（电工理论与新技术专业论文）smt贴片机的运动控制研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第| l 页 a b s t r a c t m o t i 咖c o n t m l i so n eo ft h ek e vt e c h n o l o 西e sf o rs m tm o u m e r i nf a c l ，s m t m o u n t _ h e a d e ri sam b o th a sf o u fj o i n t s ，卸db e l o n 黔t ot r a l l s p o r tm b o t m o s t c o m m e r c i a lr o b o ts y s t e mc u r r e n ye q u i p p e dw i t l lc o n v e 埘o n a lp i dc o n t r o l l e r sd u e t ot l l e i rs i m p l i c i t yi ns t r u c t u r ea i l de a s eo fd e s i 弘u s i f l gp i dc o n t m l ，h o w e v c r ，i ti s d i f 靠c u nt oa c h i e v ead e s i r e dp o s i t i o na n dv e l o c i t yc o n t f o lp e r f o 咖a n c es i n c et h e d y n 脚j ce q u a l j o n s o fam e c h a | 1 i c a lm a n j p u l a t o ra r e t j g l l t 】yc o u p 】e d ，b i 曲l y n o n l i n e a fa n du n c e r t a i n w i t l lt l l ed e v e l o p m e n to fm o d e mc o n t r o lt h e o r i e s ，m o 他a n d m o r ei n t e l l i g e n tc o n t r o lm e t h o d sa f ea p p l i e dt os o l v i n gt l l i sp r o b l e m u pt on o w n e u 蹦n e t w o r kt e c h n o l o g yh a sb c c na p p l i e dw i d e l yi 1 1t h eu n c c r t a j n 趾dn o n l i n e a r s y s t e m p i dc o n t r o lc o m b i n e dw i mn e i l r a ln e t w o r k ，i t sa d v a n t a g ei sk e p t ，a i l dt h e m b u s ta n da n t i d i s t u r b a n c ep e r f b n n a n c eo ft h es v s t c mi se n h a n c e d i nt h j st l i e s i s ，a d i s c u s s i o no fc o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o l 趾dn e u r a ln e t w o r kp i dc o n t r o li nt h e m o t i o nc o n t f o lw a sp r c s e n t e d ，a n dag o o dc o n t r o ls y s t e mf o it h er i 西d i t ym b o t m a l i i p u l a t o rw 弱p r o p o s e d a c c o f d j n gt ot h ec h a r a c t e ro fm o t i o nc o n t r o la n dt l l eo p e r a t i o nd e m a n do fs m t m o u n t - h e a d e r ，ad y n a m i cm o d c lo ft h em o t i o nc o n t r o ls v s t e m ，w h i c hb 弱e do nd i r c c t c u r r e n ts e r v o m o t o r w a se s t a b l i s h c d ，t h ev a l u ea n dt h ec a u s eo ft h ee 肿rf o r s i n g l e i o i n ta n dm u l t i j o i n tp o s i t i o nc o n t r o n e ra d o p t e dc o n v e n t i o n a lm e t h o dw e r e a n a l l 瞄e d ，t h