连杆混合驱动机构设计说明书

长春理工大学光电信息学院连杆混合驱动机构设计Research On The Hybrid-drive Linkage Mechanism学科:机械电子工程专业:机械设计制造及其自动化姓名赵冬华导师:金洙龙教授日期:2010年5月论文题目: 连杆混合驱动机构设计论文摘要柔性自动化机械系统虽然有许多优点，但投资大、控制难、维护费用高 ；传统的机械系统虽然具有很高的承载能力，能很好地满足高速大批量生产的要求， 但最大的不足是系统缺乏柔性。而混合驱动机构系统同时采用实时不可控电机 (主电机)和实时可控电机(伺服电机)作为其动力源，两种类型的输入运动通 过一个多自 机构合产生 要的输 运动， 而大大地 传动机械系统的性能， 、 、 、 自动机械 ，具有 的 用 合驱动机构 构最为 的 型机构是两自 杆机构，文的是一有currency1“的两自 杆机构。目 ，混合驱动机构的主要为机构可动性型合fi，fl 运动控制性能 。有fl 运动控制的，主要” 的能实， 点是fl 运动控制的可性，系统的控制输 ，为能很好地采用而合的控制系统和控制 。 ， 题，文 fl 运动控制及性能fi 入的。 系统采用 伺服 动控制系统，要求电机 实时 ， 有 的 速 和高的 ，控制系统和控制 有高要求。过 地 ，最 采用最 控制系统， 好的 。，混合驱动连杆机构 ， 有构 采用金 制 ， 为金 高、 ， 制造。但金 大， 速运动时 产生大惯性力惯性力矩，尤其是 混合驱动连杆机构 ，大多 构 的质心是作变速运动，产生的动载荷又难以完 平衡和消除， 而 fl 电机率就偏大，一般 达主电机率的30%以，fl 电机控制不利。 ，有必要寻找办来克服混合驱动连杆机构 金 构杆惯性大的缺陷，降 负载，更好地满足给曲线输 运动要求。为，文分别采用金 、尼龙棒、酚醛棉布模 棒以及三维编复合 制作机构 最长的连杆构轻质 优化系统控制性能的影响。 明，轻质的尼龙棒和层合复合 酚醛棉布模 棒有 提高系统控制性能；而三维编 复合 固化工艺限制，尺寸和刚性暂时满足工业使用。为 提高系统的性能， 过程 时刻遵循可靠性设计的理念。 元器 选择时，采用 高、可靠性好的元 ，如机构 的currency1“，采用 密滚珠丝杠。电路设计时，采用 抗干扰、提高可靠性的措施， 委托专业厂家将设计的电路制 PCB板。 为系统 体的良好打下 基础。文章最 之 系统 的实验 据， 详尽的统计学分析。通过实验 误差 据的采集、系统误差判别以及多元线性回归分析，揭示 误差的影响 素， 一有益的 论。混合驱动机构的设计 括运动设计、动力设计和控制设计三个fi。一fi, 设计相互影响和联,具有非常的耦合系。另一fi,各个设计fi的设计准、设1长春理工大学光电信息学院计目标却有 差别。串设计是机构的运动设计、动力设计,最 再控制设计。设计是将机构的运动设计、动力设计和控制设计一 设计。 混合驱动平fi杆机构,分别采用串设计和 设计 不同的设计策略,尽管设计 采用的优化 是 分化,但是设计 却有 不同。串设计可以达 高的机构运动要求,但控制系统的设计 难,而控制 不好。 设计 的设计 是机构的运动控制 以 ,但是设计的 学模型变 复 ,机构的运动 有 下降。赵冬华(机械设计制造及其自动化)导师: 金龙教授 :混合驱动连杆机构、fl 运动、最 控制、 验2长春理工大学光电信息学院AbstractTopic: Research On The Hybrid-drive Linkage MechanismAlthough with many advantages, Flexible mechanical system needsheavy investment. Traditional mechanical system fits for scale economy,but it is not flexible. By using uncontrollable motor and controllablemotor together, hybrid-drive mechanism combines two types of inputsand gets output needed, which makes it widely used in automationmachines.The simplest hybrid-drive mechanism is five-bar linkage mechanism,which is used in this dissertation as execution mechanism. Presentresearches focused mostly on the mechanism mobility. Among