三軸轉(zhuǎn)臺仿真設計

1、三軸轉(zhuǎn)臺仿真設計三軸轉(zhuǎn)臺仿真設計摘要目錄3三軸轉(zhuǎn)臺仿真設計三軸轉(zhuǎn)臺仿真設計Abstract1緒論51.1 引言51.2國外研究狀況51.3國內(nèi)研究狀況52三軸轉(zhuǎn)臺的機械設計 72.1三軸轉(zhuǎn)臺的概述72.1.1三軸轉(zhuǎn)臺的性能指標 72.1.2三軸轉(zhuǎn)臺工作原理概述 72.1.3伺服驅(qū)動電機的選擇與計算 72.1.4直流力矩電機的計算分析 112.1.5 框架的選材122.2轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)的設計132.2.1外環(huán)裝配示意圖 132.2.2 中環(huán)裝配示意圖142.2.3 內(nèi)環(huán)裝配示意圖142.2.4總裝配示意圖142.2.5零件示意圖143伺服系統(tǒng)的總體設計153.1伺服系統(tǒng)的組成153.2三軸轉(zhuǎn)臺的工作原

2、理 15三軸轉(zhuǎn)臺仿真設計3.3伺服系統(tǒng)硬件的選擇15331直流電機驅(qū)動器的選擇16173.3.2圓光柵編碼器 增量式Y(jié)GM506的選擇.3.3.3穩(wěn)壓器的選擇173.3.4軟件可編程器件的選擇 183.3.5 串口卡的選擇183.4 伺服控制系統(tǒng)的硬件接線圖 214三軸轉(zhuǎn)臺的運動仿真 224.1概述224.1.1 主要優(yōu)點224.1.2 研究復雜的實際情況 224.2三軸轉(zhuǎn)臺仿真過程20235結(jié)論256工作展望26參考文獻273三軸轉(zhuǎn)臺仿真設計摘 要航空、航天工業(yè)發(fā)展水平是一個國家科技、 經(jīng)濟及國防實力的重要標志。在航 空航天領(lǐng)域中，慣性導航和制導技術(shù)是一項核心技術(shù)，三軸轉(zhuǎn)臺是測試慣性元件及半

3、 實物仿真的重要非標設備，其性能的好壞直接影響仿真和測試的可靠性和置信度。三軸轉(zhuǎn)臺是以控制理論、相似理論、系統(tǒng)技術(shù)和信息技術(shù)為基礎，利用計算機和 專用物理設備為工具，為慣性導航和制導系統(tǒng)仿真試驗提供平臺的關(guān)鍵設備 11】。它能 夠復現(xiàn)空間質(zhì)心運動中的轉(zhuǎn)角、角速度、角加速度等物理指標。由此，可以在地面試 驗室中真實地模擬導彈、飛行器等在空中的各種飛行姿態(tài)，以對敏感元件、慣導系統(tǒng)、 執(zhí)行機構(gòu)等加以測試。將昂貴的實物試驗轉(zhuǎn)化為試驗室中可預測、可重復性研究， 為實物試驗提供充分的技術(shù)指標和試驗數(shù)據(jù)。本文先建模設計，對轉(zhuǎn)臺的機械結(jié)構(gòu)進行設計，并對一些標準件進行了選擇，主 要軸的設計，對一些裝配關(guān)系進行了

4、二維或者三維的建模。其次，對控制系統(tǒng)進行了分析和選擇， 包括電機的選型，驅(qū)動器的選型，編碼器 的選型，接口擴充的選型，以及相關(guān)元件的選型，詳細見附圖（電控圖）。其中搭建基本的硬件設備，采用軟件的控制方法，設置控制系統(tǒng)的各模塊選擇，實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺系統(tǒng) 的運行功能，完全實現(xiàn)對轉(zhuǎn)臺的控制。（尤其是角速度和角位移的測量是本系統(tǒng)成為 高精度轉(zhuǎn)臺仿真的關(guān)鍵性選擇之一）。關(guān)鍵詞：三軸轉(zhuǎn)臺 伺服系統(tǒng) 建模 直流電機4三軸轉(zhuǎn)臺仿真設計AbstractAviati on, aerospacei ndustry developme nt level is a n atio nal scie nee and tech no

5、 logy economy and an important symbol of national defense capabilities。 In aerospacefield, in ertial n avigati on and guida nee tech no logy is a core tech no logy three axis turn table is test ing in ertial comp onents and hardware-i n-the-loop simulatio n of importa nt non-sta ndard equipmen, who

6、will have a direct impact on the performanee of simulation and test reliability and con fide nee。The three-axis turntable is con trol theory the similarity theory and system tech no logy and in formatio n tech no logy as the foun dati on, based on the computer and special physical equipment for the

7、tool, for inertial navigation and provide the guidance systemsimulation experiment platform of key equipment。 It can reiteration the corner space centroid movement, angularvelocity and Angle acceleration physical parameters and so on Thus, can be in the ground in the lab, real simulation of missiles

8、, aircraft in the air each kind of etc, in order to flight attitude is sensitive components,inertial system, executive agencies to testo The real test will be expensive can predict into laboratory research and repeatability to provide adequatefor physical test the technical indexes and test data The

9、 real test will be expe nsive can predict into laboratory research and repeatability。provide adequate for physical test the tech ni cal in dexes and test dataThis paper first modeli ng desig n, stabilized the mecha ni cal structure desig n, and the choice of some standard, main shaft design, for som

10、e assembly relation of the two-dime nsional or three-dime nsio nal modeli ngSecon dly, to con trol system is an alyzed and opti on s, i ncludi ng motor selecti on, drive selecti on, en coder Selecti on, in terface expa nsion, and related comp onents selecti on of selection ( Detailed control chart i

11、s saw) One set of hardware equipments, adopts the basic control method, setting of the software of the control system, realize the turntable each module selection of system operation function, fully realize the control of turntableo(Especially, the angular velocity and angular displacement measureme