er e s u l t sw e f ep r o v e db vs i m u l a t i o n t bo v e f c o m et h ed e t e r i o m t i o no f t h ep e d b n n a l l c eu n d e ru n c e n a i i l t ya n dd i s t u r b a n c e ，an e wi n t e l l i g e n th y b r i dc o n t r o l s c h e m ef o rm em 柚i p u l a t o fw a sp r e s e n t e d ，w h i c hi sp i d n e u r a ln e t w o r k sc o n t i o l ， t h et e s u l to fs i m u l a t i o nd c m o n s t r a t e st h ee 矗e 嘶v e n e s sa n df o b u s 协e s so ft h en e w c o m r o l l e lf i n a l l y ，ad i s t r i b u t e dc o n t f o ls y s t e mf o rs m tm o u n t e rw a sp r o p o s e d ，m e n h 盯d w a r ca n ds o f t w a r ed e s i g nb 勰e do nm c s 5 1m i c m p r o c e s s o ro fs i n g l e i o i n t c o n t r o l l e rw a sc o m d e l e t e d k e yw o r d s m tm o u t e r ； r o b o t ；m o t j 呻c o n t f o 】； p i d ；n e u r a ln e l w 甜k s ： m o t i o nc o n i r o l l e r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 随着微电子产业的发展，微电子集成芯片在尺寸、种类、形态结构以及制 造周期方面有了很大变化。由于电子行业对电子产品小型亿的要求，高集成度 i c 一般都采用表面贴装形式。s m t ( 表面封装技术s u r f a c em o u n tt e c h n o l o g y ) 是目前电子贴装行业里面的主流技术，被誉为电子组装技术的一次革命。当前 发达国家在计算机、通信、军事、工业自动化、消费类电子产品中，几乎都采 用了s m t 技术。因此自主开发s m t 生产设备不仅是发展我国半导体产业的需要， 也是我国国民经济健康、持续发展的迫切需求。 s m t 生产线中的主要设备由滴胶机、丝印机、贴片机、回流焊机、清洗机 和检测机等组成，同时还配备了如上下料枫、接驳台、涂敷设备、周转设备等辅 助设备。贴片机、滴胶机、丝印机和检测机是关键设备，其中贴片机是s m t 生产 线设备当中最关键的设备，它的技术含量最高、价格最昂贵。图1 1 是典型的 s m t 工艺流程图： 图卜1s m ti ：艺流程图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 贴片机的发展状况及其关键技术 我国贴片枫的起步始于8 0 年代中期，但是，就s 盯这一领域而言，在市场 上我们基本上是一个空白。进入9 0 年代我国开始引进国外s m t 装备并组线应用， 但我国s m t 的科研水平与发达国家相比，有很大差距，落后主要表现在：缺少 拥有自主知识产权的尖端技术；关键设备依赖进口。因此对s m t 中关键技术的 研究十分必要。 目前国外生产全自动视觉贴片机的公司有德国西门子，日本的日立、富士、 三洋、松下，韩国三星、l g ，美国m p m 、环球仪器等公司。其中比较有代表性 的西门子s i p l a c eh s 一5 0 超高速贴片机，产能5 万片小时，贴片精度6 7 5 ”m ； 三洋公司的t c m 一3 0 0 0 系列直接驱动高速高精密贴片机中d d 机械旋头，分辨率 o 0 0 7 。脉冲，带x 、y 、z 三轴实时校正补偿功能等。 国内的深圳奥特公司于2 0 0 1 年5 月成功开发出s m t 2 5 0 5 全视觉多功能贴片 机，填补了中国s m t 关键设备的空白，改写了中国无国产贴片机的历史。产品 主要性能指标为：装贴速度1 6 s e c c h i p ，2 0 s e c q f p ；装贴精度c h i p 0 1 胁， q f p 0 0 5 咖( 0 5 咖d i t c h ) 。 贴片机是高度集成的光机电一体化装置，涉及到光学、机械、电子学、自 动化等多种交叉学科领域，需满足高速、高精度、高稳定性和高集成化；较低 成本，易于操作；能够适应变化的环境；容易维护等要求。s m t 贴片机的主要 关键技术是”1 ： ( 1 ) 运动、执行及送料机构高速微型化技术； ( 2 ) 高速机器视觉识别及照明技术； ( 3 ) 高速、高精度智能控制技术； ( 4 ) 并行处理的实时多任务技术： ( 5 ) 设备开放式柔性模块化技术及系统集成技术。 