those whoresearched the auxiliary motion controlling, they emphasized not on thecontrol system performance but feasibility. In-depth research on thecontrol system is carried in this paper. The system discussed is an ACservo system, which needs high following precision. Through surveyingand comparing, the least beats and no wave control system is used tocontrol auxiliary motion to get good performance.Linkages are all made of metal iu1 present researches. Metal linkagesare cheap but heavy. It makes controlling more difficult. Approaches must be carried todeal with this problem. In this paper, metal material，nylon plastics,phenolic cotton cloth laminated and 3 一composite material isrespectively used as one of the 1inlages. We compare these four systemsto test the performance of light material in mechanism. We draw theconclusion thatnylon plastic and phenolic cotton cloth laminated tube arehelpful to control system. 3-D composite material cant be used in theindustry for the limiting of curing tech.For increasing the performance of whole system, reliability designmethod is applied throughout the paper.In the last of the paper, we collect the output error data of traditionalhybrid-drive linkage mechanism. Systematic error is proved existing bystatistical analysis. Multiple linear regression method is applied toanalysis systematic error, which leads to a satisfying model and anapproach to improve the output precision.eavy. Therefore, servomotor needs more power to driveThe design of a linkage with hybrid actuators involves three aspects. They are kinematic design, dynamic design and control design. On one hand, each of the aspects affects and relates to others. They are strongly coupled. On the other hand, they are different in design criteria and decision objective as well. In sequential design, the kinematic design is completed firstly, then the dynamic design, and finally the control design. Whereas in concurrent design, the optimizations of the three aspects are considered simulta.3长春理工大学光电信息学院Key words: Hybrid-drive Linkage Mechanism、Auxiliary Motion、Least Beats with No Wave Control System, Statistical AnalysisZhao donghua (Mechanical design and theory)Directed by Professor Jin zhulong4长春理工大学光电信息学院目 一章 论.”