广州数控、华中数控、开通数控等。他们开发的交流伺服系统大多与各自的数控系统配套，较少应用到其他运动控制场合，反应式步进电机在国内己趋于淘汰，作为其替代产品的混合式步进电机正被大量应用于各种机电一体化产品。相应地，从事混合式步迸电机开发和生产的专业厂家也大量涌现。1 3 本课题研究的主要内容分析烟台中环机电技术开发有限公司设计制造的多轴三坐标测量机的机械结构，设计合理的运动控制方案，提出基于该三坐标的运动控制系统方案。根据设计的系统方案，安装调试设备，调整伺服系统刚度系数和运动控制系统p i d 参数以及速度、加速度前馈系数，并对p i d 参数调节过程中出现的积分饱和现象进行分析，提出有效的解决方案。研究实现了运动控制系统中的关键技术，如s 形加减速运动、复杂曲线构造、手动控制系统设计以及多轴同步技术。其中多轴同步技术包括，直线插补、圆弧插补以及跟随技术。进行了运动精度的实验，测试运动精度。分析了实验数据，针对出现的问题分析可能的原因，提出解决方法。9第二章系统硬件组成第二章系统硬件组成系统硬件丰要由三坐标测量机机体、电机和伺服驱动器、运动控制卡和计算机组成，如图2 - l 所示。图2 - 1 实验系统实物崮2 1 三坐标测量机机械结构分析实验用三坐标删量机是由4 个直线运动轴和1 个电控转台组成的如图2 2所示，可实现晟多五轴联动。直线运动轴的实物如图2 - 3 所示，它们的尺寸不一样，但外形和内部结构基本一致，都是采用电机转轴通过联轴器与丝杠连接，直线运动导轨在丝杠两恻对称安装，每个直线运动轴上都安装有一个轴系托盘，可以在其上安装另一个直线运动轴，从而实现多轴运动方向的灵活确定。圈2 - 4 为其基本结构组成示意图。第二章系统硬件组成目2 - 3 直线运动轴的外形图幽2 4 直线运动轴的基术结构组成第二章系统硬件组成2 1 1 滚珠丝杠对驱动系统的主要要求是传动平稳、爬行小、钢度高，同时不会产生较大的振动与噪声。主要有丝杠传动、钢带传动、齿形带传动、齿轮齿条传动、摩擦轮传动、气压传动、直线电机驱动。该三坐标测量系统中采用的是滚珠丝杠传动。滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。这一发展的深刻意义如同滚动轴承对滑动轴承所带来得改变一样。滚珠丝杠副因优良的摩擦特性使其广泛的运用于各种工业设备、精密仪器、精密数控机床。尤其是近年来，滚珠丝杠副作为数控机床直线驱动执行单元，在机床行业得到广泛运用，极大的推动了机床行业的数控化发展。这些都取决于其具有以下几个方面的优良特性1 ：1 传动效率高。在滚珠丝杠副中，自由滚动的滚珠将力与运动在丝杠与螺母之间传递。这一传动方式取代了传统螺纹丝杠副的丝杠与螺母间直接作用方式，因而以极小滚动摩擦代替了传统丝杠的滑动摩擦。使滚珠丝杠副传动效率达到9 0 以上，整个传动副的驱动力矩减小至滑动丝杠的1 3 左右，发热率也因此得到大幅度降低。2 定位精度高。滚珠丝杠发热率低，温升小以及在加工过程中对丝杠采取预拉伸并预紧消除轴向间隙等措施，使丝杠副具有很高的定位精度和重复定位精度。3 传动可逆性。滚珠丝杠副没有滑动丝杠粘滞摩擦，消除了在传动过程中可能出现爬行现象。4 使用寿命长。由于对丝杠滚道性转的准确性、表面硬度、材料的选择等方面加以严格控制，滚珠丝杠副的实际寿命远高于滑动丝杠。5 同步性能好。由于滚珠丝杠副运转顺滑、消除轴向间隙以及制造的一致性，采用多套滚珠丝杠副方案驱动统一装置或多个相同部件时，可获得很好的同步工作。2 1 2 直线导轨直线导轨是导向部件，如果说滚珠丝杠是决定进给机构精度的非常重要的要素，那么决定行走轨迹精度的重要要素则是直线导轨。这两种部件基本上都是采用滚珠或者滚子作为滚动体的滚动功能部件的技术。1 2第一帝系统硬件组成导轨是由两根具有v 型滚道的导轨、滚子保持架、圆柱滚子等组成如图2 - 5 所示相互交叉排列的圆柱滚子在经过精密磨削的v 型滚道面上作往复运动可承受各个方向的载荷实现高精度、平稳的直线运动。图2 - 5 直线导轨实物闰这种导轨是一种精密的直线滚动导轨，它的特点有i i ：1 ) 具有较高的承载能力和鞍高的刚性，对反复动作、起动、停止往复运动频率较高情况下可减少整机重量和传动机构及动力费用。