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1、北京航空航天大学学生设计用纸 第 20 页 1 1课程设计报告（题目） 院（系）名称自动化学院 专业名称机电控制 学生姓名 指导教师2010年 11月二自由度平面运动位置伺服系统 学生: 指导老师: 摘要本文试图设计一套精度高,动态响应好的二自由度平面伺服系统。系统工作在一个竖直平面内，分作Z,Y两轴子系统，可以独立在所属的轴上进行直线移动，从而使负载可以在预定平面区域内达到任意位置。通过上位机的人机交互界面，操纵员可以命令负载移动到某一特定位置，也可以让系统进入连续的正弦或脉冲等自动运行状态。同时下位机与上位机配合，下位机得到上位机的控制指令后，通过控制盒驱动直线电机快速平稳的达到预定位置，
2、其各项精度，动态响应指标应满足任务书要求。为了实现目标，我们选用了高精度的直线滑轨和动态特性良好的直线永磁电机。采用碳纤维方形管模具，裹以多层碳纤维双向编织布和钛金箔搭成竖直平面的框架，以保证导轨，电机安装平面的刚度和重量限制等要求。下位机采用速度环，电流环双闭环PID控制，大大提高了系统的动态性能。经过matlab仿真分析，本文设计的系统动态响应满足要求。强度方面，做了简单的校核，仍需ANSYS有限元分析等后续工作，本文并未涉及。下文将按照总体方案的拟定，导轨选型，电机选型，光栅尺选型,框架横梁的设计，控制方案设计，matlab仿真的顺序来介绍这个二自由度的平面伺服系统。关键词：二维平面 伺
3、服系统 直线电机目录1.课程设计题目分析1.1选题的背景41.2技术分析41.3报告主要内容和本人主要工作52.系统总体方案设计2.1总体方案确定62.2直线导轨的选型及计算72.3直线电机的选型及参数计算82.4光栅尺选型：112.5框架横梁的设计122.6控制方案设计142.7物理平台结构SOLIDWORKS建模181.课程设计题目分析1.1选题的背景根据课程设计项目的要求，需要设计一部二自由度平面伺服系统，工作平面为竖直平面。系统由运动伺服系统物理平台、动力机构、传感器和控制柜等部分组成。其技术指标要求如下：指标：负载不大于行程水平 ；垂直Y、Z两轴的垂直度最大速度Y、Z方向最大加速度Y
4、、Z方向位置精度Y、Z方向读出精度Y、Z方向频响（ ） Y、Z方向1.2技术分析难点和关键问题：对于本系统而言，保证优良的动态响应，刚度要求和精确的定位是相对较困难的。系统Z轴跨度超过两米，Y轴超过三米，而导轨，直线电机，负载等部件惯量较大，容易造成导轨，平面梁结构的扭曲变形和爬行现象。而为了保证良好的动态特性，系统应该可以忍受较大的加速度，承力结构又不得不尽量轻并且有较大的刚度。这些都为材料的选择，部件的结构设计，加工，安装精度提出了很高的要求。1.3报告主要内容和本人主要工作本文从总体方案的拟定，直线导轨选型，直线电机选型，框架横梁的设计，选材，控制方案设计，matlab仿真等方面，对本小
5、组设计二自由度平面伺服系统的结果进行汇报和展示。本人在小组内主要担任总体方案确定，机械结构的设计，电机、导轨选型等任务，也参与其它各项设计，材料整理工作。2.系统总体方案设计2.1总体方案确定运动伺服系统物理平台的作用是安装并承载运动伺服机构；平台的结构布局主要在铅锤平面内（Y-Z平面），由钢结构桁架和运动伺服机构两大部分组合而成。运动伺服系统分为Y轴，Z轴分别规划。Z轴：成品线性马达平台直线度好，集成度高，但是不满足重量要求。经过讨论，我们决定仍采用中间搭置直线电机，两侧放置轻质导轨的方案。电机和导轨铺在碳纤维框架上以保证平整度和刚度。Y轴：Y轴运动机构宽度横跨Z轴，距离较大。多部直线电机控