.101.1 混合驱动连杆机构 .101.2 连杆机构 . .1.3 题 . . . 141.4 题的 和实目标.14章混合驱动连杆机构. . . 202.1 混合驱动连杆机构 . .202.2 混合驱动连杆机构运动分析. . .23三章 伺服 动控制系统. 293.1 伺服系统的 . .293.2 控制系统类型选择.313.3 控制选择，.333.4 最 控制系统的设计 . .353.5 最 控制的 实. .393.6 程 设计 个 要题.41章 系统及抗干扰 施. . . .454.1 系统. . . . .454.2 抗干扰措施. . . .494.3 制作PCB板. . . .53章 文 及 . . . . .865.1 文 . . . . . 865,2 . . .87. .88. .905长春理工大学光电信息学院一章 论1 1混合驱动连杆机构 柔性自动化机械系统虽然有许多优点，但投资大、控制难、维护费用高；传统的机械系统虽然具有很高的承载能力，能很好地满足高速大批量生产的要求，但最大的不足是系统缺乏柔性，是机械输 运动 变就 机械机构的currency1尺寸 变，而 种 变通常很 难。1.5 混合驱动连杆机构连杆机构 地 用 业、 、 型机械、“金、 密机械 业 。连杆机构具有很多优点:承载能力；工制造；通过 变杆长相系可实不同运动fi。但是连杆机构 实运动fi。fl 机构的优点 :要设计 fl 线，可实给运动fi，而机构 。但是fl 机构 ，不具通用性，制造 高。混合驱动连杆机构合 连杆机构和fl 机构的优，不”工，承载，而具 的输 运动。章主要 题的实验 、设计目标， 通过 MATLAB 混合驱动连杆机构的运动学分析，计 fl 电机控制的杆长变化fi，而使混合驱动连杆机构实给输 fi。混合驱动连杆机构 合驱动机构是一个多自 机构，同时采用实时不可控电机(常电机)和实时可控电机(伺服电机)作为其动力源。 型的混合驱动曲 连杆机构如2-1 示。 可，机构是两自 机构。主电机驱动AB杆以固运动fi(通常为速) 动，fl 电机通过currency1“将复 动变为动 以fi 变杆长l，可使杆DE的输 运动能准 实给运动fi。 题 的混合驱动连杆机构据2-1的机构 型设计工而 ，各尺寸如下:a=40 mm, b = 390.2 mm, d=400 mm, e = 69.4 mm, = 8.80。题 用实验 的系统 构如2-2 示。6长春理工大学光电信息学院其 ，主电机1有变速器驱动，过 2和传动大 3速，驱动主4及曲 5。曲 5(杆a)采用偏心，通过主 6动连杆7(杆b)，再 “ 8动连杆9(e杆)，而9杆10杆(杆l)为currency1“连 ，10杆为滚珠丝杠，fl 电机11的固 ；fl电机的 为 的，其 托 12连 ，托 动13通过 固，的另一 可 负载15。主的一 有光电 生器14a13为输 ，通过fl 电机 l杆长 的实时变化，使13的输 运动实给运动fi。13 有电 计，通过 量电 计的电 变化，一个 将其 为 输 曲线。系统主要 构 如下:1.主电机 电机厂生产的1.5 三相电动机一 。2.fl 电机及驱动器下 MINAS 伺服电动机一 。 矩:2.4N.最大 矩:6.9N.型 :MSM082A1；率:750W；m； 速:3000r1/nin；最高 速:驱动器型 :MSD083A1X，电机自 量编 器，分 率为2500P/ro3.主电机光电编 器MEMICON光电编 器一个。型 :OVW-06-2MC；分 率:600PPR；最大响 率 :200KUz.； 驱动:集电输 ；最高 速:5000r/minx4. 机及 器AEDKS 196 器及UPH552用 系统一 。自作 LCA for DOS一 。给输 曲线为 实验 ，文选 论文24和论文25相同的输 曲线。7长春理工大学光电信息学院目 ，生产实 大量 求的机械系统不”要高 、大负载地高速运 ，而要能满足使用合的柔性要求，造又 。 种能以高的速 、高、 高负载地运 ，又能提 一 围的柔性的多自 机构被称为“混合驱动机械系统”currency1称“混合驱动机构”( 1-1) 1 。系统同时采用实时不可控电机(主电机)和实时可控电机(伺 服电机)作为其动力源，不可控电机为系统提 主要的动力，可控电机起运动 作用。 