2 ) 滚柱导轨块可获得较高的灵敏度和高性能的平面直线运动。在重载或变载的情况下弹性变形较小且能获得平稳的直线运动，没有爬行。3 ) 滚柱导轨由于其滚动体一滚柱在滚动时导向好。能自动定心，故可提高机械的定位精度。4 ) 滚柱导轨块中的滚柱在基体中循环运动，故采用滚动导轨块不受机床床身长度的限制，可根据承载大小及选用规格确定导轨块数量。5 ) 滚动摩擦力阻力低稳定性能好：起动摩擦力小随动性能好；6 ) 接触面积太弹性变形量小，有效运动体多，易实现高刚性、高负荷运动：结构设计灵活安装使用方便。2 1 3 电控转台电控转台的基本作用是实现精确的角度转动，通过蜗轮副的传动进行回转，以便测量各种回转体零件，如分度板、齿轮、涡轮、蜗杆、螺纹、成形和滚铣刀以及叶片、f 1 轮等p 】。实验系统所使用的电控转台如图2 - 6 所示。应当说在大部分情况下，也能用三坐标测量机在直角坐标系中进行测量。但是，当不用转台在直角坐标系中进行测量时无论从测量路径的设计、测量软件的编写、数据处理、测量效率等方面都会增加一些困难。比较好的方法是采用转台予以配合，并在极坐标或者圆柱坐标系中进行测量。p第二章系统硬什l 成图2 巧电控转台实物图2 2 电气系统组成电气系统丰要由伺服系统和运动控制器以及计算机组成，根据需要有的还配有打印机或者绘图仪等输出设备。2 2 1 伺服系统发展伺服系统是运动控制技术的载体先进的运动控制技术必须依赖其伺服系统来实现其价值。伺服系统总体上可大致分为直流伺服系统剃交流伺服系统。早期的直流伺服系统中，采用旋转变流机组( 交流电动机带动直流发电机)来实现直流电动机的平滑调速，而直流发电机的励磁由采用交磁功率放大器、磁放大器进行控制，存在着一系列的缺点。在5 0 年代出现了水银整流器静止交流装置，但由于制造和维护上的麻烦，后来也被淘汰了。到了6 0 年代，出现了晶闸管整流装置，不仅在经济上和可靠性上有所提高，而且在技术性能上也显示了很大的优越性。集成运算放大器和众多的电子集成电路的出现不断的促进了控制系统结构的变化。大功率晶体管脉宽调制( p w m 】驱动装置的出现，进一步推动了直流伺服系统的发展“”“”“。目前直流伺服系统因其良好的机械特性，能在太范用内平滑调速、起动、制动和正反转等优势，在传动领域中仍占主导地位。但直流伺服电机本身存在结构复杂，价格昂贵，且需要定期更换电刷等问题。随着交流调速系统中控制新技术的不断采用交流电机调速技术日趋成熟，其应用领域也日益拓宽，在一些领域中t 直流调速系统己被交流调速系统所替代。但是目前交流调速装雹的价格仍然比较责，交流调速技术还没有很好的掌握。第二二章系统硬件组成六、七十年代，随着世界能源的短缺，交流调速技术逐渐得到了重视。尤其在进入8 0 年代后，交流伺服电机的材料、结构、控制理论和方法均有突破性的进展，使交流伺服系统发展很快，有逐渐取代直流伺服系统的趋势。新型电力电子器件的不断推出也促进着交流伺服向前发展。进入9 0 年代，出现了m o s 控制元件和智能控制元件，其中绝缘门极双极晶体管( i g b t ) 兼有m o s f e t 的高输入阻抗和g t r 的低通压降两方面的优点。这些全控器件的应用使控制电路大大简化，成本降低，智能功率集成模块使变频器向小型化、低噪声、高性能、高可靠性、低成本方向发展。例如日本富士变频器已发展到9 型，体积不断减小，g 7 系列加上制动单元，体积只有同容量5 型的一半，g 7 s 系列采用3 2 位数字信号处理器d s p ，响应速度比5 型快5 0 倍。近年来交流伺服系统向数字化方向发展，系统中的电流环、速度环和位置环全采用数字化，全部伺服控制模型和动态补偿均有高速微处理器及其控制软件进行实时处理。交流伺服系统的最大优点是交流伺服电机结构简单，不需要经常维护，适应较恶劣的环境，随着其成本的降低和性能的提高，必将逐渐替代直流伺服系统。2 2 2 交流伺服控制系统松下m i n a sa 4 全数字交流伺服系统【1 5 】：由3 2 位d s p 及i p m 控制，具有高性能、高精度、高响应、免维护特点。采用松下公司独特算法，使速度、频率响应提高到两倍，达到5 0 0 比。定位超调整时间缩短为以往产品的1 4 ，具有共振抑制和控制的功能，可弥补机械刚性不足，从而实现高速定位，具有全闭环控制功能，如果使用高精度的光栅尺作为位置反馈信号，就可构成全闭环控制系统，进一步提高系统精度。