1 2 1 运动、执行及送料机构高速微型化技术 在表面贴装生产工作中，由于设备机构高速运动，同时被抓放的对象尺寸 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 微小，因此主要执行部件需要微型化和高速化。贴装设备的运动和执行机构以 及相关技术一般包括高精密的专用抓放机构，实现微装配；新型的运动机构， 解决大运动空间和小占有体积间的矛盾；宏微驱动能力的检测理论方法和相关 技术；微小元件的准确定位技术。新型的表面贴装设备正从传统的单路印制电 路板输送向多路印制电路板的输送结构发展，贴装工作头在向多头结构和多头 联动方向发展。大行程、快响应传动机构叠加精密微动定位机构组成的复合传 动方式，或者采用直线电机作为传动定位的方式在表面贴装设备中已有不少的 应用。 日本y a m a h a 公司的y v 8 8 x 机型中引入了双组旋转贴片头和数码摄像头，不 但提高了集成电路的贴装速度，又保证了较好的贴装精度；韩国三星公司的 c p 4 5f f v 贴片机具有六头六视像机构实现元件的快速吸取、识别和贴装；西 门子的s i p l a c eh s 一5 0 贴片速度可达5 万片h ；松下g 3 系列贴片速度可达4 8 万片h ；环球公司的g d m i 滴胶机滴胶速度达4 万次h ，s p e e d l i n et e c h 公司 的c a m a l o t 滴胶机滴胶速度达1 4 万次h 。 1 2 2 高速机器视觉识别及照明技术 由于机器视觉在提高检测精度、增强可检测性等方面独到的优越性，随着 自动化技术水平的提高，机器视觉现已广泛用于表面贴装元件、表面贴装产品 质量检测等领域，解决了s m t 中的一些检测问题。现在，几乎所有高精度贴片 机系统中都有定位用的视觉子系统。通过这些予系统感知目标原始位置信息并 处理，得到机器需要的反馈信息，为精确的元件贴装提供正确的驱动数据。视 觉技术可以对元件的抓放( p i c k p 1 a c e ) 进行精确定位和矫正。当今表面贴片阻 容元件尺寸已达到0 2 0 1 ( 封装标准) ，i c 封装中q f p 引脚细间距化，更新的封装 形式如b g a 、c s p 、c o b 、f 1 i p c h ip 、m c m 的存在都对贴装精度的要求进一步提高。 在高精度微电子装备中使用的面向s m t 的新型全视觉技术采用高速、高精度的 图像处理和特征抽取方法。可靠有效的照明是确保视觉识别有效的前提条件， 现在已有贴装设备采用可编程控制光源，根据元件封装形式提供最优化的照明 条件，提升和保证视觉系统检测精度和可靠性，满足系统的贴装精度。 m a n n c o r p 公司的e c m 一9 9 l v 视觉系统采用l i n e a r c c d ，贴片精度达0 0 8 m ， 采用l l p w a r dv i s i o n 视觉技术，贴片精度达0 0 5m m ；m y d a t a 公司的m y 系列采 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 用双摄像头光学定位系统( d v c ) 能保证摄像系统既能识别大而精细间距的元件 ( 如q f p 3 0 4 ) 同时能够对c s p 、m i c r 0b g a 进行逐点的识别。 1 2 3 高速、高精度智能控制技术 控制技术是整个s m t 的核心。由于元件的贴放速度受到电路板尺寸、所用 元件和送料器类型等的影响。所以采用的控制技术应该综合考虑到各种因素， 并且优化贴片头的运动，使其在整个电路板的总行进时间为最短，以达到最优 目的。由于表面贴装设备对时间的苛刻要求以及电子芯片引脚间距的细小化， p c b 上电子芯片的定位在高速度的运动条件下( 如直线速度最高达1 0 0m h ，加 速度最大达5 6 9 ) ，定位精度需保持在0 1 唧之内，同时元件的贴放力度也 需要严格控制。因此要达到速度、加速度、振动、冲击以及贴放力等指标要求， 贴装设备需要建立以实现高速、高精度和高效减振为目标的运动控制模型和智 能控制策略。此项技术保证驱动及运动执行部件在高速条件下实现稳定和精确 响应。 国外先进贴片机的贴装精度一般保证在o 1m m 之内。例如：富士c p 一7 3 2 、 x p 一3 4 1 e 贴片机的c h i p 贴片精度达0 0 6 6 m ( 3o ) 、q 即贴片精度达o 0 6 6 i i l i n ( 3 o ) 。a s s e m b l e o n 公司的a c m 系列贴片机z 相配备包括直线电机的“持续校正” 模块，在9 0 4 0 0 0 克范围内控制贴片力rm y d a t a 公司z 轴在0 6 6 n 范围内 拥有2 8 段贴放力控制，力步距为0 2 n ，贴片力可视元件材质锡膏状况、厚度 而设定。 1 2 4 并行处理的实时多任务技术 鉴于伺服控制对计算机系统的实时性要求最高，同时表面贴装设备需要具 备多任务并行处理的能力，如多任务界面、实时工作以及在线编程等。因此， 需要为表面贴装设备建立并行处理的实时多任务控制模型，它运行于实时多任 务操作系统上，作为表面贴装控制的实现平台。