6、制难度过大高，难以保证同步性，所以Y轴采用两侧布置直线导轨，中间放置直线马达平台的方式。直线马达和导轨铺放在碳纤维Y轴“日”字框上。为了避免爬行现象，将Z轴的梁两端向Y方向展长，成为“工”字形，在其四个顶点放置Y轴滑轨滑块，从而大大抑制沿X轴方向的转动。采用高精度光栅尺进行位移的测量，以达到测量精度要求。控制系统采用上下位机形式。上位机决定运行参数和输出控制指令，将预期坐标交给下位机。下位机实现PID算法，并将信号输出给电机驱动盒。系统运动位置由光栅尺采集，并回馈给上位机，在上位机上显示两个运动轴的实际位置和其与最初指令设置位置间的误差。系统总体结构示意图如图（1）所示。图（1）2.2直线导轨
7、的选型及计算2.2.1初步确定导轨运行方案直线滑轨采用HIWIN公司的直线导轨EG系列。EG系列使用四列钢珠承受负荷设计，使其具备高刚性、高负荷的特性，同时具备四方向等负载特色、及自动调心的功能，可吸收安裝面的裝配误差，得到高精度的需求；加上降低组合高度及缩短滑块长度，非常适合高速自动化产业机械及空间要求的小型设备使用。导轨滑块结构如图(2)所示:图(2)HIWIN EG系列滑轨可以做到单滑轨多滑块布置,大大限制沿垂直工作台面轴向的扭转旷量。由于我们在单方向上均采用24根滑轨，采用单滑轨双滑块的方式对这种扭转自由度已起到足够的限制，所以方案确定采用尽量简单的单滑轨双滑块式布局，以减轻装配，安装
8、孔定位时的困难。导轨滑块装配示意如图（3）：图（3）2.2.2导轨参数的计算综合考虑负载的情况，我们选择HIWIN公司EG系列EGH15SA型导轨滑块组。参数如下表：导轨型号滑块质量（Kg）导轨单位质量(Kg/m)EGH15SA0.091.25由此对导轨滑块重量进行估算：上层Z轴导轨估计长度小于2.5m，两根滑轨滑块组总重：M=0.09Kg2+1.25Kg/m2.5m2=6.61Kg下层Y轴导轨估计长度小于3.5m，两根滑轨滑块组总重：M=0.09Kg2+1.25Kg/m3.5m2=9.11Kg2.3直线电机的选型及参数计算在选择直线电机时，关注的首要因素是直线电机能否满足系统所要求的速度及推
9、力。直线电机在启动阶段为恒推力状态，随着速度增大，推力基本不变，并保持其最大值。当速度到达到V 以后，直线电机进入恒功率状态。这时速度如继续增大，则推力将减少，直至最小值F min，此时直线电机的速度达到最大速度V max 。直线电机特性曲线如图（4）所示：图（4）设计要求Y、Z两轴上最大速度为2m/s，最大加速度为10m/s2，载荷不超过5Kg，负载安装台估计质量3.4Kg，由此计算Y、Z两轴电机所需最大推力如下：Z轴：Z轴沿竖直方向，电机的最大推力出现在负载克服重力向上移动并且达到系统要求的最大加速度情况下，由牛顿定律：FZmax=MaZmax=3.4+5Kg20m/s2=168N由此电机