12、ntis this system become the key choose high one of simulatio n turntab)Key words: three-axis turn table Servo system modeli ng Dc motor1緒論1.1引言航空、航天以及航海事業(yè)的發(fā)展水平反映了一個國家的綜合國力，是經(jīng)濟發(fā)展水平、科技發(fā)展水平及軍事實力的綜合體現(xiàn)。這個領(lǐng)域的發(fā)展對于政治、國防、經(jīng)濟乃 至人民的生活都有著重要的意義。 而慣性導航及制導技術(shù)是航空、 航天、航海領(lǐng)域的 一項核心技術(shù)，早期的同步衛(wèi)星準確定位、航天飛機的成功發(fā)射、導彈的精確制導， 這都得益于高

13、水平的慣性導航和制導系統(tǒng)。而慣性導航與制導系統(tǒng)中的核心元件是陀 螺儀和加速度計，它們精度的高低將直接影響慣性系統(tǒng)的定位精度。仿真測試轉(zhuǎn)臺是航空航天領(lǐng)域中進行地面半實物實時仿真和測試的一種關(guān)鍵硬 件設備，它可在實驗室環(huán)境內(nèi)實時地復現(xiàn)飛行器在空中的動力學特性和各種飛行姿 態(tài)，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到仿真和測試實驗的逼真性和置信度 ，是最典型的測試 仿真設備。1.2國外研究狀況在國際上，由于慣性制導技術(shù)受到世界上技術(shù)先進國家和發(fā)展中國家的普遍重 視，所以美國、俄羅斯、英國、法國、瑞士、中國、印度等國都投入了大量的資金和 人力從事轉(zhuǎn)臺的研制。其中，美國的轉(zhuǎn)臺研究一直處于世界領(lǐng)先水平，其次，德國、 英國、

14、法國和瑞士等國研制的轉(zhuǎn)臺也具有一定代表性，性能和質(zhì)量僅次于美國。世界上的第一臺轉(zhuǎn)臺是1945年由美國麻省理工學院儀表實驗室研制成功的，定為A型轉(zhuǎn)臺，采用普通滾珠軸承，用交流力矩電機驅(qū)動，角位置測量元件采用滾珠與微 動開關(guān)，由于采用的元件精度比較低，加上沒有經(jīng)驗可以借鑒，該轉(zhuǎn)臺存在許多缺點， 精度也只能達到角分級，實際上沒有投入使用。隨后，美國的歐思一伊利諾斯公司的 菲克(Fecker)系統(tǒng)分公司又研制出了 T-800型伺服轉(zhuǎn)臺，它標志著美國的轉(zhuǎn)臺設計己經(jīng) 達到了一個新水平。六十年代開始對轉(zhuǎn)臺的重要部件如軸承、驅(qū)動馬達和監(jiān)測元件進 行了系統(tǒng)的改進，研制成功了專用于轉(zhuǎn)臺的空氣軸承和液壓軸承，大調(diào)速

15、比、高精度的液壓馬達和高分辨率的檢測元件， 把轉(zhuǎn)臺的技術(shù)水平推向了一個新臺階。同時誕生了一些專業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)臺的公司，如美國的CGC公司、Carco公司、德國的MBB公司等。 1.3國內(nèi)研究狀況我國的轉(zhuǎn)臺研制雖然比發(fā)達國家起步晚，但這些年來也取得了一定的成就，特別是近幾年來，轉(zhuǎn)臺的研制得到了很大的發(fā)展。目前，國內(nèi)也有很多研究機構(gòu)和高校在 從事轉(zhuǎn)臺的研究與開發(fā)，例如哈爾濱工業(yè)大學、中航303所、中船6354所、南京航空航天大學等。我國在20世紀60年代自主研發(fā)和制造了第一臺液壓飛行轉(zhuǎn)臺仿真, 為我國早期飛行器控制和制導系統(tǒng)的發(fā)展做出了巨大的貢獻。進入80年代后，我國將數(shù)字控制引入到了轉(zhuǎn)臺控制中， 用軟

16、件實現(xiàn)了復雜控制規(guī)律，參數(shù)調(diào)整也比模擬控制器方便，將我國的轉(zhuǎn)臺研究開發(fā) 帶入了一個新的時代。1990年，中航303所研制成功了 SGT 1型三軸捷聯(lián)慣導測試轉(zhuǎn)臺，這是我國第一臺計算機控制的高精度三軸慣導測試臺。進入90年代以來，轉(zhuǎn)這就對轉(zhuǎn)臺的設計和整定提出了更高臺的研制進入了數(shù)字和模擬的要求也越來越高, 的要求。圖1.3-1六自由度轉(zhuǎn)臺 #*圖1.3-23KTD-300赤道陀螺伺服測試臺2三軸轉(zhuǎn)臺的機械設計2.1三軸轉(zhuǎn)臺的概述2.1.1三軸轉(zhuǎn)臺的性能指標指標內(nèi)框中框外框位轉(zhuǎn)角范圍（°360180180置最大角速度（°/s)300210120伺最大角加速度（°s2)

17、1400080003000服最低平滑角速度(7s)0.0010. 0010. 001狀靜態(tài)位置精度（）101010態(tài)角位置分辨率（）101010平坦段指標（Hz）| A/A|<10% | 0 |<10 °251812軸不垂直度 （）不大于10系不相交度（mm）不大于0.52.1.2三軸轉(zhuǎn)臺工作原理概述三軸轉(zhuǎn)臺在主要是根據(jù)計算機的指令,實時跟隨指令信號控制轉(zhuǎn)臺滾動、俯8三軸轉(zhuǎn)臺仿真設計#三軸轉(zhuǎn)臺仿真設計3。仰、航向軸系運動，模擬姿態(tài)角變化，與仿真計算機及射頻系統(tǒng)形成閉合回路機械系統(tǒng)由三個框架和機座兩大部分組成，主要為負載提供安裝基準和滾動、俯 仰、航向三軸系回轉(zhuǎn)運動。電氣系