其内核采用面向对象的模块化 方法实现。例如，m y d a t a 公司的m y 系列贴片机就是建立在基于l i n u x 操作系 统的开放式控制平台上，实现并行处理实时多任务控制的功能集成。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 2 5 设备开放式柔性模块化技术及系统集成技术 开放式柔性模块化技术强调设备的可移植性、相互操作性、缩放性、可配 置性，提供设备控制平台对控制需求的可重构性和开放性，从而能够简捷、高 效地构造完成特定要求的表面贴装设备。开放式柔性模块化技术能极大地提高 设备对生产需求的响应能力，它的组织方式和实现机制也为表面贴装成套装备 向更高层次的集成提供可能。同时表面贴装生产线运用系统集成技术，在设备 之间采用完善的设备通信协议使全生产线水平的监视成为可能，即观察整条生 产线和优化生产，而不是个别地观察每台设备。特定的信息在全部生产线设备 中交换时，生产率可以得到提高。 1 3 贴片机的运动控制分析 由前面的贴片机关键技术分析可知，控制技术是核心问题，也是本文要研 究的主要问题。贴片机的控制问题主要是对贴片机的运动控制研究。 贴片机的发展经历了手动、半自动、全自动贴片机三个时期，目前绝大多 数正在使用的贴片机都属于全自动贴片机类型。全自动贴片机是机一电一光及 自动控制、计算机技术的综合应用。它通过拾取、移动、定位、贴装等功能， 将表面贴装器件( s m d ) 快速而准确地贴装到p c b 板指定的焊盘位置上。贴片机对 所有元件的贴装是按顺序进行的：拾取贴装头先移动到指定的喂料器位置上拾 取要贴装的元件，再通过视觉处理系统对贴装元件进行检测和对中，最后移动 到p c b 板上的指定焊盘位置上贴装元件；在这一过程结束后，拾取贴装头又移 动到喂料器拾取下一批元件、再进行识别、贴装操作，如此周而复始，直到所 有元件都贴装完。整个流程完全由计算机控制自动完成，无需人力介入。所以， 对运动控制部分的速度、精度等都提出了很高的要求。 根据生产任务在计算机上进行编程，主要任务有三项”3 ： ( 1 ) 对每个需要贴装的元器件，按照元器件轨道设置文件进行装料，并安 放于分配到的元器件供料轨道上。 ( 2 ) 根据待加：l ：= p c b 的宽度将贴片机传输轨道调整到相应的宽度。 ( 3 ) 依据贴片任务需要来设定吸嘴配置，进行相应的吸嘴更换。其次，等 这些准备工作结束后，就进入p c b 唑标识别步骤，对p c b 定位处理。若该块p c b 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 的基准点不能够被识别，就放弃贴片，并传送到输出端轨道处；若该块p c b 通 过视觉系统的判别，则它就被正确定位于贴片工作区。旋转头按照加工程序到 相应的供料轨道上取料，然后到指定的贴片位置进行贴装。如果在贴片过程中 发生故障，如元器件供料轨道、机器驱动及气路等控制有问题，机器会做出相 应的报警提示。假如排故成功可继续贴片，直至完成所有的元器件的贴装，否 则退出贴片作业，p c b 传输到输出端轨道上。对一块p c b 贴片作业完成后，自 动进入下一个p c b 作业循环。 1 3 1 贴片机的各轴组成和运动方式 图l 一2 贴片机运动各轴组成 表1 1 各轴功能表 轴功能各注 x 平行于p c b 板流程移动头部组装件两组电机 y 垂直于p c b 板流程移动头部组装件 z 贴片头组装件竖直方向贴装高度 r 旋转头组装件 w 调整传送宽度 p u 执行竖直方向顶板操作 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 各个轴需要实现的运动控制方式分为基本运动和组合运动，基本运动包括 所有轴的原点复位、恒速运动、以给定的加速度，速度运动到目标位置；组合 运动包括x 、y 轴的直线插补运动、匀加速的之字形运动；z 、p u 轴的匀加速上 下运动：r 、w 轴的匀加速正反运动等。运动控制的种类如图l 一4 所示。 1 3 2 贴片机运动层次划分 将运动控制分为三个层次，由低级到高级逐步完成贴片的各种动作。 第一层是基本运动控制。包括各轴的回复原点、各轴按指定速度，加速度 运动到指定位置、x 、y 轴插补控制、y l 、y 2 轴同步控制、传送带的控制、各轴 的伺服报警等。例如，轴模块属性为速度( 速度上限、速度下限) 、加速度( 加速 度上限、加速度下限、加速度曲线) 、当前位置、目标位置、超行程位置、轴运 行状态、轴报警信息。轴模块方法为运动、停止、回原点等。 图1 4 各轴的运动控制种类 第二层主要为开始贴装p c b 之前的预备动作。第1 步传送p c b 板、到位停 止。传送板模块的属性为传送速度( 传送速度下限、传送速度上限) 、传送板出 错报警。传送板模块的方法为传送板动作、传送板停止。第二步是夹板、顶板、 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 定位等操作。第三步是吸嘴吸放动作控制。第四步是吸嘴角度校正动作控制。 第五步是飞行换嘴控制。第六步是废弃动作控制。 第三层为贴装动作。第一步是拾取芯片。