10、选择为：HIWIN公司的LMS13同步线性马达连续推力FC=210N，瞬间最大推力FP=360N。F-V特性如下图（5）所示：图（5）LMS13直线电机安装尺寸如图（6）所示：图（6）Y轴：Y轴直线电机最大推力出现在Z轴机构向左或向右达到最大加速度的情况。Y轴直线电机上所加负载重量包括：Z轴上一个直线电机，Z轴有效负载，负载平台，Z轴上两根导轨和“工”字梁。“工”字梁初步估计重量1.5Kg。由牛顿定律，计算Y轴电机所需最大输出力：FYmax=MaYmax=1.8+4.22.5+5+3.4+6.61+1.5Kg10m/s2=288.1N由此电机选择为：HIWIN公司的LMS27同步线性马达连续推
11、力FC=339N，瞬间最大推力FP=679N，满足加速度要求。F-V特性如图（7）：图（7）LMS27同步线性马达安装尺寸如图（8）图（8）2.4光栅尺选型：光栅尺的不同精度等级有其对应的应用最大长度。为了满足设计解析度要求和长度要求，经查阅光栅尺选型手册，我们选择了“海德”公司生产的LS176型光栅尺，其技术指标如下表所示：光栅尺型号最大测量长度最大运行速度工作温度精度LS1763040mm2m/s050C3mLS176型光栅尺安装尺寸如图（9）所示：图（9）2.5框架横梁的设计2.5.1Z轴纵梁设计Z 轴纵梁设计要求：（a） 高强度和刚度Z 轴纵梁连跨度超过2m，连接着Y 轴和Z 轴两个运
12、动，承载着两个方向的弯矩：（1）延 X 轴的弯矩： Y 轴直线电机的推力；Y 轴导轨摩擦力；Y 轴负载惯性力矩；（2）延 Y 轴的弯矩： Y 轴直线电机初级、次级间的电磁吸力；Z 轴直线电机重力矩；Z 轴导轨组件和负载重力矩；Z 轴负载惯性力矩。（b） 很轻的质量Z 轴纵梁作为Y 轴直线电机的主要负载之一，直接关系Y轴直线电机的推力和Y 轴运动的频响。综合上述原因，我们确定Z 轴纵梁采用碳纤维凯夫拉钛金箔合成型材。工艺上采用碳纤维双向编织布加防弹纤维，为降低模具成本，采用成品碳纤维方形管模具，裹以多层碳纤维双向编织布和钛金箔，最后整体再裹数次，高温成型。为了适应导轨安装，碳纤维凯夫拉钛金箔合成
13、型材经磨床加工达到精度要求。结构上，碳纤维凯夫拉合成型材充分利用碳纤维材料的各向异性和单向非常出众的力学特性。钛金箔各向同性，厚度仅为0.0226mm。可以很好地消除Z 轴纵梁上的应力集中。碳纤维合成型材结构示意如图（10）： 图（10）Z 轴纵梁跨度超过两米，其两端延Y 轴运动的同步性是一大设计难点，为降低控制难度，增加可靠性并降低成本，本方案Y 轴采用单直线电机驱动。但可能会引来导轨爬行问题，本方案采用三种措施来防止爬行：（1）通过增加 Z 轴纵梁与Y 轴导轨滑块的连接刚度： HIWIN EG系列滚珠直线导轨采用单轨双滑块设计，每组两根，四个滑块，两根轨间距自由设计，有效地优化了轨上架设的
14、平台的运行特性，防止了爬行现象。（2）在整个运动伺服机构中心高度处增加一组导轨，将Y 轴直线电机铺设其上，从而使Z 轴纵梁因导轨摩擦和Z 轴负载变化引起的变形大大减小。（3）在梁的两端横向加宽，类似“工”字形，以此增加同一导轨上两个滑块间的距离，减少由于滑块与导轨间旷量引起的沿X轴的转动旷量。Z轴梁的俯视效果如图（11）所示：图（11）2.5.2Y轴横梁设计：Y轴横跨超过3m，同样需要很高的强度和刚度。同Z轴梁，Y轴梁也采用碳纤维凯夫拉钛金箔合成型材。由Z轴梁设计提出的为解决爬行问题的第二点，在中间高度需要增加一根横梁，形成“日”字形结构。我们把直线电机放在中间高度的梁上，紧贴在电机定子两边对