18、統(tǒng)主要完成轉(zhuǎn)臺的起停、 轉(zhuǎn)臺監(jiān)控及遠程控制等功能，主要由控制臺、電氣柜等組成。工作時，電氣系統(tǒng)為三軸轉(zhuǎn)臺三個框架的驅(qū)動電 機提供動力，使轉(zhuǎn)臺能夠驅(qū)動負載作所需的運動， 完成相應的運動?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)仿 真機控制指令，經(jīng)控制律調(diào)節(jié)后，輸出控制信號給相應框架的驅(qū)動電機， 從而控制電 機動作。應用軟件實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺與仿真計算機的實時通訊，記錄轉(zhuǎn)臺三個框架運動的角位置數(shù)據(jù)，對試驗的各軸角位置數(shù)據(jù)處理， 繪制運動曲線，監(jiān)控各軸的運動參數(shù)，實時 進行安全性評估，進行各軸控制律運算，控制轉(zhuǎn)臺正確運動02.1.3伺服驅(qū)動電機的選擇與計算三軸轉(zhuǎn)臺的驅(qū)動元件有兩大類一類是所有框架全部由電動機驅(qū)動，稱為電動轉(zhuǎn)臺，一類是所有

19、框架全部由液壓馬達驅(qū)動， 稱為液壓轉(zhuǎn)臺仿真。還有的轉(zhuǎn)臺，內(nèi)框由 電動機驅(qū)動，中、外框用液壓馬達驅(qū)動，稱為復合驅(qū)動式轉(zhuǎn)臺。對于小負載、低頻響 的轉(zhuǎn)臺，采用電機驅(qū)動方案為佳，而對那些大負載、高頻響的轉(zhuǎn)臺仿真，采用液壓驅(qū) 動為宜5。驅(qū)動型式可分為直接驅(qū)動和間接驅(qū)動 。直接驅(qū)動是將電動機或液壓馬達輸出軸 直接與轉(zhuǎn)臺框架軸固聯(lián)。其優(yōu)點是有利于提高系統(tǒng)的動態(tài)性能和精度，主要缺點是其 低速性能基本取決于驅(qū)動元件本身的低速特性。間接驅(qū)動是將電動機或液壓馬達輸出軸經(jīng)齒輪減速再與轉(zhuǎn)臺框架軸固聯(lián)。 其優(yōu)點，一是可提高系統(tǒng)的超低速性能，二是 用小力矩電動機可驅(qū)動大的負載力矩。其主要缺點是由于齒輪嚙合間隙以及齒面磨損后

20、精度喪失等問題的存在，影響系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。當前國內(nèi)外轉(zhuǎn)臺大多采用直 接驅(qū)動方式。電機驅(qū)動常見的電動機為力矩電動機和直流伺服電動機 。力矩電動機允許轉(zhuǎn)速 低，可直接與框架連接形成直接驅(qū)動。但當驅(qū)動力矩增大時，其允許的最高轉(zhuǎn)速也減 少。所以，當框架的最高轉(zhuǎn)速較高時不宜采用力矩電動機，而采用直流伺服電動機經(jīng) 齒輪驅(qū)動的方案。但直流伺服電動機的軸向尺寸較大， 不宜用于轉(zhuǎn)臺的內(nèi)框和中框軸 的驅(qū)動。近年來，己研制出一種無刷直流力矩電動機， 它具有力矩電動機的調(diào)速特性， 調(diào)速范圍也大，可用于直接驅(qū)動。是一種很有發(fā)展前途的新型驅(qū)動元件。目前在三軸轉(zhuǎn)臺仿真伺服系統(tǒng)中使用的電動機有直流伺服電動機、交流伺服電動

21、機、力矩電機、步進電機、同步電機等。相對于交流電動機，直流電機的調(diào)速性能 更為優(yōu)越，在大范圍、高精度調(diào)速要求的應用中，成為首選。特別是現(xiàn)有的直流伺服 電動機因多采用無刷設計，避免了電刷的維護，降低了外型尺寸，應用更加廣泛。力 矩電機分為直流力矩電動機和交流力矩電動機， 其優(yōu)點是轉(zhuǎn)矩跟慣量的比值大，低速 運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，輸出轉(zhuǎn)矩大，能直接與負載耦合 ，可實現(xiàn)無齒傳動，提高了系統(tǒng)的耦合 剛度、機械共振頻率和位置準確度響應性能好。如果主要考慮系統(tǒng)的控制精度，應首先考慮使用力矩電動機，以實現(xiàn)無齒傳動； 如果主要考慮系統(tǒng)的響應快速性要求， 可考慮使用直流伺服電動機、力矩電機；如果 伺服系統(tǒng)的負載較大，而對轉(zhuǎn)臺

22、的體積和重量又有較高要求時， 則應考慮使用交流伺 服電動機或直流伺服電動機加減速裝置的形式。9三軸轉(zhuǎn)臺仿真設計泮誦晝速電機L力矩電機丿Ta還可分為有槽電樞和光滑電樞兩種。 分裝式閣3-M直if力定電功機結(jié)構(gòu)直流力矩電動機概述（一）分類按勵磁方式分類.直流力矩電動機和直流伺服電動機一樣可分為電磁式和永磁式 直流力矩電動機。水磁式直流力矩電動機因結(jié)構(gòu)簡單、 勵磁磁通不受電源電壓的影響 等優(yōu)點被首選采用。直流力矩電動機按結(jié)構(gòu)型式分類， 有組裝式和分裝式直流力矩電動機兩種。 實際 多采用分裝式結(jié)構(gòu).因該電動機與負載軸直接耦合， 沒有傳動齒輪和間隙誤差，在負載軸上有高的轉(zhuǎn)矩慣量比和耦合剛度。直流力矩電動

23、機按其電樞結(jié)構(gòu)分類. 結(jié)構(gòu)見圖3-2-1。直流力矩電動機按有無電刷 裝置分類，又可分為有刷和無刷直 流力矩電動機。直流力矩電動機還 確有限轉(zhuǎn)角直流力矩電動機和雙 力矩電動機。直流力矩電動機和低 速高靈敏度直流測速發(fā)電機組裝 在一起，組成力毛測速機組，使結(jié) 構(gòu)更緊湊。（二）特點中國歩進電機岡 WWV- dj . com10三軸轉(zhuǎn)臺仿真設計#三軸轉(zhuǎn)臺仿真設計*13 2 2 曲動去療小吏対于血溝力越常欣J HI刃:W Tz J< 3-2- I ）對于7V洶陶建電獻左十經(jīng)蠱威速"即八此E寸看；=Tj / if ti#三軸轉(zhuǎn)臺仿真設計#三軸轉(zhuǎn)臺仿真設計（1）折算到負載軸上的轉(zhuǎn)矩/慣量比高

