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复杂机械系统智能控制
NorthChinaUniversityoftechnology
《复杂机械系统智能控制》
题目“双坐标数控工作台系统”项目
研发计划书撰写及方案设计
班级机械专研-12
组员
日期2013年06月
目录
1.项目研发目的3
2.项目研发目标3
3.项目研发要求3
4.项目系统方案设计3
机械设计部分4
1)原理构思4
2)机构设计4
3)驱动方式选择8
4)传感设计12
5)布局12
控制部分14
1)概述14
2)控制环节的硬件详述15
3)控制系统的软件部分20
4)反馈环节中使用的控制算法21
仿真分析24
1)基于MATLAB/Simulink的滚珠丝杠进给系统刚度建模及仿真24
2)基于AnsysworkbenchEnvironment的滚珠丝杠进给系统静力学分析30
5.项目研发分工34
6.项目进度计划34
7项目研发难点分析34
8.项目经费预算35
1.项目研发目的
1)通过研究“双坐标数控工作台系统”,培养进行机电一体化系统项目规划的能力;
2)通过研究“双坐标数控工作台系统”,培养机电一体化系统方案设计的能力。
2.项目研发目标
研发一台教学型双坐标数控工作台系统,作为机电控制工程课程的实验教学平台,其必须满足教学要求。
3.项目研发要求
1)功能要求:
该系统可以实现在水平面上用笔描绘工作台运动轨迹图案,模仿数控加工工程。
2)性能要求:
(1)自由度:
2个(可扩展为3自由度);
(2)驱动:
分别采用直流伺服电机和步进电机两种驱动方式,步进电机采用开环控制,直流伺服电机半闭环控制;
(3)工作台大小≤450×450mm2,有效行程在200mm以内;
(4)定位精度1mm;
(5)速度≤1mm/s;
(6)负载≤200N
4.项目系统方案设计
机械设计部分
1)原理构思
根据项目研发要求,自由度为2个,我们选取此双坐标数控工作台的自由度为X轴方向的直线运动和Y轴方向的直线运动,驱动分别是直流伺服电机和步进电机两种,这两种电机分别带动传动机构,一部电机来实现工作台X轴方向的直线运动,一部电机来实现工作台Y轴方向的直线运动,该项目的功能要求是该系统可以实现在水平面上用笔描绘工作台运动轨迹图案,模仿数控加工工程,因此将笔架固定在工作台,在底板上铺一张白纸,当工作台根据要求来实现X-Y方向的运动时,笔架上的铅笔就会在工作台的带动下一起运动,从而在白纸上描绘工作台运动轨迹图案。
2)机构设计
(1)传动机构
根据项目研发要求,在该系统中,我们的驱动是电机,电机为旋转运动,我们采取的双自由度是X、Y两个方向的直线运动,因此,我们需要将电机的旋转运动通过传动机构变为直线运动。
对于这种传动机构,拟确定两种方案,方案一是丝杆螺母传动机构,方案二是齿轮-齿条传动机构。
方案一是丝杠螺母传动机构:
它的优点是传动效率高,精度高,噪音低,传动平稳,适合高速往返传动,可以实现微进给,它的缺点是传动长度不可太大,否则会因自重下垂变形。
方案二是齿轮齿条传动机构:
它的优点是承载力大,机构简单,传动精度较高,可无限长度对接延续,传动速度可以很高,>2m/s,缺点:
容易产生丢步现象,加工安装精度差,传动噪音大,磨损大,有侧隙,换向时有一定冲击;不适合高精度控制。
将两种方案进行比较,如下表1。
表1方案一与方案二比较
特点
丝杠螺母机构
传动效率高,精度高,噪音低,传动平稳,刚性高,适合高速往返传动,可以实现微进给,传动长度不可太大
齿轮齿条机构
承载力大,机构简单,传动速度可以很高,有侧隙,换向时有一定冲击,容易产生丢步现象,不适合高精度控制
根据项目研发要求,数控工作台作为一种精度要求较高的设备,考虑到齿轮齿条传动机构有侧隙,换向时有一定冲击,容易产生丢步现象,达不到此设备的精度要求,数控工作台有效行程在200mm以内,对于丝杠螺母机构来说,这个传动长度不是太长,满足要求,因此最终确定为丝杠螺母机构,选择最常用的滚珠丝杠。
