第五章 實(shí)驗(yàn)方案
實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的柔性速度補(bǔ)償裝置是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求的最有力手段。
本章制定的實(shí)驗(yàn)方案是以驗(yàn)證前文的理論分析及仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)論是否一致，實(shí)驗(yàn)方案內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)平臺的搭建、子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理兩部分。
§5.1實(shí)驗(yàn)方案
對該柔性速度補(bǔ)償裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，能夠驗(yàn)證機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)的有效性，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問題或理論中某些缺陷，為系統(tǒng)優(yōu)化提供實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。
在本文中，以常速電機(jī)和微機(jī)控制的交流伺服電機(jī)為原動(dòng)機(jī)，與控制器，以及柔性速度補(bǔ)償裝置機(jī)構(gòu)為實(shí)驗(yàn)載體，輔以檢測系統(tǒng)，建立了柔性速度補(bǔ)償裝置的主動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
5.1.1試驗(yàn)平臺的搭建
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括柔性速度補(bǔ)償裝置的機(jī)械執(zhí)行子系統(tǒng)、微機(jī)控制子系統(tǒng)及傳感檢測子系統(tǒng)三部分。
試驗(yàn)平臺模型示意圖采用三維繪圖軟件Pro／E繪制。
PRo/E是CAD/CAM/CAE領(lǐng)域的一個(gè)三維圖形軟件，在機(jī)械、電子、航空、航天、郵電、兵工、紡織等各行各業(yè)都有應(yīng)用。
PRO/ENGINEER軟件包的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境支持并行工作，它通過一系列完全相關(guān)的模塊表述產(chǎn)品的外形、裝配及其他功能，包括對大型項(xiàng)目的裝配體管理、功能仿真、制造、數(shù)據(jù)管理等。
如圖5-1所示為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)機(jī)械部分的模型圖片，為了顯示清楚，沒有配置外邊的機(jī)箱，整個(gè)機(jī)構(gòu)是完全開放式的，這樣也便于實(shí)驗(yàn)觀察。該機(jī)械結(jié)構(gòu)由上下兩個(gè)機(jī)架支撐，和前面的原理圖不同，下邊機(jī)架上放置昆旋導(dǎo)軌構(gòu)件（未顯示伺服電機(jī)），上邊機(jī)架則是上圖所示的其余連桿機(jī)構(gòu)及其支撐架、軸承等（未顯示常速電機(jī)）。
基于圖5-1所示機(jī)構(gòu)，配置伺服驅(qū)動(dòng)裝置、傳感器以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，獲得該柔性速度補(bǔ)償裝置的原型，如圖5-2所示。
圖中比較完整的顯示了整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，主要由兩部分組成：機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，機(jī)械系統(tǒng)如上圖5-1所示，控制部分由信息處理系統(tǒng)分和檢測系統(tǒng)組成。信息系統(tǒng)包括工控機(jī)，圖中1所示，數(shù)據(jù)采集卡及數(shù)／模、模／數(shù)轉(zhuǎn)換器等，圖中未顯示，以及伺服電機(jī)，圖中6所示。檢測系統(tǒng)主要是傳感器，它們和各輸入輸出軸相連。
根據(jù)功能，又可將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)劃分為中央控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、兩自由度連桿機(jī)構(gòu)系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、接口元件和能源等若干子系統(tǒng),如表5-1所示。
表5-l實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成
| 系統(tǒng)名稱 |
一級子系統(tǒng) |
功能 |
二級子系統(tǒng) |
功能 |
柔性
速度
補(bǔ)償
裝置
控制
實(shí)驗(yàn)
系統(tǒng) |
中央控制系統(tǒng) |
總體調(diào)度 |
工控機(jī) |
1.控制算法的執(zhí)行
2.控制伺服驅(qū)動(dòng)器
3.采集檢測元件信號
4.數(shù)據(jù)處理 |
| 控制柜 |
1.電源及接口線路轉(zhuǎn)接
2.伺服系統(tǒng)狀態(tài)信息。 |
| 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) |
驅(qū)動(dòng)并控制
伺服電機(jī) |
伺服驅(qū)動(dòng)器 |
1.接受上位控制系統(tǒng)指令控制
交流伺服馬達(dá)
2.向中央控制系統(tǒng)反饋伺服
系統(tǒng)狀態(tài)信息。 |
| 交流伺服馬達(dá) |
驅(qū)動(dòng)兩自由度連桿機(jī)構(gòu) |
| 光電編碼器 |
馬達(dá)軸位置檢測與反饋 |
兩自由度連
桿機(jī)構(gòu)系統(tǒng) |
實(shí)驗(yàn)載體 |
第一輸入 |
常速電機(jī)驅(qū)動(dòng)提供主運(yùn)動(dòng) |
| 第二輸入 |
伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，螺旋機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)
化旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為往復(fù)運(yùn)動(dòng) |
| 輸出軸 |
從動(dòng)件 |
| 機(jī)架 |
支撐 |
| 檢測系統(tǒng) |
狀態(tài)檢測 |
編碼器 |