24、。在圖3-2-2中，兩種不同的驅(qū)動方案都是為#三軸轉(zhuǎn)臺仿真設計了使負載得到所需的同樣的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn) 速。當兩個電動機有相同的轉(zhuǎn)動慣量 時，即JT仁JT2此時兩種方案折算到負 載軸的轉(zhuǎn)矩/慣量比分別如上：中E1步進電機網(wǎng)ww. zgbj dj. oom點接峽動有齒隙的減速器驅(qū)動比較式(3-2-1)和式(3-2-2)，盡管3-2-3輜含剛度的方案比較普通高速電動機經(jīng)過減速，轉(zhuǎn)矩增大i 倍，但電機慣量卻被放大i2倍 (其中尚 未計及減速器的慣量)，其結(jié)果是普通高 速電動機的力矩/慣量比反而減小i 倍。由于理論加速度a=TP/JT而轉(zhuǎn)矩/ 慣量比的大小直接反映了加速能力。直接驅(qū)動用的直流力矩電動機其輸出轉(zhuǎn)

25、矩主要消 耗在推動負載加速上而普通高速電動機的輸出轉(zhuǎn)矩則大部分消耗在加速電動機和齒 輪所增加的慣量上。(2) 具有較快的響應速度。由于直接驅(qū)動能得到較大的理論加速度，而在直流力矩電動機與普通直流伺服電動機慣量相近的情況下， 力矩電動機的機械時間常數(shù)要小 (一般為十幾毫秒到幾十毫秒)，加之電動機設計為磁極對數(shù)較多，電樞鐵心磁通密度 度高.使電樞電感小到可以忽略的程度，以致電氣時間常數(shù)可以小到幾毫秒或零點幾 毫秒，從而使電動機隨著電樞電流的增加而力矩增長很快。因而在足夠的輸出轉(zhuǎn)矩條件下，可使系統(tǒng)的剛度大增加，動態(tài)精度得以提高。(3) 較高的速度和位置分辨率。用齒輪減速的普通直流伺服電動機，往往難于

26、齒輪齒隙而降低伺服系統(tǒng)的精度。因而從某種意義上講，直流力矩電動機的產(chǎn)生和發(fā)展 是為了消除減速機構(gòu)的齒隙和彈性變形所帶來的缺陷而發(fā)展起來的.特別是對于為獲得很好品質(zhì)因數(shù)的系統(tǒng)而言更有必要。由圖3-2-3可見，有齒隙的減速器驅(qū)動，不僅在零點附近有一個 死區(qū)”而且在傳動 機構(gòu)中附加了彈性變形和加速度誤差，從而大大降低了系統(tǒng)速度和位置的精度。在采用直流力矩電動機直接驅(qū)動時，由于革除了精度要求高的減速齒輪，使電動機 與負載軸直接耦合，消除了由于齒隙而引起的非線性因素， 可使系統(tǒng)的放大倍數(shù)做得 很高而仍然保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。同時由于直接驅(qū)動縮短了傳動鏈，提高了裝置韻機械耦 合剛度，減少了傳動部件的彈性變形，因

27、而可以大大提高整個傳動裝置的自然共振頻率可遠遠避開系統(tǒng)所能達到的響應率上限。這樣給系統(tǒng)得到滿意的動態(tài)和靜態(tài)性能創(chuàng)造了前提?？墒瓜到y(tǒng)獲得寬的頻率 響應和高的精度以及高的伺服剛度，從而為獲得極低速的無爬行平穩(wěn)運行找到了一個 新的途徑。（4）特性線性度好。由于這類電機采用較好的軟磁和硬磁材料，磁路高度飽和， 氣隙選擇恰當，電機的磁路設計保證其在連續(xù)運行時的輸出轉(zhuǎn)矩與輸入電流成正比關(guān) 系，從而使電機的線性度好，為系統(tǒng)的靈活控制和平穩(wěn)運行剖造了條件。（5）低速時輸出力矩大，轉(zhuǎn)矩波動小，運行平穩(wěn)，可以革除減速齒輪，而使電動 機本身可動部件少，功耗小。又由于電動機基本處于低速或堵轉(zhuǎn)狀態(tài). 機械噪音小傳 動振

28、動小，使裝置簡單、可靠，結(jié)構(gòu)緊湊。在滿足技術(shù)要求的條件下，盡可能地減小電機尺寸和重量，降低各軸系工作在最 大加速度時的電流和電壓，以減小功率放大器的難度?；谏鲜隹紤]，本三軸臺所選 的電機型號及技術(shù)性能見下表：名稱內(nèi)框電機中框電機外框電機電機型號250LYX06320LYX560LYX空載轉(zhuǎn)速（rpm）806045峰值堵轉(zhuǎn)力矩（Nm ）90200980峰值堵轉(zhuǎn)電流（A）14.513.550峰值堵轉(zhuǎn)電壓（V）6012095連續(xù)堵轉(zhuǎn)力矩（Nm ）4580410連續(xù)堵轉(zhuǎn)電流（A）7.255.421數(shù)量（臺）2212.1.4直流力矩電機的計算分析轉(zhuǎn)臺的驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)為直流力矩電機910。直流力矩電機的電