内容包括：x 、y 行走控制、喂料 器控制、吸嘴吸放动作控制和飞行换嘴控制。拾取芯片的属性为芯片类型、拾 取芯片报警。第一步是贴装芯片。内容包括：x 、y 行走控制、吸嘴吸放动作控 制、飞行换嘴控制和吸嘴角度校正动作控制。第三步是废弃芯片。内容包括：x 、 y 行走控制、废弃动作控制。 1 4 本文研究的主要内容 贴片机运动控制最核心的部件是贴片头，因此对贴片头的控制是整个贴片 机控制的关键部分。如图l 一2 所示，贴片头相当于一个四个自由度的机械手， 分别是x y z 空间三个平移轴和r 旋转轴。 根据贴片机的运动特点，贴片头末端( 吸嘴) 的位置是我们所关心的，因 此点到点的位置控制和速度控制是贴片机所要完成的最重要任务。本文研究的 任务就是以贴片头为控制对象，建立一个位置控制伺服系统，采用各种先进的 算法，以达到控制目的。 根据任务要求，论文分析了贴片头机械手的控制结构，构建了位置控制系 统的数学模型，讨论了采用常规p i d 控制的设计方法，分析了稳态误差，并指 出其相应的局限和不足。在此基础上采用了神经网络结合p i d 控制的策略，对 单关节位置控制进行了研究。采用了典型机械手一斯坦福机械手的数据对各种 算法进行了仿真，并得出了相应的结论。最后，提出了贴片机分布式计算机控 制系统的总体架构设计方案，进行了基于m c s 5 l 单片机的单轴运动控制器硬、 软件设计，并编写了单神经元自适应p i d 控制的汇编程序。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章贴片头运动控制模型的建立 贴片头可以看成四个自由度的机械手，其动态特性具有高度的非线性。其 驱动执行机构由伺服电动机来完成。本论文研究的贴片头驱动机构为直流伺服 电机。 由于机械零部件比较复杂，例如机械部件可能因承受负载而弯曲，关节可 能具有弹性及机械摩擦等等，所以在实际上不可能建立准确的模型。一般采用 近似模型，在设计模型时，假设贴片头机械手各段是理想刚体，因此所有关节 都是理想的，不存在摩擦和间隙。 2 1 直流传动系统的建模 在建立贴片头机械手控制模型之前，我们有必要研究一下机械手运动的执 行机构一直流伺服电动机的模型。 图21 表示具有减速齿轮和旋转负载的直流电动机工作原理图。 囤2l 商流电动机 作原理图 图中伺服电动机的参数规定如下： r ，f ，一励磁回路电阻与电感； i ，v ，励磁回路电流与电压； 巩，电枢回路电阻与电感： 氏，l 电枢刨路电阻与电感： 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 ，电枢回路电流与电压； 吒，电枢( 转子) 角位移与转速； i ，丘电动机转子转动惯量及粘滞摩擦系数； 墨，吒电动机转矩及转矩常数； t 电动机反电势常数； 晚，q 负载角位移与转速； ，7 = 既包减速比； ，。，丘负载转子转动惯量及粘滞摩擦系数； 首先求出电枢控制直流伺服电机传递函数。我们可以建立以下方程式子 圪= 吃+ l 鲁+ t ( 2 1 ) 毛= 足。f 。 ( 2 2 乙= j 争+ f 警 c z 叫 式中j = ，。+ j 。叩2 ，f = 厶+ ，c 叩2 分别表示传动系统对转动轴的总转 动惯量和总粘滞摩擦系数。对上述三式进行拉氏变换，则变为： 圪( j ) 一也s 氏g ) = ( 吃+ 匕j ) l o ) ( 2 4 ) 乙( s ) = 屯l ( s ) ( 2 5 ) 乙o ) 一( 山2 + 见) 以( s ) ( 2 6 ) 其等效方框图卵阎2 2 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 图2 2 电枢控制直流电机传递函数框图 根据式( 2 4 ) 至( 2 6 ) 可以得到电动机的开环传递函数如下： 盟；生 ( 2 7 )。 、一 圪( s ) s 【( 如+ 厶5 ) 妒+ 山) + 吃k 2 2 贴片头位置控制的基本结构 贴片头的位置控制结构可以采用以下两种形式，即关节空间控制和直角坐 标控制结构，分别如图2 3 ( a ) ，( b ) 所示。 ( a ) ( b ) 图2 3 贴片头的位置控制基本结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 在图( a ) 中，q d ； q d 。，吼：，q 如r 是期望的关书位置矢量，分 别是期望的关节速度矢量和加速度矢量，q ，g 是实际关节位置矢量和速度矢 量。f = h ，f ：，lr 是关节驱动力矩矢量，阢，u 2 是相应的控制矢量。 在图( b ) 中，嘞= 【p ：，】1 是期望的工具位姿，其中p 。= 屯，y 。，_ z 。 表示期望的工具的位置，吼表示期望的工具的姿态。 螃，酊 。，其 帆叫v ，v 以 7 是期望的工具线速度，= 卜，： r 是期望 的工具角速度，是期望的工具加速度，m w 是实际的工具位置和工具速度。 本文采用第一种控制结构来研究和设计贴片头的控制系统。这种控制结构 的期望轨迹是关节的位置、速度和加速度，因而比较容易实现关节的伺服控制。 这种控制结构的主要问题是：由于往往要求的是在直角坐标空间贴片头机 械手末端的运动轨迹，因而为了实现轨迹跟踪，需要将机械手末端的期望轨迹 经逆运动学计算变换为在关节空间表示的期望轨迹。 