选取丝杠导程P=4mm,根据项目要求,已知速度≤1mm/s,取v=1mm/s,根据公式
=
,带入数据,得
取滚珠丝杠的使用寿命为T=20000h,则丝杠寿命系数:
根据项目要求,已知负载≤200N,这里取F=200N,滚珠丝杠副的最大工作载荷:
根据公式计算最大动载荷FQ,这里取载荷系数
=1.2,硬度系数
=1.0,则
根据计算,通过查表,根据下图1,我们可以发现规格最小的丝杠也能满足我们的要求,因此,我们选择丝杠:
FFZD1204-3。
图1丝杠型号
根据项目要求,我们计算可得
,电机的转速一般都要远远大于这个数,因此,我们需要在电动机与丝杠之间连接一个减速机。
一般减速机的转速为1000r/min,因此可得
减速机按照传动类型可分为齿轮减速机、蜗轮蜗杆减速器,由于齿轮减速机的传动比一级小于等于5,二级是大于8小于30,蜗轮蜗杆减速器的减速比可以到100,由于减速比为70,因此这里我们选取蜗轮蜗杆减速器。
(2)导向支撑机构
根据项目研发要求,为了保证系统的精度,采用导向机构导轨来保证工作台沿着一定的方向运动,使系统准确地完成其特定方向的运动。
导轨分为三类,一类是圆柱面导轨,一类是滚珠导轨,另一类是液体静压导轨,圆柱面导轨的优点是加工和检验比较简单,易于达到较高精度;它的缺点是对温度变化比较敏感,间隙不能调整。
滚珠导轨的优点是摩擦系数小、运动灵便,不易出现爬行现象;定位精度高;磨损较小,寿命长,润滑方便;它的缺点是结构较为复杂,加工较困难,成本较高;液体静压导轨的优点是摩擦系数小、无磨损、承载能力大、导轨温升小、抗振性好;它的缺点成本太高。
将三种导轨进行比较,如下表2。
表2三种导轨的性能比较
导轨类型
精度
摩擦力
对温度敏感性
承载能力
耐磨性
成本
圆柱面导轨
高
较大
不敏感
小
较差
低
滚珠导轨
较高
较小
不敏感
较小
较好
高
液体静压导轨
高
很小
不敏感
大
很好
很高
根据双坐标数控工作台的要求,以及作为教学用途的需要,我们构思出的模型,圆柱面导轨的摩擦力较大,效率低,耐磨性较差,而液体静压导轨的各方面性能都是最好的,但是成本太高,最后我们选择折中的办法,选择性能基本良好,成本也不是很高的滚珠导轨。
根据尺寸需要,由下图2,我们选取导轨型号为:
BRS15B。
图2导轨型号
对于支撑机构,主要包括机架和轴承,机架选用铸铁铸造,轴承选用最常用的圆柱滚子轴承。
(3)执行机构
根据项目研发的功能要求该系统要实现在水平面上用笔描绘工作台运动轨迹图案,模仿数控加工工程。
因此,这里的执行机构就是笔架,我们把铅笔固定在笔架上,我们把笔架和工作台设计为一体的,笔架通过橡胶塞将铅笔固定住来完成绘图工作,因为橡胶的弹性可以保证在画图过程中铅笔不松动,等到画图完成,我们手动将铅笔向上提起,使铅笔与白纸脱离,从而取出画有工作台运动轨迹的图纸。
(4)连接机构
根据项目研发要求,连接机构包括轴与轴的连接,普通零件的面与面的连接,轴与轴的连接需要联轴器,联轴器有两大类:
刚性联轴器、柔性联轴器。
为了保护传感器,我们选用柔性联轴器。
普通零件的面与面的连接根据成本,可靠性,我们选用最常用的螺钉连接。
3)驱动方式选择
我们常用的驱动方式有三类:
液压方式、气压方式、电气方式。
液压方式以液体作为工作介质来传递动力的,它的优点是液压传动的各种元件,可以根据需要方便、灵活地来布置;重量轻、体积小、运动惯性小、反应速度快;操纵控制方便,可实现大范围的无级调速;可自动实现过载保护;使用寿命长;很容易实现直线运动。
它的缺点是由于流体流动的阻力和泄露较大,所以效率较低。
