第五章 實驗方案
實驗是驗證所設計的柔性速度補償裝置是否達到設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果和實驗結論是否一致，實驗方案內(nèi)容包括實驗平臺的搭建、子系統(tǒng)的結構和原理兩部分。
§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)、運動設計的有效性，發(fā)現(xiàn)設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。
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，整個機構是完全開放式的，這樣也便于實驗觀察。該機械結構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軌構件（未顯示伺服電機），上邊機架則是上圖所示的其余連桿機構及其支撐架、軸承等（未顯示常速電機）。
基于圖5-1所示機構，配置伺服驅動裝置、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)、伺服驅動系統(tǒng)、兩自由度連桿機構系統(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
| 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.控制伺服驅動器
3.采集檢測元件信號
4.數(shù)據(jù)處理 |
| 控制柜 |
1.電源及接口線路轉接
2.伺服系統(tǒng)狀態(tài)信息。 |
| 伺服驅動系統(tǒng) |
驅動并控制
伺服電機 |
伺服驅動器 |
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。 |
| 交流伺服馬達 |
驅動兩自由度連桿機構 |
| 光電編碼器 |
馬達軸位置檢測與反饋 |
兩自由度連
桿機構系統(tǒng) |
實驗載體 |
第一輸入 |
常速電機驅動提供主運動 |
| 第二輸入 |
伺服電機驅動，螺旋機構轉
化旋轉運動為往復運動 |
| 輸出軸 |
從動件 |
| 機架 |
支撐 |
| 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 |
| 接口元件 |
負責中央控
制系統(tǒng)與其
他系統(tǒng)之間
的信息交換 |
D/A轉換器 |
將工控機發(fā)出的數(shù)字指令轉
換為模擬電壓輸送至伺服驅
動器 |
| A/D轉換器 |
將模擬信號轉換為數(shù)字量送
至工控機 |
| |
|
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、伺服驅動器等提供電源 |
| 電源變壓器 |
將380V交流電變?yōu)樗欧?br>
動器所需165V交流電 |
| 軟件Labview |
編程計算 |
|
|
在實驗系統(tǒng)中，工控機構成上位控制器，是數(shù)字控制器；伺服驅動器構成下位控制器，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.預處理：工控機將已計算完成預初值數(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)出電機轉速一脂令，經(jīng)數(shù)模轉換器作D/A變換后輸出。伺服驅動器接受指令后，進行計算后驅動電機。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)值微分求得電機轉速。（2）微機用數(shù)字濾波程序將加速度信號作濾波、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：
5.1.2子系統(tǒng)的結構和原理
(l）中央控制系統(tǒng)
中央控制系統(tǒng)包括微機及控制柜，負責實驗系統(tǒng)的總體調(diào)度與控制。
(2）伺服驅動系統(tǒng)
伺服驅動系統(tǒng)包括伺服驅動器、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速及轉向。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，無自轉現(xiàn)象，（控制電壓降到零時，伺服電機能立即自行停轉），快速響應好等特性。
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
首先將原來的原理圖轉換成以下的機構結構圖（僅部分轉換），如圖5-4，即原來2、3構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構，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，所以實驗結果無法看到，這是本課題最大的遺憾。
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