29、磁轉(zhuǎn)矩為:Tm=Cm I =Kt la3-1式中：Tm電磁轉(zhuǎn)矩，NMCm、Kt電機轉(zhuǎn)矩常數(shù)一一單極磁通，Wbla 直流電機電樞電流，A電動機的輸出轉(zhuǎn)矩并不都是電磁轉(zhuǎn)矩，因為電機本身的機械摩擦和電樞鐵芯的渦流、磁滯損耗等都會引起阻轉(zhuǎn)矩，設電機本身的阻轉(zhuǎn)矩加上負載的阻轉(zhuǎn) 矩為總阻轉(zhuǎn)矩Tf，當電機穩(wěn)定運行的時候，存在轉(zhuǎn)矩平衡方程式：T m= T f +Ti3-2在實際中，有些電動機經(jīng)常運行在速度變化的情況下， 如電機啟動、停止和反轉(zhuǎn)， 因此必須考慮速度變化的轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系。當電機的轉(zhuǎn)速變化時，轉(zhuǎn)動部分 (轉(zhuǎn)子與負 載)的轉(zhuǎn)動慣量將產(chǎn)生慣性轉(zhuǎn)矩TfTj =J* dw/dt3-3式中：J折算到電機輸出軸上

30、的轉(zhuǎn)動慣量，Kgm2Tj慣性轉(zhuǎn)矩，n . mW電動機的角速度，rad/ sdw/dt 電動機的角加速度，rad/ s2并且電機的總阻轉(zhuǎn)矩中與轉(zhuǎn)子角度成線性關(guān)系的那部分轉(zhuǎn)矩被稱為粘滯摩擦分量或者稱為粘滯阻尼分量，將它從摩擦轉(zhuǎn)矩中分開，此時電機的轉(zhuǎn)矩平衡方程式為：Tm= Tf +T i + Tj +Bw3-4式中：Tm電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，NMTl-負載轉(zhuǎn)矩，N. MTf摩擦轉(zhuǎn)矩，N . MB粘滯摩擦系數(shù)式(3-4)表示了轉(zhuǎn)速變化是電動機軸的轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系，因此被稱為電動機動態(tài) 轉(zhuǎn)矩平衡方程，其中召留非常小，可以忽略不計。2.1.5框架的選材內(nèi)框、中框、外框均用ZL201鑄造，轉(zhuǎn)臺底座采用HT300鑄造

31、。ZL201的密度為 2.78,力學性能為抗拉強度為310MPa伸長率大于等于3%。而Q235-A的密度為7.8, 力學性能為屈服極限大于等于220MPa,強度極限為380400MPa伸長率大于等于2%?？梢?，ZL201的力學性能與Q235-A的力學性能相近，但ZL201的密度僅約為 Q235-A的密度的三分之一。所以選擇 ZL201可以減輕旋轉(zhuǎn)軸系的重量、轉(zhuǎn)動慣量， 減小驅(qū)動電機的驅(qū)動力矩、重量、轉(zhuǎn)動慣量，提高系統(tǒng)的響應速度及控制精度。 轉(zhuǎn)臺 底座起固定和支撐作用，力學性能足夠，成本低，采用鑄造底座可降低轉(zhuǎn)臺的制造成 本。支撐內(nèi)框、中框、外框的軸的材料均選用碳剛，既能保證軸的強度、岡I度要求

32、， 又能鑄出中空的軸孔?？傊?，X、丫、Z軸軸系的轉(zhuǎn)動件在滿足強度、剛度等條件下， 材料盡量采用鋁合金，而底座上不轉(zhuǎn)動的零件根據(jù)使用要求可采用鑄鐵、碳鋼等 . 2.2轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)的設計轉(zhuǎn)臺的總體設計采用U-0-0的結(jié)構(gòu)，具體裝配形式和結(jié)構(gòu)見下。112.2.1外環(huán)裝配示意圖夕卜環(huán)采用高精度平面推力球軸承，以承受來自內(nèi)中環(huán)軸系的巨大傾覆負載，并 對平面推力球軸承施加預負載，提高平面推力球軸承的剛度；采用一對帶有預緊力的 背靠背角接觸球軸承和一對帶有預緊力的面對面角接觸球軸承共同支撐外環(huán)軸，以保證主軸的徑向跳動。12圖2.2.1-1外環(huán)和底座裝配示意圖二維圖222中環(huán)裝配示意圖出軸系，以減少裝配誤差，提高

33、轉(zhuǎn)臺精度。如圖13圖222-1中框結(jié)構(gòu)示意圖圖222-2內(nèi)框結(jié)構(gòu)示意圖16三軸轉(zhuǎn)臺仿真設計#三軸轉(zhuǎn)臺仿真設計圖2.2.4-1三軸轉(zhuǎn)臺總裝三維示意圖2.2.3內(nèi)環(huán)裝配示意圖與外環(huán)不同 中環(huán)與外環(huán)之間 不再設計單獨的軸，而是采用了直接在中環(huán)上引出 軸系，以減少裝配誤差，提高轉(zhuǎn)臺精度。與中環(huán)不同內(nèi)環(huán)不再設計電機安裝座，而是采用了直接在內(nèi)中環(huán)上引出軸系，以減少裝配誤差，提高轉(zhuǎn)臺精度。置于工作臺面, 可以安裝在內(nèi)框架內(nèi)，如圖： 2.2.4總裝配示意圖總裝配示意三維圖，在裝配 外框和底座的時候應注意按二 維圖紙設計要求安裝。并且注意，所選擇的框架除 底座外是鑄鋁，底座是灰鐵， 最重要的是，為減輕轉(zhuǎn)動慣量

34、對轉(zhuǎn)臺精度和快速響應的影 響，一律采用中空結(jié)構(gòu)，這樣 也方便布線！2.2.5零件示意圖零件示意圖請見圖紙。3伺服系統(tǒng)的總體設計3.1伺服系統(tǒng)的組成本轉(zhuǎn)臺采用的伺服系統(tǒng)有以下主要部分組成：見圖驅(qū)動器1Li電機l更氏諾一 l_- 蔔淫制1 L電機2數(shù)睹串口分配卡-偉唐反惴3|伴置控制3創(chuàng)區(qū)劫聽4圖3.1-1伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖由圖可知，通過信號反饋檢測元件，與控制通道在機械本體之間構(gòu)成了速度和位 置反饋，從而控制轉(zhuǎn)臺的速度和位置。3.2三軸轉(zhuǎn)臺的工作原理除動力模塊外，本機械有執(zhí)行機構(gòu)、被控對象、傳感與檢測裝置，控制裝置，滿足控制系統(tǒng)設計要求。對于多執(zhí)行機構(gòu)控制，采用了串口分配控制，由計算機軟件參 數(shù)控