如果处理不当,泄露不仅污染场地,而且还可能引起火灾和爆炸事故;由于工作性能易受到温度变化的影响,因此不宜在很高或很低的温度条件下工作;液压元件的制造精度要求较高,因而价格较贵;由于液体介质的泄露及可压缩性影响,不能得到严格的传动比。
;液压传动出故障时不易找出原因;使用和维修要求有较高的技术水平。
气压方式以压缩空气为动力源来驱动和控制各种机械设备以实现生产过程机械化和自动化的,它的优点是以空气作为工作介质,取之不尽,处理方便,用过以后直接排入大气,不会污染环境,且可少设置或不必设置回气管道;气动控制动作迅速,反应快;维护简单,工作介质清洁,不存在介质变质和更换等问题;工作环境适应性好。
无论是在易燃、易爆、多尘埃、辐射、强磁、振动、冲击等恶劣的环境中,气压传动系统工作安全可靠;气动元件结构简单,便于加工制造,使用寿命长,可靠性高。
它的缺点是由于空气的可压缩性大,气压传动系统的速度稳定性差,给系统的速度和位置控制精度带来很大的影响;气压传动系统的噪声大,尤其是排气时,需要加消音器。
电气方式是指用电动机把电能转换成机械能,去带动各种类型的设备。
它的优点是电机的效率高,运转比较经济;电能的传输和分配比较方便;电能容易控制。
将三种驱动方式进行比较,如下表3。
表3驱动方式的比较
特点
适用场合
电动
效率高,运转比较经济;电能的传输和分配比较方便;电能容易控制利用电能,容易控制,成本低
应用广泛,多用在轻便设备上
液压
重量轻、体积小、运动惯性小、反应速度快;操纵控制方便,可实现大范围的无级调速;可自动实现过载保护;使用寿命长;冲击小;容易实现过载保护;传动效率低;对维护的要求高,成本高;
需要大推力、大扭矩的场合或高载荷,低转速的设备
气动
气动控制动作迅速,反应快;维护简单,工作介质清洁,不存在介质变质和更换等问题;工作环境适应性好。
无论是在易燃、易爆、多尘埃、辐射、强磁、振动、冲击等恶劣的环境中,气压传动系统工作安全可靠;使用寿命长,气动比液压轻便、干净,维护容易,成本稍低
多用在速度快、行程短的情況下
根据上面的比较,该系统对速度要求不高,速度≤1mm/s,因此不需要气动方式,该系统对力矩的要求也不高,系统要求负载≤200N,没必要采用成本高的液压方式,因此,最终决定电气方式。
根据项目要求,我们分别采用直流伺服电机和步进电机作为驱动,步进电机可靠性较高,有比较宽的转速范围,但是,能源利用率低,直流伺服电机高速性能好,抗过载能力强,低速运行平稳,电机加减速的动态相应时间短。
该系统为2自由度,我们选择的是X、Y方向的直线运动,两个方向是叠加实现的,这里假设下面的是X方向,上面的是Y方向,也就是X方向的电机带动X方向的滚珠丝杠运动的同时要带动Y方向运动的各个零部件一起运动,也就是X方向的电机的负载要比Y方向的电机的负载载荷大,根据上面步进电机和直流伺服电机的比较,我们知道步进电机不具有过载能力,难以获得较大的转矩,X方向的电机启动时需要大的转矩,因此X方向我们选择直流伺服电机,Y方向我们选择步进电机。
(1)首先,计算Y方向的电动机,估算转矩,选取负载为200N,工作台质量为5kg,选取减速机和电机效率都为
=0.95,蜗杆是1头的,涡轮是z=70,m=2,则
转动惯量计算,由能量守恒,得
其中,
—步进电机的转子的转动惯量;
—蜗杆的转动惯量;
—蜗轮的转动惯量;
—滚珠丝杠的转动惯量;
—步进电机的转速;
—滚珠丝杠的转速;
由题意可知,
计算,可得
,由下图3,我们选取步进电机型号为:
57BYG350BL-0601。
图3步进电机型号
(2)其次,计算X方向的电动机,估算转矩,选取负载为200N,工作台和Y方向运动模块质量为15kg,选取减速机和电机效率都为
=0.95,蜗杆是1头的,涡轮是z=70,m=2,则
转动惯量计算,有能量守恒,得
其中,
—步进电机的转子的转动惯量;
—蜗杆的转动惯量;
—蜗轮的转动惯量;
—滚珠丝杠的转动惯量;
—步进电机的转速;
—滚珠丝杠的转速;
由题意可知,
计算,可得
