實驗方案
實驗是驗證所設(shè)計的柔性速度補償裝置是否達到設(shè)計要求的最有力手段。
本章制定的實驗方案是以驗證前文的理論分析及仿真結(jié)果和實驗結(jié)論是否一致，實驗方案內(nèi)容包括實驗平臺的搭建、子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理兩部分。
§5.1實驗方案
對該柔性速度補償裝置進行實驗研究，能夠驗證機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、運動設(shè)計的有效性，發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題或理論中某些缺陷，為系統(tǒng)優(yōu)化提供實驗指導(dǎo)。
在本文中，以常速電機和微機控制的交流伺服電機為原動機，與控制器，以及柔性速度補償裝置機構(gòu)為實驗載體，輔以檢測系統(tǒng)，建立了柔性速度補償裝置的主動控制實驗系統(tǒng)。
5.1.1試驗平臺的搭建
實驗系統(tǒng)包括柔性速度補償裝置的機械執(zhí)行子系統(tǒng)、微機控制子系統(tǒng)及傳感檢測子系統(tǒng)三部分。
試驗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)域的一個三維圖形軟件，在機械、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所示為實驗系統(tǒng)機械部分的模型圖片，為了顯示清楚，沒有配置外邊的機箱，整個機構(gòu)是完全開放式的，這樣也便于實驗觀察。該機械結(jié)構(gòu)由上下兩個機架支撐，和前面的原理圖不同，下邊機架上放置昆旋導(dǎo)軌構(gòu)件（未顯示伺服電機），上邊機架則是上圖所示的其余連桿機構(gòu)及其支撐架、軸承等（未顯示常速電機）。
基于圖5-1所示機構(gòu)，配置伺服驅(qū)動裝置、傳感器以及計算機控制系統(tǒng)，獲得該柔性速度補償裝置的原型，如圖5-2所示。
圖中比較完整的顯示了整個實驗系統(tǒng)，主要由兩部分組成：機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，機械系統(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，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，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，又可將實驗系統(tǒng)劃分為中央控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、兩自由度連桿機構(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實驗系統(tǒng)組成
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系統(tǒng)
名稱 |
一級子系統(tǒng) |
功能 |
二級子系統(tǒng) |
功能 |
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柔性
速度
補償
裝置
控制
實驗
系統(tǒng) |
中央控制
系統(tǒng) |
總體調(diào)度 |
工控機 |
1.控制算法的執(zhí)行
2.控制伺服驅(qū)動器
3.采集檢測元件信號
4.數(shù)據(jù)處理 |
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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。 |
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伺服驅(qū)動
系統(tǒng) |
驅(qū)動并控制
伺服電機
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伺服驅(qū)動器 |
1.接受上位控制系統(tǒng)指令控制
交流伺服馬達
2.向中央控制系統(tǒng)反饋伺服
系統(tǒng)狀態(tài)信息。 |
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交流伺服馬達 |
驅(qū)動兩自由度連桿機構(gòu) |
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光電編碼器 |
馬達軸位置檢測與反饋 |
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兩自由度連
桿機構(gòu)系統(tǒng) |
實驗載體
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第一輸入 |
常速電機驅(qū)動提供主運動 |
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第二輸入 |
伺服電機驅(qū)動，螺旋機構(gòu)轉(zhuǎn)
化旋轉(zhuǎn)運動為往復(fù)運動 |
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輸出軸 |
從動件 |
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機架 |
支撐 |
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檢測系統(tǒng) |
狀態(tài)檢測 |
編碼器 |
常速電機、伺服電機、輸出軸速度檢測 |
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接口元件 |
負責(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)
動器 |
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A/D轉(zhuǎn)換器
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將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送
至工控機 |
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數(shù)據(jù)采集卡 |
采集編碼器的數(shù)據(jù) |
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能源 |
供電 |
380V市電 |
為工控機、伺服驅(qū)動器等提供電源 |
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電源變壓器 |
將380V交流電變?yōu)樗欧?qū)
動器所需165V交流電 |
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軟件Labview |
編程計算 |
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在實驗系統(tǒng)中，工控機構(gòu)成上位控制器，是數(shù)字控制器；伺服驅(qū)動器構(gòu)成下位控制器，是模擬控制器。因此，組成了一個數(shù)字與模擬混合控制的速度控制系統(tǒng)。
實驗的工作程序為：
1.預(yù)處理：工控機將已計算完成預(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刻，工控機發(fā)出電機轉(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)動器接受指令后，進行計算后驅(qū)動電機。在每一采樣周期中，工控機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）微機將電機位置信號作數(shù)值微分求得電機轉(zhuǎn)速。（2）微機用數(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所示為實驗系統(tǒng)的組成原理圖：
<, /P>
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)包括微機及控制柜，負責(zé)實驗系統(tǒng)的總體調(diào)度與控制。
(2）伺服驅(qū)動系統(tǒng)
伺服驅(qū)動系統(tǒng)包括伺服驅(qū)動器、交流伺服馬達及光電編碼器，伺服電機是該控制系統(tǒng)的關(guān)鍵執(zhí)行元件。伺服電機是控制電機的一種，在自動控制系統(tǒng)中是一類小功率電機，用于信號的檢測、變換和傳遞，作執(zhí)行元件或信號元件。伺服電動機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機的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。相比較于普通電機伺服電機具有寬廣的調(diào)速范圍，機械特性和調(diào)速特性均為線性，無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，（控制電壓降到零時，伺服電機能立即自行停轉(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，交流伺服電機準備選用四通電機（6OCB04OC）型號的。
(3）兩自由度連桿機構(gòu)
首先將原來的原理圖轉(zhuǎn)換成以下的機構(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、套筒改為加一個擺動軸結(jié)構(gòu)，原來滑塊3和地面連接，容易形成過約束，改為加一個擺動軸承4來和地面、套筒來連接。擺動軸承內(nèi)芯相當于一個球副，其轉(zhuǎn)動中心必為內(nèi)芯的球心，當然也是整個擺動軸承的中心。這樣便于加工查和實驗實施，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)過適當修改后的，機構(gòu)具有更好的運動特性，機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、檢測元件和接口元件組成。檢測系統(tǒng)對柔性速度補償裝置中運動參數(shù)進行檢測，為控制器提供數(shù)據(jù)。檢測元件的參數(shù)這里沒有給出，因為許多元件還不是很確定，一些功能還不了解。
§5.2本章小節(jié)
實驗方案以微機控制的交滾伺服電機為原動機之一與控制器、以兩自由度連桿機構(gòu)為實驗載體，輔以檢測系統(tǒng)，建立了一個柔性速度補償裝置控制的實驗系統(tǒng)。
該產(chǎn)驗系統(tǒng)在硬件、軟件等方面均作了詳細的研究，尤其硬件方面，參考了一些其他著者的文獻，但是因為沒有做到實施實驗的目標，所以實驗結(jié)果無法看到，這是本課題最大的遺憾。