35、制。14對于本轉(zhuǎn)臺，由機械本體上的傳感檢測裝置，把信號，包括位置和速度信 號出給控制器，由控制器調(diào)節(jié)驅(qū)動器，驅(qū)動直流電機。首先，用戶通過計算機用戶界面設置運動參數(shù)，完成設備的運動的初始化設置， 然后，由DSP構(gòu)成信號的相互傳遞15，再驅(qū)動直流驅(qū)動器，由直流驅(qū)動器驅(qū)動電機， 后驅(qū)動機械本體，有機械本體上的傳感檢測反饋給DSP,從而完成反饋。3.3伺服系統(tǒng)硬件的選擇常用的轉(zhuǎn)臺控制技術(shù)，主要硬件實現(xiàn)方式有以下三種：1、以單片機為系統(tǒng)的控制中心，這種經(jīng)典、傳統(tǒng)的單片機系統(tǒng)因其集成度低、運算速度慢，而使得系統(tǒng)硬件接口電路復雜， 軟件接口繁多，而使得系統(tǒng)實現(xiàn)起來特 別龐大，且實時性不高，可靠性低，抗干擾能

36、力弱，現(xiàn)在不常用。162、 采用以DSP為系統(tǒng)控制核心的專用運動控制器為系統(tǒng)的控制主體，這種系統(tǒng) 集成度商，接口簡單，開放性好，能實現(xiàn)位置控制，多軸耦合等。3、采用高速的數(shù)據(jù)采集卡，伺服控制算法由 Pc機進行處理，其軟件通用性好， 編程靈活，加上實時擴展系統(tǒng)，可以滿足實時處理的要求，達到高精度。被控制系統(tǒng)采用了， 2和3的混合控制、其選擇的硬件設備如下。3.3.1直流電機驅(qū)動器的選擇濟南科亞電子科技有限公司的 MMT-DPS。該伺服驅(qū)動器采用全方位保護設計，具有高效率傳動性能：控制精度高、線形度好、運行平穩(wěn)、可靠、響應時間快、采用全隔離方式控制等特點，尤其在低轉(zhuǎn)速運行下有較高的扭矩及良好的性能

37、， 在某些場合下和交流無刷伺服相比更能顯示其優(yōu)異的特性,并廣泛應用于各種傳動機械設19三軸轉(zhuǎn)臺仿真設計#三軸轉(zhuǎn)臺仿真設計圖 3.3.1-1 MMT-DPS備上。其主要技術(shù)參數(shù)控制電源電壓AC :110 系列： AC : 11OV±IO%220 系列： AC : 22OV±IO%主電源電壓AC :110 系列 ：AC 40-110V220 系列：AC50- 220V輸出電壓DC：110系列：0 130V或其它電壓可設定220系列：0230V或其它電壓可設定額定輸出電流： DC 5A （最大輸出電流10A）DC 10A （最大輸出電流 15A）DC 20A （最大輸出電流 25

38、A）控制精度：0.1%輸入給定信號：o±ov測速反饋電壓：7V/1000R9.5V/1000R13.5V/1000R20V/1000R其安裝環(huán)境要求：環(huán)境溫度：-5oC +500C環(huán)境濕度：相對濕度 80RH (無結(jié)露)避免有腐蝕氣體及可燃性氣體環(huán)境下使用避免有粉塵、可導電粉沫較多的場合避免水、油及其他液體進入驅(qū)動器內(nèi)部避免震動或撞擊的場合使用避免通風不良的場合使用部分接口和使用說明見電控接線圖， 端子名稱相符合，與具體事物的排列有所不 同。3.3.2圓光柵編碼器增量式Y(jié)GM506的選擇適用范圍：自動裝配機和自動生產(chǎn)線、機床、包裝機、印刷機、木工機械、制圖儀、測量儀、坦克、大炮、艦艇

39、、塑料切割機械、石油鉆探和輸油管系統(tǒng)。產(chǎn)品說明立片即甘式憂光拓刑器如果您対該產(chǎn)品感其嘶話可M 繼我留官產(chǎn)品宅稱;增墾式凰光鋸碼器產(chǎn)品型號：YGM 5D6產(chǎn)品廠商:南京申科天丈編碼器產(chǎn)品文檔:無相并文檔產(chǎn)地南京規(guī)格/型號 YGM506適用范圍 自動裝配機和自動生產(chǎn)線、機床、包裝機、印刷機、木工機械、制圖儀、測量儀、坦克、大炮、艦艇、塑料切割機械、石油鉆探和輸油管系統(tǒng)常規(guī)參數(shù)工作溫度范圍0°C70°C或按要求圖3.3.2-2圓光柵編碼器工作電壓 5V+5%( 200Ma Max)、12V ±%、15V±5%、±5V±5%、24V±

40、;5%3.3.3穩(wěn)壓器的選擇來自上海的產(chǎn)品22三軸轉(zhuǎn)臺仿真設計#三軸轉(zhuǎn)臺仿真設計K產(chǎn)品概述SVCKfl*.三40富m就童魚動交讀"壓H,樹廈古電動Vk ftibiSMtlR付帰變化時.自詡采樣獨制電昴鬣出1*號規(guī)動僧R1電機.壞自調(diào)壓島瑁劇的&, AM*出電氏無劉V（宣恒并迭封總獄肅. 聿用列壓功藝II育品種參*規(guī)林全*外曜豪憂慮©臭有賞常不矣It* ftSKt惟能可,可懇陰城行尊祥基* 慢有冊砥時、過壓暮11護MIL戶的轉(zhuǎn)拿可購說農(nóng)祗時埔畑H護MSI; 鼎T 上川甲于任何用電場所，畏一科理38的“壓出喩確猱建茫閃申.說各正前忑行2.便用場合辦公謹並、期試說備 KJ