15、称布置两根直线导轨，限制电机的直线运动。在上、下两根横梁上各布置一根直线导轨，用以承载Z轴“工”字梁的四个顶点。俯视效果如图（12）所示：图（12）2.5.3负载安装座设计为了降低 Z 轴直线电机负载质量，同Z 轴纵梁，采用碳纤维凯夫拉钛金箔合成材料，加工为碳纤维板。2.6控制方案设计2.6.1电机驱动方式直线电机采用IGBT电压型逆变器供电，PWM调制，虽然是电压型逆变器，但直接受控的是电流。在一般情况下，采用 id=0 的控制策略,使电磁推力与id具有线性关系。2.6.2电机及负载的建模由于伺服系统Y、Z两轴基本不存在耦合关系，所以可以将两轴分别作为控制对象。但是这两个控制对象的信号流程是
16、相同的，只是其中参数不同，所以两者可以用同一个动态结构图来表示。由电机电压和电流关系，得到电部分传递函数：ISUS=1RasLaRa+1由电流和推力关系，得到推力F(KmI)由牛顿定律得到推力和位移的关系：F=mx+BxLaplace变换为X(S)F(S)=1mS+B1S当忽略导轨阻尼力后（B=0），简化为：X(S)F(S)=1mS1S=1mS2已选择的电机物理参数如下表：电机型号电枢电阻（Ra）（）电枢电感（La）（mH）马达常数（Km）（N/W）动子质量（Mf）(Kg)定子质量（Ms）(Kg/m)LMS133.43419.41.84.2LMS276.26431.84.16.2两部电机上负载
17、的质量分别为：Z轴：m1=m负载+m电机动子+m负载安装座=5+1.8+3.4Kg=10.2KgY轴：m2=m1+m上层定子+m上层导轨+m工型梁+m下层动子=10.2+4.22.3+6.61+2+4.1Kg=32.57Kg2.6.3下位机控制流程设计- xo FL - - bxi 1mS2S KV Kpi 1RaTLS+1Km PID下位机采用PID构成的电流与速度双闭环控制。由此得到每个轴的动态结构图如图（13）所示：图（13）xi：位置输入值xo：位置输出值KV：位置环增益系数KPI：电流环比例放大系数Ra：电机电枢电阻La：机电枢电感m：作用在直线电机上的质量Km：马达常数2.6.4上
18、位机控制上位机实现控制命令的输入，系统位置的时时读取，误差的计算与显示。并可以作数据记录，图像保存等辅助操作。上位机采用Windows XP等32位操作系统，以提供友好的界面和方便的操作。软件功能包括提供正弦波，三角波，方波的指令并显示指令曲线的功能，手动输入指令的功能，分别显示Y、Z两轴的指令和位置反馈（即实际位置）功能，强制回中功能以及保存数据和图像等等辅助功能。软件采用面向对象的程序设计方法，用C+语言编程。软件界面示意如图（14）：图（14）2.6.5Matlab仿真将质量,电机参数等等带入模型中，用Simulink画出动态结构图如图（15）所示：图（15）经过调节PID参数，Y、Z两轴阶跃响应和正弦响应均达到令人满意的效果。其中Z轴BODE图如图（16）所示：图（16）PID参数分别为：P=16; I=2; D=0.15。按双十标准评价：A=10%，Z 轴运动伺服系统幅频宽12.1Hz；=-10，Z 轴运动伺服系统相频宽2Hz；Y轴BODE图如图（17）所示：图（17）PID参数分别为：P=2.4; I=1.3; D=1.5。按双十标准评价：A=10%，Z 轴运动伺服系统幅频宽2.76Hz；=-10，Z 轴运动伺服系统相频宽6.66Hz；2.7物理平台结构SOLIDWORKS建模图（18）滑轨、负载特写图（19）负载安装座特写图（20）总体效果一览
北航机电本科课程设计二自由度平面运动位置伺服系统