两种类型的输入运动通过一个多自 机构合 产生 要的输 运动。 而混合驱动大大地 传动机械系统的性负载能， 、 、 、 自动机械 ，1-1 自 混合驱动机械系统具有 的 用 景。采用不同的混合驱动机械系统 构案可以产生不同的运动fi。如用差速器作为运动合 机构，驱动一个曲 机构可实变fi的复运动z。如 用两自 七杆机构作为混合驱动机构可以产生 的 动输 30混合驱动机构 构最为 的 型机构是两自 杆机构。8长春理工大学光电信息学院混合驱动系统的是90年代初始。 英国学者Tokuz首次提 Hybridmachine的 念 4 。目 ，有两自 混合驱动杆机构的理论以其运动可动性条 多。廖汉元 5 和李佳 6 两自 机构的运动可动性条 ， 两自 杆机构的曲 存 条 7 。张 华 8 、益奇9, 10廖汉元11、李保生12 国13 学者 两自 混合驱动机构的型合，通过排列搭配构 和运动“ 机构来实机构的创 设计。 Ting1415, 16. 17. 18 平fi 链机构的运动可动性 理。周双林19和 国20混合驱动杆机构的完 分类 。程光蕴21 两自 连杆机构 实平fi轨迹，白英22 再圆弧轨迹的两自 杆机构优化设计。 混合驱动连杆机构fl 运动控制及性能，国 。高馨23混合驱动连杆机构fl 运动机构作 初的:她 型的曲 连杆机构逼近设计，. 以 fl 运动 的 量，通过采用区域灵敏 ， 机构fl 运动的 合设置 置和 参 。文提 三种设计模型，给 相 fl 运动 的控制fi。沈玉娟24以混合驱动曲 摇杆机构准 实给运动fi为例，阐 机构fl 运动的 构控制的实。她选 电控，采用PLC实 fl 运动 伺服电机的控制。同时，文提 一种 的动力学分析， 设计、工、 试相 实验 ， 实验验证。刘素平25采用 机控制 伺服电机的来控制fl运动，实给曲线的输 。同时，文多输入多输 下的混合驱动连杆机构动力学分析，导 其一般程。目 合驱动连杆机构fl 运动控制的主要是” 的能实， 点讨论的是fl 运动控制的可性，而 系统的控制输 ，为能很好地采用而合的控制系统和控制 ， 而 的 合驱动连杆机构的实际输 运动fi的 不尽如人 ，存 的误差大。1.2连杆的叙 连杆机构 两 分别主动和动构 铰 以传递运动和力的杆 。例如 复活塞动力机械和 缩机 ，用连杆来连 活塞曲 。连杆多为钢 ，其主体部分的截fi多为圆currency1工 ，两 有孔，孔 有青铜衬 currency1滚承， 入 而构 铰 。连杆是汽车 动机 的 要零 ，它连 着活塞和曲，其作用是将活塞的复运动 变为曲的 运动， 把作用 活塞的力传给曲以输 率。连杆 工作 ，除承受燃烧室燃气产生的 力 ，要承受纵向和横向的惯性力。 ，连杆 一个复 的 力状态下工作。它受 变的拉 力、又受弯曲 力。连杆的主要坏是疲劳断裂和过量变。通常疲劳断裂的部 是 连杆的三个高 力区域。连杆的工作条 要求连杆具有高的 和抗疲劳性能；又要求具有足的钢性和韧性。传统连杆工工艺其 一般采用45钢、40rcurrency1 40MnB 质钢，但 国 采用的连杆裂解（conrod fracture splitting）的工技术要求其脆性大， 更高， ，以德国汽车企业生产的 型连杆 如C70S6高碳 合金非 质钢、 SPLITASCO 系列 钢、FRACTIM 钢和S53CV-FS 钢 (以为德国din标准)。合金钢虽具有很高 ，担 力集 很敏感。 以， 连杆 、过 圆 fi 严要求， fi工质量以提高疲劳 ，否高 合金钢的 用 不能达 预期 。 驱动 用动力推动 ；动； 动9长春理工大学光电信息学院1。2. 1空间连杆机构spatial linkage若干刚性构 通过 “（ 动“、动“）联 ，而各构 各点的运动平fi相互不平的机构，又称空间 “机构。 空间连杆机构 ，机 相连的构 常相固的线 动、动，currency1作又 又的运动，也可绕某点作复 动；其余不机 相连的连杆一般作复 的空间运动。利用空间连杆机构可将一的 动 变为任 的 动currency1任 向的动，也可将某向的动 变为任 的 动，可实刚体的某种空间currency1使连杆某点轨迹近似 某空间曲线。平fi连杆机构相，空间连杆机构常有 构 、运动多 、工作灵活可靠 点，但设计 难，制造复 。空间连杆机构常 用业机械、轻工机械、 机械、 通运输机械、机 、工业机器人、 和 机起 。空间连杆机构常 自 空间 链机构 , 但是 着工业机器人和 技术的 , 多自 空间链机构也有不 用 。 自 平fi连杆机构 4 个动“ , 而 自 空间连杆机构 动“ 为 7 个 , 空间七杆机构。空间连杆机构 采用多自 的运动“如 fi“currency1圆 “时， 构 可 而 的空间 杆机构currency1三杆机构。