2 3 单关节位置控制模型 通过独立控制每个关节来设计贴片头的线性反馈控制器是可能的。重力以 及各关节的相互作用力的影响，可由预先计算好的前馈来消除。为了减少计算 工作量，补偿信号往往是近似的，或者采用简化计算公式。 先不考虑路径约束，那么控制器只要贴片头的吸嘴要经过路径上所有指定 的转弯点就够了。控制系统的输入是路径上需要转弯点的笛卡儿坐标，这些坐 标点可以通过两种方法输入，即： ( 1 ) 以数字形式输入系统； ( 2 ) 以示教方式供给系统，然后进行坐标变换，即计算各指定转弯点处在 f1 笛卡儿坐标系中的相应关节坐标l q ，吼l 。计算方法与坐标点信号输入方式 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 有关。 对于数字输入方式，对，“【q l ，吼j 进行数字计算；对于示教输入方式， 进行模拟计算。其中，一1 吼，吼 为， 吼，吼 的逆函数，而， 甄，吼 为含有n 个坐标数的矢量函数。对于典型的贴片头而言，它含有四个关节，即 x 、y 、z 轴平移关节和一个旋转关节。 最后对贴片头的关节坐标点逐点进行定位控制。假如允许贴片头依次只移 动一个关节，而把其他关节锁住，那么每个关节控制器都比较简单。如果多个 关节同时运动，那么各个关节间力的相互作用会产生耦合，使得控制系统变得 很复杂。 2 3 1 单关节控制模型的传递函数 我们把贴片头机械手看作刚体结构。图2 4 是一个单关节电动机齿轮一负 载联合装置示意图。 图2 4 单个关节的电动机一齿轮一负载联合装置示意图 _ ，。：一个关节的驱动电动机转动惯量：，：贴片头机械手一个关节的吸嘴负载在传 动端的转动惯量；山：机械手连杆的转动惯量；吃：传动端的阻尼系数；日：负载端的 阻尼系数；以：传动端角位移；眭：负载端角位移；。，：传动轴和负载上的齿轮数； _ ，：传动轴和负载轴上的齿轮节距! f 干争：，7 = r 卅，= 。，m ：减速齿轮传动比 令f 为从电动机传至负载的作用在齿轮啮合点上的力，则： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 互= 吃 为折算到电动机轴上的等效负载力矩，而且 霉= 囊 又因为巳= 纫以，包= 幼m ，所以 8 s = 8 a m | ns = 椎e m 传动侧和负载侧的角速度及角加速度关系如下： p s = 叩曰小，臼s 互叩口州 负载力矩互用于克服连杆惯量作用，j 日s 和阻尼效应马口s ，即： t l = j 1 8s + b 8 s 在传动侧，同理可得 瓦= 互+ 。+ j 。) 臼m + 曰二口m 又下列两式成立 互= 叩2 ( 歹，秽。+ 马秽。) l 一( j 。+ ，二+ ，7 v ，) 口。+ ( 吃+ 叩2 j e ) 臼。 或 乙= ，口m + 曰疗m ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 式中，i ，= ，蚵= j 。+ ，。+ ，7 ，为传动轴上的等效惯量；曰= 一吃+ 叩2 马 为传动轴上的等效阻尼系数。 本文曾经建立电枢控制直流伺服电动机的传递函数，参见式( 2 7 ) 。因此 我们可以得到与( 2 7 ) 式相似的传递函数如下： 盟堕：坠 f 9 1 7 1 圪( s ) s 乙以2 + ( 吃j + 三。曰弘+ ( 吃曰+ t k ) 】 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 式中的曰相当于式( 2 7 ) 中的f 。 由于最后要控制的是位置量，因此引入闭环位置控制。如图2 5 所示。 把测量出来的实际位置与期望的输入进行比较，把其差值迸行放大后，作 为电枢电压来控制电机。 因为 图2 5 位置控制结构图 e o ) = 吼o ) 一b o ) ( 2 1 8 ) 敏( f ) = 叼氏o ) ( 2 1 9 ) 圪o ) 一点名【吼0 ) 一位o ) 】 ( 2 2 0 ) 其拉氏变换为 e o ) 一见g ) 一位o ) 见( s ) = 叩瓯o ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 屹o ) = 【吼0 ) 一以o ) 】 ( 2 2 3 ) 其中为变换系数。我们可以得出这种位置控制器的开环传递函数为： 型： = 翌墨生 ( 2 2 4 ) e o )5 【k 矗2 + ( 吃，+ 匕日p + ( 吃口+ t 七。) 】 山于实际上m k o 把式( 2 3 5 ) 带入上式得到 k 民( 埘，眄i ，一曰) k k 一也k ( 2 3 6 ) 因为，值随负载变化，所以k 的低限也随之相应变化。为简化控制器设 计，必须固定放大器增益。于是，把最大的，代入( 2 3 6 ) ，就不会出现低阻 尼的任何可能了。 ( 2 ) 稳态误差 在图2 7 中，由于引入了厶、五和t 等实际附加负载，使得控制器的闭 环传递函数发生了变化。下面推导出新的闭环传递函数。 由图2 7 可知 ( 如+ 曰沁气0 ) 一0 ) 一艺o ) 一不0 ) 一叩乏0 ) ( 2 3 7 ) l ( 5 ) = k ( s ) 一s 。