,由下图4,我们选取直流伺服电机型号为:
57BL-1010H1-LS-B。
图4直流伺服电机型号
4)传感设计
传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将检测感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出。
常用的传感器有:
编码器,速度传感器,加速度传感器,压力传感器等。
Y轴方向的步进电机本身是开环控制,我们为了实现闭环控制,我们在直流电机处加装角位移传感器,从而实现Y方向上的运动控制,角位移传感器我们采用光电式编码器。
在工作台运动的过程中,为了防止工作台运动超过极限位置,因此,我们采用限位传感器,避免运动超出运动范围。
该系统所用传感器为:
光电式编码器,限位传感器。
5)布局
根据项目要求,设计布局如下:
图5装配图
图6底座
图7丝杠
控制部分
1)概述
整个控制系统基于以ARMCortex-M3为内核的STM32F10x系列嵌入式微处理器为主控芯片,以无线数据传输方式与数字信号处理器TMS320F2812(简称DSP2812)信息交互。
STM32F10x外围接TFT电阻触摸屏、语音识别芯片、麦克、SD卡、FLASH、晶振,触摸屏作为输入输出设备,当然,操作时可以动过人机交互界面选择触屏模式或者声控模式。
DSP2812控制一台无刷直流电机和一台步进电机,系统反馈环节的信息传递给DSP,DSP通过控制算法处理反馈信号重新调节输入,同时把信息传递给STM32在触摸屏上实时显示。
工作如图:
图8控制系统示意图
系统选择的两个芯片STM32F10x和DSP2812性价比都很高,完全满足要求。
STM32F10x是32位ARMCortex-M3CPU,最高工作频率72MHz,1.25DMIPS/MHz。
单周期乘法和硬件除法;片上集成32-512KB的Flash存储器。
6-64KB的SRAM存储器;3种低功耗模式:
休眠,停止,待机模式;有2个12位的us级的A/D转换器(16通道),2通道12位D/A转换器,最多高达112个的快速I/O端口,最多多达11个定时器;最多多达13个通信接口:
2个IIC接口、5个USART接口、3个SPI接口(两个和IIS复用)、CAN接口(2.0B)、USB2.0全速接口、SDIO接口。
TMS320F2812功能强大,是一款处理数据位数为32位定点的DSP,处理速度为150M最大的其拥有EVA、EVB事件管理器和配套的12位16通道的AD数据采集,其对电机控制得心应手。
再加上丰富的外设接口,如CAN、SCI等,在工控领域力压群雄。
2)控制环节的硬件详述
1、STM32F10x与触摸屏的连接
基于嵌入式触摸屏作为一种新的输入输出设备随处可见,采用触摸屏6.14寸TFT[480*640]是26万色彩屏触摸模块。
它支持SD卡,支持DATAFLASH(可以做字库),支持16位/8位模式,自带触摸屏及触摸控制芯片。
LCD模块的驱动芯片为ILI9320,触摸屏的控制芯片为RSM1843。
RSM1843是四线电阻式触摸屏控制芯片。
电路是一个12bit模数转换器(ADC),内置同步串行数据接口和驱动触摸屏的低阻开关。
电路提供了关断模式,功耗可降低至0.5W。
RSM1843的驱动电路如图:
如图9RSM1843的驱动电路
设计中调用嵌入式应用
的图形支持软件实现对触摸键的设置,这样就去掉了实体键盘,节约了空间,而由TFT触摸屏上设置的按键进行速度和位移控制。
方便实时观测电机运动动态和轨迹,更好地使老师进行实时控制,提高了系统的稳定性和可操作性,可以达到节约成本,提高效率的成效。
设计中微处理器需与触摸屏的相互通讯,软件方面主要调用了GUI软件库函数,设置触摸屏按键,显示字符、字符大小选择、设置窗口颜色等,使芯片对显示屏界面显示的控制更方便简洁的实现。