为 明空间连杆机构的 类型 , 常用 R 、 P 、 C 、 S 、 H 分别示 动“、动“、圆 “、 fi“、currency1“。一般空间连杆机构机 相连的运动“始， 次用其 的一 来示。常用空间 杆机构的 类型有 RSSR 、 RRSS 、 RSSP 和 RSCS 机构机构 有两个 fi“ , 构 ，但绕两 心连线自 动的 部自 影响高速性能。 有 动“线 一点的 fi 杆机构 , 也是一种 用 的空间连杆机构，如 向联机构。 ，有某 空间连杆机构，如 机构，其运动“线 和构 尺 要求满足某 系。运动分析和合 空间连杆机构的分析合平fi连杆机构复 难， 很大程 影响空间连杆机构的推 用。空间连杆机构的有以 为基础的解和运用向量、 、矩 和张量 学工具的解析。解有一的 限性， 用多的是 电子计 机运 的解析。空间连杆机构分析 要而又 难的题是 分析。多 4 杆的空间连杆机构， 输入求输 时 间运动变量不 currency1消 ，一般要用 代联解多个非线性程currency1求解高次代 程。最难分析的空间 7R 机构， 输入求输 的代 程高达 32 次。空间连杆机构运动合的基题是 主动 运动fi一时，要求连 动 能若干 置currency1近似 某 系运动； 要求连杆能 若干空间 置态运动而实空间刚体的导；要求连杆某点能近似给空间曲线运动。 题和平fi连杆机构的合题相 ， 以平fi的 currency1理论可解析地推 空间刚体的导题和其运动合题。 “有利用机构 性 同条 设计程和采用优化技术 合。fi fl fl 平fi连杆机构 平fi连杆机构是 若干个刚性构 用平fi “连 构 的机构, 用 各种机械设。下工作fi的主要护设如: 护 、承 护 和 的 构 是用 、 连杆、 护和”相连 ,和 ,构 一个平fi连杆机构的。1和2 示为两种常用 一、构 。 平fi10长春理工大学光电信息学院连杆机构的要求 实际受力状态非常复 ,常受 非称载荷的能,保 横向 性和 体刚性分 要。 为 力构 ,不具有承受大横向载荷的能力。 的横向载荷能靠 连杆机构承受。双 线机构又称 连杆机构,是 的主要 机构,其主要能是保证 的纵向和横向 性,承受和传递 载,保 的 体刚 。基 素, 平fi连杆机构的要求是:(1) 点的运动轨迹近似为线,一般选择双 线型,以 ；(2) 的最大和最 高 之差称为 高 围, 高 围 合要求；(3) 变化70100mm,最好控制 3050mm；(4)为保 的 ,一般 控制 动 3080mm；(5)连杆机构的时变化 心O 尽量 近平fi,使 护时运.平fi连杆机构 若干构 通过 “（铰链currency1）连 而 的机构。 构 状多 杆状， 以称连杆机构。平fi连杆机构的 点 （fi）能多种运动的 ；（ ）构 之间连 是fi ， fi 的 力 ，可以承受大载荷；（）两构 fi是圆 ficurrency1平fi，制造 ；（）连 的间造 的 误差大；（ ）连杆机构运动时产生惯性力，不用 高速合。平fi连杆机构的 用 各种机器和 器 ，例如金 工机 、起 运输机械、采机械、业机械、 通运输机械和 1.3 题 年代以来， 性的 机以及大气 使汽车的能 保性能日益 。 别 汽车密集、 通 的大 而 ，汽车 起造 的 燃机变工 （ 别是速、 速、 速）运是造 气排严 、 率高的主要 之一。混合动力驱动是 一状 的向之一传统机械 ，其传动 构 是固的，设计制造 其运动fi就再变， 种 然相 。然而， 时代的 来使 提高生产力的速 日 ，而 的消费为 个性化，产 的 、 型的速要求也 来 高。 的 景下，生产 求 种、大批量 变为多 种、批量，传统机构 而 来 难以 求。混合驱动机构又称为变 构机构，不是传统 的机构，而是一种 机构。它是通过 机currency1PLCfl 电机驱动控制，配合主驱动同作用实设计要求。传统机构相，其优点 :零部 不必 变，维护费用降； 设计要求的变化， 编程更零 、 ；机电一体化的控制可以更 速地响 求的变化。连杆机构具有为 的用性，文主要混合驱动连杆机构设计。为 验动载荷系统的影响 验三维复合 用 构 的可性，文将采用金 、尼龙棒、 棒和三维编 复合 制作 系统一。 机构性量大 fl 电机驱动率的影响，文将 11长春理工大学光电信息学院种 一 实验，验证轻质 提高系统控制 的益。而三维复合 目 用基是作为 构 ，很 作为运动 。文将三维复合 作为运动 的可性，为 的相打下初基础。同时，目 混合驱动连杆机构fl 运动控制控制性能不状，文将有的混合驱动机构的控制系统 ，提高控制系统性能及运动控制 。之， 题的 将为 型机械的提 实的基础，为速 国机械的产业 、 代化机械制 一 献； ， 题 合型复合 技术，体机械 学科 叉， 是 题的一大 点。