41、?ii«,工業(yè)門勸憂盪備、贏甲蟲器*鶴明航統(tǒng)身R甬站尊3.技術(shù)第數(shù)申 IF160V-250V誨保護伯90單耳1潔岀甲注1 CSHVA-3KVA 22OYU0V 2 6KVA-3OKVA 竝卿08三斗1第人申燒K! % 匝 1 eov-awv H 電B. 277V -43W調(diào)«時k盤人電醫(yī)變'便碼嗣vt甘二印出電殊Slfifl220V 址電J5390V無耐加董矗鬢22DV ±3毎 H0V *6%唱煙就T5OOV7)mm *i 50Hx/60t1j處球電坯軸5陽a二和a?mHS. «護曲|1 25OV嘔ifSS 2即SWrJ2S 32&5V/

42、HEBUS i306V 1 i.F 10Sft« * »EA180V/E 時 5Sltt-1lrt：-+4CX<95%違槪佩護債3.3.4軟件可編程器件的選擇TMS320系列DSP是軟件可編程器件，具有通用微處理器所具有的方便靈活的 特點。其基本特點有：哈佛結(jié)構(gòu)，流水線操作，專用的硬件乘法器，特殊的 DSP指令, 快速的指令周期。這些特點使得 TMS320系列DSP可以實現(xiàn)快速的DSP運算，并使 大部分運算能夠在一個指令周期完成。常用系列：TMS320C2000系列，TMS320C5000系列和 TMS320F6000系列。3.3.5串口卡的選擇關(guān)于 UART17Mo

43、dem，必須經(jīng)過UART因為計算機內(nèi)部采用并行數(shù)據(jù)，不能直接把數(shù)據(jù)發(fā)到整理才能進行異步傳輸，其過程為：CPU先把準備寫入串行設備的數(shù)據(jù)放到UART的寄存器（臨時內(nèi)存塊）中，再通過 FIFO （First In put First Output，先入先出隊列）傳送到串行設備，若是沒有 FIFO，信息將變得雜亂無章，不可能傳送到 Modem。它是用于控制計算機與串行設備的芯片。有一點要注意的是，它提供了 RS-232C 數(shù)據(jù)終端設備接口，這樣計算機就可以和調(diào)制解調(diào)器或其它使用RS-232C接口的串行設備通信了。作為接口的一部分，UART還提供以下功能：將由計算機內(nèi)部傳送過 來的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為輸出的

44、串行數(shù)據(jù)流。將計算機外部來的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字節(jié)， 供計算機內(nèi)部使用并行數(shù)據(jù)的器件使用。 在輸出的串行數(shù)據(jù)流中加入奇偶校驗位， 并對 從外部接收的數(shù)據(jù)流進行奇偶校驗。 在輸出數(shù)據(jù)流中加入啟停標記，并從接收數(shù)據(jù)流 中刪除啟停標記。處理由鍵盤或鼠標發(fā)出的中斷信號（鍵盤和鼠標也是串行設備）?？梢蕴幚碛嬎銠C與外部串行設備的同步管理問題。有一些比較高檔的UART還提供輸入輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，現(xiàn)在比較新的UART是16550,它可以在計算機需要處理數(shù) 據(jù)前在其緩沖區(qū)內(nèi)存儲16字節(jié)數(shù)據(jù)，而通常的UART是8250?，F(xiàn)在如果您購買一個 內(nèi)置的調(diào)制解調(diào)器，此調(diào)制解調(diào)器內(nèi)部通常就會有16550 UART。CP-168

45、EL-A是一款8口 PCI Express多串口卡，針對 POS和ATM應用而設計，可以用于工業(yè)自動化制造系統(tǒng)和系統(tǒng)集成。CP-168EL-A可以兼容任何主流操作系統(tǒng)圖 3.3.4 MOXACP-168EL-A如：Windows、Linux和Unix,它的8個RS-232串口均可支持高達921.6 Kbps的通信 速率，并提供全調(diào)制解調(diào)器控制信號，確保與外圍串口設備的兼容性。 此外，由于該 卡片使用的是PCI Express x1插槽，從而適用于任何類型的PCI Express插槽。設計緊 湊，CP-168EL-A低檔板設計，并能與各種PCI Express插槽兼容。該卡片僅需3.3 VDC供

46、電，這意味著它們可適用于各類 PC機。支持 Windows、Linux和Unix主流操作系統(tǒng)，Moxa的產(chǎn)品支持各種各樣的主流操作系統(tǒng)，CP-168EL-A也不例外。Moxa可以為用戶提 供穩(wěn)定可靠的 Windows COM和Linux/UnixTTY驅(qū)動，此外還支持 WEPOS嵌入式應用。規(guī)格 硬件 通信控制器：兼容16C550C 總線接口： PCI Express x1連接器：VHDCI68串口 口數(shù)：8串口標準：RS-232最大版口數(shù)：4線性保護 ESD保護：板載15 KV性能波特率：50 bps 921.6 Kbps串口通訊參數(shù)數(shù)據(jù)位：5，6，7，8停止位：1，1.5，2校驗位：Non

47、e, Even. Odd, Space Mark流量控制：RTS/CTS, XON/XOFF串行信號RS-232： TxD，RxD，RTS，CTS，DTR，DSR，DCD，驅(qū)動支持操作系統(tǒng)： Win dows 2000, Win dows XP/2003/ Vista/2008/7 x86/x64, DOS,Linux 2.4, 2.6 x86/x64, QNX6, SCO Ope n Server 5/6, Uni xWare 73.3.6雙電機同步驅(qū)動本三軸轉(zhuǎn)臺的中框和內(nèi)框均采用雙點支撐，和雙電機同步驅(qū)動。一方面提供足夠的力矩，另一方面可以使系統(tǒng)在轉(zhuǎn)動中保持動態(tài)平衡。如過采用單電機驅(qū)動，雖