2、STM32F10x与声控系统的连接
语音交互系统是比较人性化的人机操作界面,它需要语音识别系统的支持。
本子系统以对话管理单元为中心,通过以语音识别芯片为核心的硬件单元实现语音识别功能,采用嵌入式操作系统LC/OS-II来实现统一的任务调度和外围设备管理,语音识别模块具有高实时性、高识别率、高稳定性的优点。
LD3320就是这样一款语音识别芯片。
LD3320的工作原理:
特定人语音识别ASR技术每次识别的过程就是把用户说出的语音内容,通过频谱转换为语音特征,再将这个转换后的语音特征和“关键词语列表”中的条目(例如前、后、左、右、起、停、复位等)一一进行匹配,最优匹配的一条即作为识别结果。
不论这个列表的条目内容是什么,只需要用户设置相关的寄存器,就可以把相应的待识别条目内容以字符形式传递给识别引擎。
由此可见,语音识别芯片完成的工作就是:
把(麦克风)输入的声音进行频谱分析后提取语音特征,再和关键词语列表中的关键词语进行对比匹配,最后找出得分最高的关键词语作为识别结果输出。
图10语音识别系统原理框图
STM32F10x与LD3320微处理器的硬件已管脚P[0:
7]接口电路连接,如图:
图11LD3220语音识别芯片电路
在使用时,按一下触摸屏声控模式按键,启动LD3320语音识别芯片,此时可以播放一声“嘀”的提示音,当接收用户的语音命令,并给出识别结果。
比如老师说“前”,识别芯片把识别结果提供给主控MCU。
随后主控芯片STM32F10x就根据事先设定好的对应关系,发出对应指令给DSP进而实现对工作台的控制。
其间可以在触摸屏上加对“左”的确认,也可以直接控制。
3、无线数据收发
为模拟数控机床的无线短距离操作,本系统采用无线数据收发系统,该系统不仅使机床本体的体积减小,还能够避免开式机床加工过程中切屑伤人的危险和切削液造成线路短路的问题。
无线数据收发系统选用射频芯片nRF24L01,它是一款工作在2.4~2.5GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片,采用FSK调制,内部集成自己的协议,有自动应答及自动重发功能、地址及CRC检验功能,可实现点对点或1对6的无线通信,无线通信速度可达2Mbps;而且,电流消耗极低,当工作在发射模式下发射功率为-6dBm时电流消耗为9mA,接收模式下为12.3mA。
nRF2401射频芯片比蓝牙和Zigbee所用芯片更便宜,没有复杂的通信协议,它完全对用户透明,同种产品之间可以自由通信。
nRF24L01的原理图如下:
图12nRF24L01的原理图
STM32F10x与TMS320F2812只需分别为nRF24L01模块预留6个I/O口,分别与其6个控制和数据信号CSN、SCK、MISO、MOSI、IRQ、CE相连。
DSP通过中断的方式向STM32F10x提出数据传输的申请,经响应后将数据传输给STM32F10x,STM32F10x接收到数据后,做出相应处理,通过无线方式进行数据传输和信息交换。
4、DSP2812与无刷直流电机
主功率电路采用MOSFET三相全桥逆变电路。
DSP2812输出六路PWM信号至IR2130,然后经过三相逆变电路到电机三相星型绕组,无刷直流电动机的霍尔传感器将转子位置信号传回DSP2812实现闭环控制,IR2130的控制原理图如图。
图13IR2130的控制原理图
无刷直流电机(BLDCM)是一种多变量和非线性强耦合的控制系统,使用常规的PID算法难免出现超调量大、响应时间长,而使用遗传算法优化的模糊控制器,用于无刷直流电机的控制中可获得良好的控制效果。
系统使用转速和电流双闭环控制,外环速度环主要作用是增强系统抗负载扰动的能力和抑制转速波动,并能够保证系统静态和动态跟踪的性能,直接关系到伺服系统的稳定与高性能运行。
