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具有复合材料构件的混合驱动连杆机构控制及性能研究

吕继超  
【摘要】: 柔性自动化机械系统虽然有许多优点,但投资大、控制难、维护费用高;传统的机械系统虽然具有很高的承载能力,能很好地满足高速大批量生产的要求,但最大的不足是系统缺乏柔性。而混合驱动机构系统同时采用实时不可控电机(主电机)和实时可控电机(伺服电机)作为其动力源,两种类型的输入运动通过一个多自由度闭环机构合成后产生所需要的输出运动,因而大大地改善了传动机械系统的性能,在包装、食品、纺织、锻压等自动机械中,具有广泛的应用前景。 混合驱动机构中结构最为简单的典型机构是两自由度五杆机构,本文的研究对象是一含有螺旋副的两自由度五杆机构。目前,对混合驱动机构的研究主要为机构可动性与型综合方面,对辅助运动控制性能研究则关注较少。有些针对辅助运动控制的研究,主要还停留在简单的功能实现上,重点是辅助运动控制的可行性研究,对系统的控制输出精度研究则考虑较少,表现为未能很好地采用较先进而且合适的控制系统和控制算法。因此,针对这些问题,本文在辅助运动控制及性能方面开展了比较深入的研究。由于本系统采用全数字交流伺服随动控制系统,要求对电机转角实时调整,并有较快的跟踪速度和较高的跟踪精度,故对控制系统和控制方法都有较高要求。经过仔细地调查比较,最后确定采用最少拍无波纹半闭环控制系统,获得到了较好的效果。 在混合驱动连杆机构研究中,原有构件均采用金属材料制成,因为金属材料强度高、价格低廉,易于制造。但金属材料比重大,快速运动时会产生较大惯性力与惯性力矩,尤其是在混合驱动连杆机构中,大多数构件的质心是作变速运动,产生的动载荷又难以完全平衡和消除,因而所需辅助电机功率就偏大,一般会达到主电机功率的30%以上,对辅助电机控制不利。因此,有必要寻找办法来克服混合驱动连杆机构中金属构杆惯性大的缺陷,降低负载,更好地满足给定曲线输出运动要求。为此,本文分别采用金属、尼龙棒、酚醛棉布模压棒以及三维编织复合材料制作机构中最长的连杆构件,通过四套系统进行对比实验研究,检验 东华大学硕士学位论文 机械01硕吕继超指导教师:王生泽 轻质材料对于优化系统控制性能的影响。结果表明,轻质的尼龙棒和层合复合材 料—酚醛棉布模压棒有助于提高系统控制性能;而三维编织复合材料由于固化 工艺限制,尺寸和刚性均暂时无法满足工业使用。 为了提高系统的性能,在研究过程中时刻遵循可靠性设计的理念。在元器件 选择时,采用精度高、可靠性好的元件,如机构中的螺旋副,采用精密滚珠丝杠。 在电路设计时,采用了抗干扰、提高可靠性的措施,并委托专业厂家将设计的电 路制成PCB板。这些都为系统整体的良好表现打下了基础。 文章最后针对改进之前系统得到的实验数据,进行了详尽的统计学分析。通 过对实验结果误差数据的采集、系统误差判别以及多元线性回归分析,揭示了误 差的影响因素,得到了一些有益的结论。


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