1.4 题的 和实目标 题的 和目标主要 括以下 个fi:其一，混合驱动机构的系统协 控制。完 相 系统的设计配置；控制系统 ， 完 。其 ，不同 制作的连杆机构，实验，察轻质 系统控制性能的影响。其三，完 实验 的设计制作，使其满足给输 要求，采用不同构 的系统实验。12长春理工大学光电信息学院参文献(1) 张 华，张策，田汉民。混合驱动机械系统模的理论 据. 机械科学技术， 2001 (6 ) : 857-859(2) L. 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The Design of FlexibleRobotic Manipulators with Optimal Arm Geometries FabricatedThree-Dimension Braided Composite with Optimal Material Properties. J.XIANGTAN MIN. INST, 2000(2): 23-28(48)蔡敢为 . 三维编 复合 空心断fi的 尼分析. 湘潭业学院学报，2000 (1): 37-42(49)蔡敢为 . 三维编 复合 弹性性能的 观力学分析. 湘潭业学院学报，1999 (1): 58-61(50)蔡敢为 . 三维编 复合 杆 的刚 尼分析. 机械 ，1999(1):18-21)陆俊华 . 两三维编 复合 的刚 计 . 华 理工大学学报，1998( 刊):38-4015长春理工大学光电信息学院章混合驱动连杆的 合驱动机构是一个多自 机构，同时采用实时不可控电机(常电机)和实时可控电机(伺服电机)作为其动力源。 型的混合驱动曲 连杆机构如2-1 示。 可，机构是两自 机构。主电机驱动AB杆以固运动fi(通常为速) 动，fl 电机通过currency1“将复 动变为动 以fi 变杆长l，可使杆DE的输 运动能准 实给运动fi。 题 的混合驱动连杆机构据2-1的机构 型设计工而 ，各尺寸如下:a=40 mm, b = 390.2 mm, d=400 mm, e = 69.4 mm, = 8.80。题 用实验 的系统 构如2-2 示。其 ，主电机1有变速器驱动，过 2和传动大 3速，驱动主4及曲 5。曲 5(杆a)采用偏心，通过主 6动连杆7(杆b)，再 “ 8动连杆9(e杆)，而9杆10杆(杆l)为currency1“连 ，10杆为滚珠丝杠，fl 电机11的固 ；fl16长春理工大学光电信息学院电机的 为 的，其 托 12连 ，托 动13通过 固，的另一 可 负载15。主的一 有光电 生器14a13为输 ，通过fl 电机 l杆长 的实时变化，使13的输 运动实给运动fi。13 有电 计，通过 量电 计的电 变化，一个 将其 为 输 曲线。系统主要 构 如下:1.主电机 电机厂生产的1.5 三相电动机一 。2.fl 电机及驱动器下 MINAS 伺服电动机一 。 矩:2.4N.最大 矩:6.9N.型 :MSM082A1；率:750W；m； 速:3000r1/nin；最高 速:驱动器型 :MSD083A1X，电机自 量编 器，分 率为2500P/ro3.主电机光电编 器MEMICON光电编 器一个。型 :OVW-06-2MC；分 率:600PPR；最大响 率 :200KUz.； 驱动:集电输 ；最高 速:5000r/minx4. 机及 器AEDKS 196 器及UPH552用 系统一 。自作 LCA for DOS一 。给输 曲线为 实验 ，文选 论文24和论文25相同的输 曲线。2.1.3实验 三维造型次设计 ，运用 三维设计 SolidWorks实验 实体造型，机构运动的fi和 性起 很大的 。实验 设计 ，用SolidWorks 将 个实验 三维实体 征造型，大 机 垫圈，而可以很观地观察实验 的各部 以及它们相互间的系。同时 制造目的，实验 爆炸动 ，可以将常 要的 配体 的零部 分离以地分析它们之间的相互系。2-4是 个 配17长春理工大学光电信息学院体，2-5是爆炸。2.2 混合驱动连杆机构运动分析混合驱动连杆机构设计 ，机构运动分析是必不可 的。 混合驱动机构是多自 机构，运动分析计 量大，尤其是优化设计时 要优化杆 长 ，计 量更大。 MATLAB 是一个为科学工程计 而专门设计的高 互的。 MATLAB 境集 的 ，是一个可以完 各种复 计和实科学 据可 化的 使用和理解的工具 。 MATLAB 具有大的 计 能力，完 的理和高率的编程能力，已被 用 涉及分析的各种领域的理论和工程设计 。文采用 MATLAB 如2-3 示的给输 曲线，混合驱动连杆机构的运动分析，要 系统界fi的文编辑框 输入各杆长、初始 和AB杆 速，可 速输 杆长l、速 l1、速 l2和 、 速 1、 速 2 的变化fi曲线。