内环电流环主要作用是限制最大电流,使系统有足够大的加速转矩,并且能够保证系统的稳定运行。
外环速度环采用模糊控制器进行控制,其系统通过霍尔元件检测电机转子位置信号,DSP将位置信号转化为速度信号,并计算出转速误差和误差变化率作为控制器的输入。
控制规则通过遗传算法进行离线优化,并在数字信号处理器(DSP)中实现控制参数的在线调节,系统能够较好的实现给定速度参考模型的自适应跟踪,具有控制灵活、适应性强等优点,同时又具有较高的控制精度和较好的鲁棒性。
电流环采用PID控制,通过采样电路(或者用霍尔电流传感器)采集电流并放大,然后与允许最大电流比较,与外环串联,即把转速调节器的输出当作电流调节器的输入,再用电流调节器的输出去控制功率管的PWM触发信号。
如图所示:
图14无刷电动机转速电流双闭环控制模式
5、DSP2812与步进电机
步进电机是数字控制系统的一种重要执行元件,是一种将电脉冲信号转换为角位移或线位移的控制电动机。
每输入一个脉冲信号,电机就转动一个步距角,其角位移和转速分别与输入电机绕组的脉冲个数和脉冲频率成比例。
通过改变脉冲频率的高低,就可以在很大范围内调节电机转速,并能实现快速起动、制动和反转,是一种离散化执行元件,广泛应用于各种自动化数字控制系统中。
步进电机在闭环工作时,DSP2812控制器发送位置指令,并采用增量式光电编码器来获得电机的位置反馈值,计算出下一时刻步进电机需要运行的位置脉冲信号和方向脉冲信号,送给驱动器A3977SED,由驱动器驱动电机工作。
DSP2812对A3977SED的控制,通过插补算法程序,将运动轨迹转化为使能、方向、脉冲等3组控制信号,其中使能信号为驱动器工作与否的总开关,方向信号控制电机正反转,脉冲信号的频率控制电机的运动速度,脉冲个数控制电机的运动角度。
如图:
图15DSP控制电机及反馈示意图
3)控制系统的软件部分
系统是一个源码公开、可移植、可固化、可裁剪、抢占式的嵌入式实时操作系统,能管理64个任务,并提供任务调度与管理、内存管理、任务间同步与通信、时间管理和中断服务等功能,具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点。
移植在STM32F10x的成功案例不胜枚举,不再赘述。
DSP2812选用免费型实时操作系统
,不仅和STM32F10x相统一,简化了应用系统软件的设计,可读性强,便于维护和扩展功能,省时省力,还可进行多任务调度,合理地利用有限的资源,满足无刷直流电机的控制采用双闭环控制和步进电机的PID控制。
的设计目标是为使用LCD作为图形显示装置的应用提供高效的/与LCD控制器独立及处理器独立的图形用户接口。
它适合于单任务环境及多任务环境,如私用的操作系统或是商业的RTOS(实时操作系统。
以C源码形式提供,并适用于任意LCD控制器和CPU下任何尺寸的真实显示或虚拟显示。
它包含以下特性:
[1]适用任何8/16/32位CPU,只要有相对应的标准C编译器;[2]任何的控制器的LCD显示器(单色,灰度,颜色),只要有适合的LCD驱动可用;[3]在小模式显示时无须LCD控制器;[4]所有接口支持使用宏进行配制等。
整体控制系统的软件部分如图:
图16控制系统软件部分
系统的程序代码不再单独写出,充分利用STM32F10x的嵌套向量中断控制器NVIC,在无线数据收发部分为达到语音的连续性,进行必要分帧处理。
4)反馈环节中使用的控制算法
模糊控制:
将模糊逻辑应用于步进电机的速度控制,它本是利用模糊数学的基本思想和理论的控制方法。
在控制领域里,控制系统动态模式的精确与否是影响控制优劣的最主要关键,系统动态的信息越详细,则越能达到精确控制的目的。
然而,对于复杂的系统,由于变量太多,往往难以正确的描述系统的动态,于是
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