常速電機(jī)、伺服電機(jī)、輸出軸速度檢測 |
| 接口元件 |
負(fù)責(zé)中央控
制系統(tǒng)與其
他系統(tǒng)之間
的信息交換 |
D/A轉(zhuǎn)換器 |
將工控機(jī)發(fā)出的數(shù)字指令轉(zhuǎn)
換為模擬電壓輸送至伺服驅(qū)
動(dòng)器 |
| A/D轉(zhuǎn)換器 |
將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送
至工控機(jī) |
| |
|
數(shù)據(jù)采集卡 |
采集編碼器的數(shù)據(jù) |
| 能源 |
供電 |
380V市電 |
為工控機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器等提供電源 |
| 電源變壓器 |
將380V交流電變?yōu)樗欧?qū)
動(dòng)器所需165V交流電 |
| 軟件Labview |
編程計(jì)算 |
|
|
在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，工控機(jī)構(gòu)成上位控制器，是數(shù)字控制器；伺服驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成下位控制器，是模擬控制器。因此，組成了一個(gè)數(shù)字與模擬混合控制的速度控制系統(tǒng)。
實(shí)驗(yàn)的工作程序?yàn)椋?br>
1.預(yù)處理：工控機(jī)將已計(jì)算完成預(yù)初值數(shù)據(jù)調(diào)入內(nèi)存，根據(jù)采樣周期作插分計(jì)算將轉(zhuǎn)速函數(shù)離散化。
2.初始化：初始化數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)／模、模／數(shù)轉(zhuǎn)換器等。
3.控制及采集：在每一采樣周期開始時(shí)刻，工控機(jī)發(fā)出電機(jī)轉(zhuǎn)速一脂令，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器作D/A變換后輸出。伺服驅(qū)動(dòng)器接受指令后，進(jìn)行計(jì)算后驅(qū)動(dòng)電機(jī)。在每一采樣周期中，工控機(jī)將依次采集三路信號，讀取這些數(shù)據(jù)。
4.數(shù)據(jù)處理：(l）微機(jī)將電機(jī)位置信號作數(shù)值微分求得電機(jī)轉(zhuǎn)速。（2）微機(jī)用數(shù)字濾波程序?qū)⒓铀俣刃盘栕鳛V波、數(shù)值積分等處理。如圖5-3所示為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成原理圖：
5.1.2子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理
(l）中央控制系統(tǒng)
中央控制系統(tǒng)包括微機(jī)及控制柜，負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總體調(diào)度與控制。
(2）伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括伺服驅(qū)動(dòng)器、交流伺服馬達(dá)及光電編碼器，伺服電機(jī)是該控制系統(tǒng)的關(guān)鍵執(zhí)行元件。伺服電機(jī)是控制電機(jī)的一種，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中是一類小功率電機(jī)，用于信號的檢測、變換和傳遞，作執(zhí)行元件或信號元件。伺服電動(dòng)機(jī)把輸入的電壓信號變換成轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度輸出，改變輸入電壓信號可以變更伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。相比較于普通電機(jī)伺服電機(jī)具有寬廣的調(diào)速范圍，機(jī)械特性和調(diào)速特性均為線性，無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，（控制電壓降到零時(shí)，伺服電機(jī)能立即自行停轉(zhuǎn)），快速響應(yīng)好等特性。
經(jīng)過分析比較，和一些老師的建議，交流伺服電機(jī)準(zhǔn)備選用四通電機(jī)（6OCB04OC）型號的。
(3）兩自由度連桿機(jī)構(gòu)
首先將原來的原理圖轉(zhuǎn)換成以下的機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖（僅部分轉(zhuǎn)換），如圖5-4，即原來2、3構(gòu)件之間是滑塊和連桿連接，現(xiàn)改為連桿、套筒改為加一個(gè)擺動(dòng)軸結(jié)構(gòu)，原來滑塊3和地面連接，容易形成過約束，改為加一個(gè)擺動(dòng)軸承4來和地面、套筒來連接。擺動(dòng)軸承內(nèi)芯相當(dāng)于一個(gè)球副，其轉(zhuǎn)動(dòng)中心必為內(nèi)芯的球心，當(dāng)然也是整個(gè)擺動(dòng)軸承的中心。這樣便于加工查和實(shí)驗(yàn)實(shí)施，而且更重要的是可防止原來原理圖中桿件連接出形成過約束。
經(jīng)過適當(dāng)修改后的，機(jī)構(gòu)具有更好的運(yùn)動(dòng)特性，機(jī)械部分整體模型如圖5-7所示：
（4）檢測元件
檢測系統(tǒng)由微機(jī)、檢測元件和接口元件組成。檢測系統(tǒng)對柔性速度補(bǔ)償裝置中運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行檢測，為控制器提供數(shù)據(jù)。檢測元件的參數(shù)這里沒有給出，因?yàn)樵S多元件還不是很確定，一些功能還不了解。
§5.2本章小節(jié)
實(shí)驗(yàn)方案以微機(jī)控制的交滾伺服電機(jī)為原動(dòng)機(jī)之一與控制器、以兩自由度連桿機(jī)構(gòu)為實(shí)驗(yàn)載體，輔以檢測系統(tǒng)，建立了一個(gè)柔性速度補(bǔ)償裝置控制的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
該產(chǎn)驗(yàn)系統(tǒng)在硬件、軟件等方面均作了詳細(xì)的研究，尤其硬件方面，參考了一些其他著者的文獻(xiàn)，但是因?yàn)闆]有做到實(shí)施實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)，所以實(shí)驗(yàn)結(jié)果無法看到，這是本課題最大的遺憾。
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