48、然有利于經(jīng)濟性的設計，但必然造成兩端受力不均，進而配重，對胎體的校核計算提出較 高要求，很難提高轉(zhuǎn)臺的精度很動態(tài)響應特性。經(jīng)典的雙電機同步驅(qū)動有1819:圖3.3.5-1雙電機同步驅(qū)動典型框圖對于硬件連接的雙電機驅(qū)動系統(tǒng)，電機的轉(zhuǎn)速被強制同步，因此保證電機的出力平衡將是轉(zhuǎn)臺穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。 顯然如果兩臺電機由一套驅(qū)動器驅(qū)動， 電機性能 的差異將導致出力的不平衡，而且這種差異是無法調(diào)節(jié)的，因而不宜采用。而采用兩 臺驅(qū)動器分別控制兩臺電機關(guān)鍵在于驅(qū)動器間的聯(lián)系與控制， 一般有轉(zhuǎn)速隨動和轉(zhuǎn)矩 隨動兩種形式。其中轉(zhuǎn)矩隨動方式更容易實現(xiàn)，動態(tài)性能更好，故經(jīng)典的傳動系統(tǒng)設 計采用了這種方式。而本文采用了軟

49、件編程的控制方式，在經(jīng)濟性和結(jié)構(gòu)簡易性方面有一定改變。3.4伺服控制系統(tǒng)的硬件接線圖nuPCSb圖3.4-1伺服控制系統(tǒng)接線控制圖詳細的接線圖見附件4三軸轉(zhuǎn)臺的運動仿真4.1概述工程師無需等待物理原型就能測試產(chǎn)品的動力行為。利用機構(gòu)動力學仿真，可以虛擬地仿真包含運動元件的系統(tǒng)中的作用力和加速度。而且，可以綜合考慮諸如彈簧、電動機、摩擦力和重力等動力影響，相應地調(diào)整產(chǎn)品性能。改善檢驗和認證過程并最 大程度地提高設計信心，而無需承受制造昂貴原型的負擔。4.1.1主要優(yōu)點?與設計和分析工具完全集成，從而無需再花費時間、精力和金錢來處理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn) 換和關(guān)聯(lián)的錯誤?可以創(chuàng)建虛擬樣機在桌面計算機中進行測試，從

50、而降低開發(fā)成本?能夠更快速和更早地將變更反映在產(chǎn)品中，并從桌面計算機測試中即時獲得結(jié)果?通過縮短開發(fā)時間率先向市場推出更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品?通過對產(chǎn)品壽命進行更準確的估計，從而可降低保修成本?利用具體的動畫式生產(chǎn)指令進行裝配，可以避免代價高昂的制造錯誤?通過利用從虛擬測試中所節(jié)省的時間來評估更多設計構(gòu)思，從而可開發(fā)出更新穎的產(chǎn)品?在易于學習、直觀明了的用戶界面中工作?測量定制規(guī)格并用圖形表示定制規(guī)格，例如特定接頭處的速度?用圖表表示主要反作用力（如負載和扭矩），使分析人員能更好地了解到產(chǎn)品 在特定環(huán)境下的具體表現(xiàn)?使用圖形和動畫與其他人員共享結(jié)果； 將表格式數(shù)據(jù)輸出到電子表格以供進一 步分析?將實際運

51、動與圖形結(jié)果進行比較4.1.2研究復雜的實際情況利用高級運動分析更加靈活地研究復雜的實際情況?使用靜態(tài)分析確定靜態(tài)平衡點的載荷?分析傳送帶連接、槽電動機、動態(tài)齒輪和普通齒輪，以了解所有運動關(guān)系?利用反向靜態(tài)載荷確定使機構(gòu)運轉(zhuǎn)所需的作用力（力平衡）?輕松創(chuàng)建機構(gòu)中選定組件的復雜運動包絡零件，以用于空間聲明研究或在任何裝配中用作占位符?創(chuàng)建用戶定義的作用力和電動機概覽圖， 從中得出測量的作用力、扭矩、時間、 加速度、速度或位置的定制函數(shù)?為智能的比例-積分-微商（PID）控制器以及非線性彈簧和阻尼器建立模型4.2三軸轉(zhuǎn)臺仿真過程 20本設計的三軸轉(zhuǎn)臺用UG進行運動仿真，一些運動動畫截屏如下，在這里

52、尤其要 感謝張老師的耐心指導和幫助。在以前的研究中，轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的研發(fā)方式多采用傳統(tǒng)方式（實體樣機），這樣對臺體結(jié)構(gòu)特性，包括剛度、強度、頻率響應曲線、裝配特性、控制率特性等，由于沒有預 先的仿真分析，在設計、生產(chǎn)和裝配臺體時沒有可靠的技術(shù)性能支持，可能出現(xiàn)零件 的返工，臺體的重新設計等，這些因素都使轉(zhuǎn)臺研制的周期延長， 增加開發(fā)成本和缺 少強有力的競爭。如果采用虛擬樣機技術(shù)、虛擬顯示與可視化、先進控制技術(shù)與有限 元等技術(shù)則可以從一定程度上解決上述問題。圖4.2 -1運動仿真1圖 4.2 -2運動仿真2本文對轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)剛度分析及動力學分析具有重要的意義。在內(nèi)框不轉(zhuǎn)，中框旋轉(zhuǎn)的過程中，外框軸的運動仿真

53、如下。力的仿真時間設定為15秒,并可輸出各種力學數(shù)據(jù)，外框軸承受的力的變化曲線如圖所示。 力據(jù)的仿真時28三軸轉(zhuǎn)臺仿真設計間設定為10秒，并可輸出各種力學數(shù)據(jù)，外框軸承受的力據(jù)的變化曲線如圖所示H/f200/1!/100/L1L0-10D-200111(1111圖4.2-3外框軸受力變化曲線圖4.2-4外框軸扭矩變化曲線29三軸轉(zhuǎn)臺仿真設計#三軸轉(zhuǎn)臺仿真設計由圖分析，此設計受力雖然有一定的規(guī)律，接近循環(huán)應力，基本符合設計要求， 滿足轉(zhuǎn)臺的技術(shù)要求，但是短時間內(nèi)力的變化也較大，有可能造成沖擊或震蕩，需要 一定改進，或限制運動范圍。此仿真結(jié)果，如力、扭矩等信息，也能為之后的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及輕量化設計提供重要 依據(jù)。結(jié)合相關(guān)材料以及本次設計仿真，總結(jié)如下經(jīng)驗：在轉(zhuǎn)臺建模仿真過程中，通過分析轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)主要部件力學特性， 在轉(zhuǎn)臺UG數(shù)模 的基礎上，對各種特征進行相應的簡化，采用合適的