+ k k ) 见( s ) 叩) 吃 ( 2 3 8 ) 矿o ) = k 吃0 ) 一b 0 ) 】 ( 2 3 9 ) 经代数运算后得 眈0 ) = ，7 七。吼o ) 一叩吃【o ) + t 0 ) + 叩正0 ) 】) q o ) ( 2 4 0 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 0 页 式中， q ( s ) = 吃以2 + 【吃曰+ k 化+ t k ) p + 叩k 吒 ( 2 4 1 ) 当e 0 ) 、t 0 ) 、瓦o ) 消失时，式( 2 4 0 ) 就化简为( 2 2 8 ) 。又 e ( f ) = 吼o ) 一眼( f ) 所以得出 e o ) = 吼g ) 一9 0 ) = ( & 以2 + 【如曰+ k 陂+ k k ) p ) 吼( s ) + 叼吃【o ) + 巧o ) + ，7 互o ) 】) q o ) ( 2 4 2 ) 当负载为恒值时，厶= c j ，= c ：，互；c ：也均为恒值，所以 巴o ) = c ，s ，i o ) = c ：j ，五o ) = c ! 5 ，则式( 2 4 2 ) 变为 e o ) = ( 如以2 + 【吃曰+ 吒化+ 墨k ) 】s m ( s ) + 叩吃( c ，+ q + 叩q ) s ) q o ) ( 2 4 3 ) 式中，x g ) 取代吼o ) ，表示广义的输入指令。 应用终值定理 = l i m p ( f ) 一l 吨姬( j ) r s u 能够确定稳态位置误差。 当输入为一恒定位移c 。时， x ( 5 ) = 吼( s ) = c 。s 于是可得稳念误差为 e s 9 = r m j + cs + q c o f k 8 k m ( 2 4 4 ) 由稳态误差分析我们可以看到，用单纯的比例放大控制并不能消除稳态误 差，必须引进补偿网络才能消除误差。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 常用的补偿除了前面采用的比例补偿外，还有 微分补偿：与p ( f ) 的微分出( f ) d f 成比例。 积分补偿：与p ( f ) 的积分j ：e o ) d f 成比例。 实际设计的系统中，至少组合采用两种补偿，或者三种补偿，这就是常规 的p i d 控制。调整好各种补偿系数，能够达到预期的效果。 2 3 3 积分补偿和微分补偿 ( 1 ) 比例一积分补偿( p i ) 假设比例积分补偿器输出：h o ) = e ( f ) + k 上p ( f ) d f ( 2 4 5 ) 得到n 补偿器的传函：心) = 鬻= 蜂+ 巧s = k 等 c z a e ， 其中：h k e kp 则 y o ) = o p + 1 ) 吼0 ) 一b o ) t s ( 2 4 7 ) 又根据式( 2 3 7 ) 、( 2 3 8 ) ( 西+ 曰p 巳o ) = 乙o ) 一已o ) 一乃o ) 一叩互0 ) 乙( s ) = k 缈( s ) 一s 化+ 墨k ) 包( s ) 叩) 心 得到：见o ) = ，7 k 瓴s + 1 ) 吃( s ) 一叩心 ( s ) + i ( s ) + 叼五( s ) k s q ( s ) ( 2 4 8 ) 其中 q ( 5 ) 一吃j 邵3 + 【1 吃口+ 七。陂+ k k ) p 2 + q 蜂5 + 叩蟛k ( 2 4 9 ) 那么得出 e ，0 ) = 吼0 ) 一以o ) = ( “吃如3 + 【- 吃曰+ r l k ( 七。+ 墨墨) 】s 2 溉( s ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 + 叼吃【g ) + 0 ) + ，7 互o ) p ) q o ) ( 2 5 0 ) 依然假设负载为恒值， ，m = c ，i = c g ，瓦= c ，所以 巴g ) = c ，j ，i o ) = q j ，互0 ) 一c ：，s ，则( 2 6 0 ) 变为 日( s ) = ( q 心以3 + k 如曰+ 哦盹+ 墨k ) p 2 ) x ( s ) + 蹿吃( q + q + 玎q ) ) g ( s ) ( 2 5 1 ) 应用终值定理 气= ! i m p o ) 一l 岫姬( s ) f 。o j u 能够确定稳态位置误差。 当输入为一恒定位移c 时， x ( s ) = 吃( s ) = 巴s 于是可得稳态误差为 气讲= 0 ( 2 5 2 ) ( 2 ) 比例一微分补偿( p d ) 假设比例微分补偿器输出：“o ) = k e o ) + k 出o ) d f ( 2 5 3 ) 得到p d 补偿器的传函( s ) 一鬻= 磁+ 蟛s = ( 1 + 邵) 其中t = 巧。 ( 2 5 4 ) 用和前面一样的分析方法可得： 臣 ) = 吼p ) 一幺0 ) = ( r 如2 + 【r 曰+ k 化+ 墨k ) m 吃( s ) + 即r m c ( 5 ) + t o ) + 蹿t ( 5 ) ) q o ) ( 2 5 5 ) 呸( s ) = r 如2 + 【8 。b + 七。( 后。+ h k ) + t 叩七。