不”计 速 、界fi友好，而采用曲线输 的使设计 更观，评 优化设计案时更 。2. 2. 1机构运动 学模型首将2-2 示机构 化为矢量2-6，曲 长 为a，连杆长 为b，机长 为d， 摇杆长 为 下e2+l2，以曲 连杆线时的 置为初始 置。曲 机 为， DE杆机 水平向的初始 为，曲 为18长春理工大学光电信息学院19长春理工大学光电信息学院用 输入初始 据:杆长a, b, d, e和曲 机 Po，可l、速 1速 l分析，分析 以曲线的显示 界fi 。界fi 同时显示给运动fi的 、速 、速 曲线。2. 2. 3程 编制完 界fi的 观设计 ， 要编写程 代 实界fi的能。程 运速 和编程的性，将 分析、速 分析和速 分析 一个回 。限 篇， 里”列 程。用 入界fi作时，首点击“输 曲线” 钮，左 的框 可 制 给输 曲线；其 ，据用 机构参 次输入各杆杆长、初始 置和主电机 速 ；最 ，分别点击“ 分析”、“速 分析”、“速 分析”钮，各框 就 制 相 曲线。20长春理工大学光电信息学院2-8 程2. 2. 4示例混合驱动连杆机构设计要求输 运动准 实给运动fi，=，以满足2-1示例。2-7为混合驱动连杆机构a=40mm, b=390.2mm. d=400mm, e=69.4mm= 8.8。 =24rad/s 时，杆长l及其变化速 速 和 =及其 速 速 变化fi曲线。2. 2. 5 论运用 MATLAB 混合驱动连杆机构运动分析，界fi友好，计 速 ，以曲线输 更观， 设计人员案分析和评。参文献(52)薛宇. 科学运 语 MATLAB5.3程 设计 用. 北京:清华大学 版李燕。2000(53) MATL.AB 境下 平fi 杆机构的运动分析系统. 机械 用， Vo1.15 , 2002 (4)21长春理工大学光电信息学院三章 伺服 动控制系统如一章 ，要使输 甲=甲，甲满足给运动曲线，杆长l就 为 P 的 ，也就是说， fl 电机控制杆长Z 照一章计 的/曲线运动， 主电机动的主 实时变化，就可以准 实给输 ，就构 动控制系统。正 为 题采用 伺服 动控制系统，要求电机 实时 ， 要求有 的 速 和高的 。 ， 控制系统和控制有着高的要求。章主要讨论控制系统和控制的选择， 采用 MATLAB 提 的SIMIJLIIVK 工具 控制系统的 。3.I 伺服系统的 着率电子技术及 电子技术的迅速 ， 别是 理器 工业 卓有的 用， 伺服系统的及其 用 迅猛地 。3. 1. 1“ 伺服”时代理器最初 用 伺服系统，使其 置 实 控制。 1983年左右，速 也始采用 机控制，实 化。198年 ，电 也始 机的 控制。 别是1984年六 机推 ，高性能 伺服系统更以惊人的速 向 推。 1988年， 化的 伺服系统始 ， 付诸 用。使用 机作为控制运 工具，用 构 能化控制， 以代 伺服系统一 很 入 的“ 伺服”时代。 控制不同 一般 念的控制。其 点是:能地实各种运 、控制；可实实时 ，控制参可 变， 而可 模 难以实的 能；可灵活 不同类型的电机；有利 代控制理论的 用；可 型轻量化 。可以 ，“ 伺服”是代 伺服系统的必然 。3.1.2信息的高速理化“ 伺服”的一个 要 征是其性能 机的性能。 电 信息的理速 个系统的响 。代 伺服系统响 可达 。 一 标明，高性能的 伺服要求有高性能、高速 的电 理。 可 ， 着高 、高性能、高速 要求的日益 长，伺服系统 部的信息理也将 之高速化。3. 1. 3 元 日完 周，伺服系统的性能 很大程 元 的质量有。“ 伺服”理 然地要求速 、 置 电 信息是 的。而 着使用的CPU的高性能化， 信息的分 率也必将 之提高。3-1可以 ， 用的 种速 及 置 元 各有其优缺点。代 伺服系统的要求 ， 元 不是最理 的，据文 系统的 点， 们选择 量编 器。22长春理工大学光电信息学院3. 1。4控制的高要求伺服具有很大的灵活性， 以各种可能的有 伺服系统 、性能的代控制理论的 用 可 具体的体。目 一种最为有而又为 的控制就是采用 控制。 ，代 伺服系统虽然 的时间 ，但它的 速 是惊人的，已 来 明显的优。 ，大多 达工业国家 的伺服系统 置 采用 伺服系统。3.2 控制系统类型选择. 置伺服系统一般是以足的 置控制 ( )、 置 ( 置 误差)和足 的 速 作为系统的主要控制目标 5403. 2. 1 置伺服系统基置伺服系统有 种基:1. 置伺服系统 置伺服系统 有 置 ，其伺服机构 照 置 的 置动，驱动机械部 作相 的运动，但 不机械部 的实际 量currency1 ，而也将其 。 系统的 置 能 靠伺服机构 的传动 来保证。 型的 置伺服系统如-1 示。缺点: 置伺服系统的 置控制 完 电机的布 和、丝杠 传动部 的 。