共振抑制的效果如图2 7 所示。数字式交流伺服系统区别与模拟交流伺服系统的优势主要有以下几方面：1 、自动调整高性能的实时自动调整增益根据负载惯量的变化，与自适应滤波器配合，从低刚性到高刚性都可以自动调整增益。因旋转方向不同而产生不同负载转矩的垂直轴情况下，也可以自动进行调整。具备异常速度检测功能，因此可以将增益调整过程中产生的异常速度调整到正常。第_ _ 章系统硬件组成实际速度嘲，- r ii快速地抑铡_振动分量二#f 黧卜茅= ￥_ |b ，|厂孵咿jo o _t 滤波器无效，父，设定共撅朔i 辜弋一7 b_ l 倏谚逆糯翻不翘泣1 铂o h z 的l 苎堡鉴垩j图2 7 共振频率抑制效果转矩i i! l l 婀l 柏9哟2 、高速高响应速度响应频率最高达1 k i - i z 。内置有瞬时速度观测器，可以高速、高分辨率地检测出电机的转速。高性能的机械适应性，无论是易产生共振的传送带驱动机械，还是高刚性的丝杆传动机械，都可以高性能的自动调整功能来实现高速定位。3 、超低振动内置自适应滤波器，可以根据机械共振频率不同而自动地调整陷波滤波器的频率。可以控制由于机械不稳定以及共振频率变化而发生的噪音。内置了不同于自适应滤波器的两个独立通道的滤波器，两个陷波滤波器可以以l i - i z 为单位、分别设置陷波的频率和幅度。陷波滤波器的效果如图2 8 所示。陷渡滤波器的妓果无陷澶盎渡盔膏陷洼缝谴嚣m 5 ，氆v图2 8 陷波滤波器的效果内置了两个通道的振动抑制滤波器，可以抑制刚性较低的机械在启动和停止1 6恤鞠跚嘲o硼棚螂瑚哪第一章系统硬件组成时生产的振动。两个通道的振动频宰可以根据旋转方向的不同而自动地切换：或者也可以分别对应于由于外部输入信号切换而产生的机械位置变化而导致的振动频率。即使设置的振动频率和滤波器的数值不确切，也不会导致不稳定状况，如图2 - 9 所不。t m t 自r _ _ _ ：；r 一鲶。一爵：严_ _ ! 障三扯一丢一jt t r 2 2 3 运动控制器崮2 - 9 振动控制效果$ g _ a i jl 二；：；一6 k 控制嚣是一款结构独立的运动控制器【l “，在没有计算机的场合可咀手动控制运动。6 k 运动控制器它能解决从基本到复杂的运动控制的应用这些麻用包括：物科取放、打包、随动、电子i t 、轮等上百种应用场台。它使用以太网垣讯允许高速地同许多不同的产品进行连接，这些产品如：p l c 、h m i 、f o 模块和视觉系统等。6 k 与m o t i o np l m m e r t m 组合使用，使6 k 的使用更加简单快捷。m o t i o np l a n n e rt m 利用智能化的编程方式使编程者摆脱繁琐的重复工作，其中s m a r te d i t o r ，能够智能提1 指令代码方便编程者使用并且无须花费大量的时问来记忆指令，节约了大量的调试时问：m o t i o np l a n n e rt m 还包含了图形化调整工具s e r v ot u n e r ，能够方便的根据图形调整p i d 参数。图2 1 0 为其外形图。第二章系统硬件组成图2 1 06 k 控制器外形图6 k 控制器的特点如下：l 、通用的连接性6 k 具有很强的通用性，提供工业标准+ - 1 0 v 或步长加方向的输出，它能够控制从l 到8 轴的步进电机和伺服器的任意组合。由于其以太网能力，6 k 提供与市场上数以百计的以太网设备兼容的灵活的通讯方案。从i l m i 、p l c 到工业的i o 和视频系统，6 k 都能与他们连接。可选择的现场总线附件，如6 kp r o f i b u s d p 和6 ki n t e r b u s s ，提供利用工业标准协议和硬件与p l c 、p c 的连接2 、网络每一个6 k 控制器都有一个可编程的口地址，使得一个或多个6 k 控制器能够容易地组成一个以太局域n ( l a n ) ，t c p i p 协议允许用户的网络问能有可靠的数据传输。以太网设备，例如网络集线器允许多个6 k 控制器连接到一个单一的局域网上。增加更完善的设备，将复杂的工业网络同运动控制合成一体成为可能，从而允许较容易