k 日】s + 叩k 属毛( 2 5 6 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 同理假设： 厶= c ，乃= q ，t = q ，艺( s ) = c ，s ，i ( s ) = q 5 ，五( s ) = q s 则( 2 6 6 ) 变为 e ：( s ) = ( 吃山2 + 【心曰+ k ( t + 墨k ) m x ( s ) + 即吃( c ，+ e + 叮q ) s ) q p ) ( 2 5 7 ) 应用终值定理 气= ! i m e o ) = 1 蛔姬o ) 能够确定稳态位置误差。 当输入为一恒定位移c 日时， x o ) = 吼0 ) = c 。s 于是可得稳态误差为 钿一吃( c ，+ q + ，7 q ) k ( 2 5 8 ) 由前面的分析可知，要消除负载干扰带来的稳态误差，只用比例补偿和微 分补偿都不能达到目的，必须引入积分补偿。 积分控制的优点是：它能对误差进行记忆并积分，有利于消除静差。缺点 在于积分作用具有滞后特性。如果积分控制作用太强就会使系统的动态性能变 差，甚至使系统变得不稳定。 微分控制的优点是：它能对误差进行微分，敏感于误差的变化趋势，增大 微分控制可以加快系统响应，使超调量减小，增加系统稳定性。它的缺点是对 于干扰同样敏感，使系统抑制干扰能力降低。 采用p i d 控制的位置控制系统框图如图2 8 所示 l + t + l 图2 8p i d 控制的位置控制系统框圈 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 2 3 4p i d 参数的整定 确定p i d 参数，最常用的是z i e g l e r 和n i c h o l s 提出的两种经典方法m 3 。 这两种方法都是基于稳定性的分析，它主要根据对象特性或对象在临界振荡时 的响应曲线的参数确定控制器的参数。 假设p i d 控制器数学为 “= 耳。+ 瓤m 乙鲁) c z 堋) 其中耳为比例放大系数，互为积分时间常数，瓦为微分时间常数。 ( 1 ) 反应曲线法 该方法适用于对象传函可近似为熹已“的场合，先输入阶跃信号，测 得输出曲线并估计对象参数k 、r 、_ r 。然后按表2 一l 得到控制器参数。 表2 一l 反映曲线法p i d 参数整定表 控制器类型比例度6 积分时间t微分时间 p2 o f p i 1 1 k ( z 丁) 3 3 f p i d 0 8 5 k ( f 丁) 2 0 f0 5 r ( 注：比例度6 为k 。的倒数) ( 2 ) 临界比例度法 该方法适用于己知对象传函的场合。首先将调节系统中调节器置成比例状 态，然后把比例度6 由大逐渐变小，直至出现等幅振荡，此时比例度称临界比 例度瓯，相应的振荡周期称临界振荡周期瓦，p i d 参数整定的经验公式如表2 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 表2 2 临界比例度法p i d 参数整定 控制器类型 比例度6 积分时间乃微分时间乙 9 2 瓯 9 1 2 2 瓯o 8 3 3 五 9 1 0 1 7 啡o 5 0 o 1 2 5 五 2 4 多关节位置控制模型 锁住机械手其他关节而依次移动一个关节，这种工作方法显然是低效率的。 这种过程使执行规定任务的时间变得过长，因而是不经济的。不过，如果要让 一个以上的关节同时运动，那么各运动关节的力和力矩会产生互相作用，而且 不能对每个关节适当的应用前述位置控制器。因此要克服这种相互作用，。就必 须附加补偿作用。也可以采用前馈的神经元p i d 控制或者神经网络控制来克服 这种相互作用。先分析机械手的动态特征。 ( 1 ) 动力学模型的拉氏方程 王。善b q ，+ l q ，+ 善荟口，吼+ d f 2 6 。 其中：z 一关节作用力矩 氆一关节角度 q 。、吼一关节角速度、角加速度 见、d f ，一关节的有效惯量、耦合惯量 、一关节的向心力、哥氏力 d 一关节的重力矩 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 ( 2 ) 各关节的耦合与补偿 从式( 2 4 5 ) 可以看出，每个关节所需的力矩z 是由几个部分组成。式中 第一项表示所有关节惯量的作用。在单关节运动情况下，所有其他关节均被锁 住，而且各个关节的惯量被集中在一起。在多个关节同时运动的情况下，存在 关节间耦合惯量的作用。这些力矩项d f fq f 可以通过前馈输入至关节f 的控 舒 制器输入端，以补偿关节间的相互作用。式中第二项表示传动轴上的等效惯量 为u ，。的关节f 传动装置的惯性力矩；已在单关节控制器中讨论过它。式中第三 项和第四项分别表示向心力和哥氏力的作用。这些力矩也必须前馈输入至关节 f 的控制器，以补偿各关节实际相互作用。式中最后一项是由重力加速度求得 的，它由前馈项l 来补偿，这是个估计的重力矩信号。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 第3 章基于神经网络p i d 的运动控制系统 在上一章中，建立了贴片头机械手运动控制数学模型，分析了它的稳态误 差，给