若传动链存 误差，系统是 时修正的。优点: 构 、造 、 试 。2. 置伺服系统23长春理工大学光电信息学院置伺服系统具有 置 和 ，其 置 器伺服电动机同相连，可 电动机 的 ，而推 机构(如工作 )的实际 置。 置 器不是 机械， 置 能控制 电机为 ，称为 。 型的 置伺服系统如3-2 示。缺点:能间 地 置信息，难以 时修正currency1消除电动机 传动链误差起的 置误差。优点: 置控制 高( 可达 量)，实 ，通用性，非线性 素 ， 试 。3. 置伺服系统置伺服系统的 置 器 安 工作 ，而可以 工作 实际 置的 信息，通过 实高 的 置控制。 型的 置伺服系统如3-3 示。优点:可以实时 工作 实际 置，控制 高。缺点: 机械 传动链 置 ，伺服部分的电气自动控制 机械不再 ，传动的间、 性的非线性、传动链的刚性 影响控制系统的 ， 产生机电 和 速 。同时，工作 的负载变化也 系统的 性、机械惯量 产生影响，造 系统 难。 ， 机械传动链部分被 置 ， 置 器的设计就不 不 部分机械的传输 性，而机械的 性不同影响伺服系统的通用性。4.混合 置伺服系统混合 置伺服系统 同时存 和 ，两者同作用， 型的混合 系统如3-4 示。优点:系统工作时， 起主要控制作用。 电气自动控制部分 机械相互 ，可以采用高的 置 益，使系统 、响 、误差 ；而 用 态误差 ， 置 益可选 ，以保证系统的 性。两者 合可 高的 置控制 和 速 。24长春理工大学光电信息学院缺点:系统 存 两个 ，使控制复 程 大大 ，它们之间的配合、益 必 ，伺服系统也不再具有通用性。3. 2. 2 置伺服系统选择基 以分析， 系统 ，通过采用的控制策略可以达 高的 ； 系统的 非线性 素 ，实 ， ；另 ， 题的目的之一 混合驱动连杆机构的实验平 ，以 多相实验， 而系统的通用性要求高，而 正是 系统的另一大优点。， 题选 置伺服系统。3.3 控制选择3. 3. 1基控制控制的选择 系统提高控制性能来说 要。最常 的控制 括:Pm控制、最 控制、模控制 551.PID控制PID 器的输 是其输入的例、 分、 分的 。PLD控制 用 围最 ，技术最 ，其控制 构 ，参 ，不必求 被控的 学模型可以 。为 提高PID控制的 质，又 很多非标准的PID，例如不完 分的Pal 、 分分离的PTD 、变速 分的PID 、区的Pm 和PID率控制 。PID控制的 技术是参 的 ，选用的例系 、 分时间、 分时间和采 周期。2最 控制自动 系统 ，偏差存 时， 是 系统能尽 地消除偏差，使输输入变化；currency1者 有限的 个采 周期 可达 平衡。最 控制实际是时间最优控制。 ，最 动系统的设计任currency1就是设计一个 器，使系统 达 时 要的采 周期最 ，而系统 采 点的输 能准 地输入信 ，不存 差。任 两个采 周期 间的过程不作要求。3.模控制模控制理论1965年 一次被提 ，1974年英国Mamdani使用Fuzzy控制语 构 的控制器控制“和汽机，标着Fuzzy控制的fi生。模集合的入，可将人的判断、fl维过程用 的 学 达 来，而复 系统 合 实际的、 合人类fl维的理 为可能。模控制不”用 模 型 变量系统，而 向大模、非线性复 系统。 实的控制系统来 ，它具有 、输 量连、可靠性高、能 专家作的良好自动化 优点。3. 3. 2控制选择三者来 ， PID控制 ，是足 连系统PID 器的设计，25长春理工大学光电信息学院然 用计 机模 。 种一般的 系统完 可，但 题的系统系统，PID控制必能 满 的 。而模控制器的 态控制 和 性能差，要提高基模控制器的 和 性能，就必语 变量 更多的语 ，分 ，性能 好，但同时来的缺点是 和系统的计 量也大大地 ，以 模控制也更难把， 试更 难，currency1者不能满足实时控制的要求。最 控制系统输入信 的变 能力差，输 响 保证采 点的误差为零，不能 保采 点之间的误差 为零。也就是说， 最 系统 ，系统的输 响 采 点之间有 存 。输 不” 造 误差，而 消 机构驱动率， 机械。 题的系统 动控制系统，要求输 尽 输入变化， 速 和 要求很高， ，最 控制系统最 合 们的要求。最 系统存 的题，通过设计最 控制系统可解 。 ，文选用最 控制。3.4 最 控制系统的设计 3. 4. 1系统 动态 构混合驱动连杆机构如3-5 示， 置控制系统的基 如-6 示。伺服电机自的光电编 器 电机输 的 变化 ，将其作为负信 。电机通过联动滚珠丝杠 动，使currency1相滚珠丝杠产生 要求的运动fi而变化的 ，而可以控制连杆机构的输 运动实给输 。系统 置控制器的作用是，据 置给 置 之差， 预设计的最 控制fi控制 个系统的运，电机 严 变化