其單個周期的工作循環簡寫為:D1C1D0A1B0D1H1H0D0E1D1H1H0D0E0B1C0A03.2步進器準備根據動作級數,對十個輸出接口的標準步進器進行擴充。將2個標準步進器串聯,使其中2級短路,獲得18級動作的五自由度氣動機械手程序控制器,如圖5所示。3.3氣動控制回路設計根據信號流程以及圖5所示的步進器設計控制回路3。五自由度氣動機械手氣動控制回路圖如圖7所示。圖中代號同前。圖中接線的原則是:要某(i)級的氣缸完成動作,就將控制該氣缸的二位五通換向閥的控制接口接某(i)級管路,所觸動的信號開關則作為觸發下一級(i+1)管路輸出的開關信號。4結論根據提出的n級動作數控制基本回路的規律,開發十個輸出接口的標準步進器。然后,依據分解動作級數的要求,采用標準步進器擴充的方法擴大步進器順序控制級數,滿足分解動作控制的要求。該方法能夠降低設計制造成本,提高控制回路設計制造效率,提高控制精度。參考文獻1左建民.液壓與氣壓傳動M.北京:機械工業出版社,19972陸鑫盛,周洪.氣動自動化系統的優化設計M.上海:上海科技文獻出版社,20003呂淮熏,黃勝銘.氣液壓學M.高立圖書有限公司,19984陸雯,王兵,釧康民.氣動肌腱與鉸桿增力機構的三種組合系統及其比較.機械設計,2005,22(2):5254*來稿日期:2007-05-21*基金項目:“十五”國家科技攻關計劃資助項目(編號:2004BA524B03-02)#$%$【摘要】為了保證機床進給系統的定位精度、靜態和動態性能的穩定性,簡化調試過程,以X-Y工作臺作為平面定位機械系統的動態模型,通過對X-Y工作臺伺服系統進行三環整定計算,利用MATALAB/Simulink軟件進行建模,研究了虛擬樣機仿真分析的方法,采用虛擬樣機開發軟件ADAMS完成參數化樣機模型的構建,利用ADAM內含的系統函數創建運動約束,實現了對系統運動學仿真的分析。關鍵詞:CNC；X-Y工作臺；伺服系統；建模【Abstract】Inordertoensurethestabilityoforientationprecision、staticanddynamiccapability,andpredigestdebuggingprocess,andtheX-Ytablewasusedtodynamicmodelofmechanicalsystemforplaneorientation,andcountbythreeloopconformityforservosystem,andmodelbyMATALAB/Simulink,theanalysismethodofdummysamplewasresearched,andmakeupofparametermodelofsamplebyADAMS,andmadeupoflocomotionleashbysystemfunctionofADAMS,thesimulationanalysisisrealized.Keywords:CNC；X-Ytable；Servo；Modeling中圖分類號:TH12,TP31文獻標識碼:AX-Y數控工作臺伺服系統的整定與建模*閻勤勞1張海偉2(1廣東交通職業技術學院,廣州510800)(2天津機電職業技術學院,天津300001)ModelingandthreeloopconformityofCNCservosystemforX-YtableYANQin-lao1,ZHANGHai-wei2(1GuangdongCommunicationPoiytechnic,Guangzhou510800,China)(2TianjinMechanicalandElectricalPoiytechnic,Tianjin300001,China)文章編號:1001-3997(2008)02-0144-031前言目前普遍采用的數控機床進給傳動系統包括齒輪傳動副,絲杠螺母副及其支承部件等。通常設計進給傳動機構時必須滿足一定的要求,才能保證機床進給系統的定位精度和靜態、動態性能1,從而確保機床的加工精度,一般要求機床進給傳動系統具有摩擦阻力小,傳動剛度高,運動部件慣性小和傳動間隙小等特點。X-Y工作臺作為一種平面定位機械系統,動態模型簡單,它的控制方法也已經趨于成熟,但基于X-Y工作臺的含有摩擦環的伺服系統研究是現在的熱點與難點2。X-Y工作臺存在于伺服控制系統中的非線性特性有:摩擦、間隙、磁滯效應、飽和、未建模動態和外部擾動等。飽和主要影響系統的動態性能,磁滯效應使控制輸入滯后,未建模動態及外部擾動對系統的動靜態性能都有影響。摩擦是設計高精度伺服系統時必須考慮的重要因素之一,會引起系統跟蹤誤差、極限&第2期-144-2008年2月MachineryDesign&Manufacture機械設計與制造環及低速爬行3。由于非線性特性普遍存在于包括X-Y工作臺在內的機械系統中,影響了對它們的高精度控制。2X-Y工作臺系統組成與伺服系統的結構2.1X-Y工作臺系統組成X-Y工作臺是實現平面X-Y坐標運動的典型部件,X、Y向均采用伺服電機驅動,通過絲杠傳動,使工作臺做X-Y向的運動。如圖1所示,工作臺由兩個互相獨立的、互為垂直的導向導軌、傳動系統及工作臺面等組成。伺服電動機直接連接的增量式碼盤被用于速度的反饋。位置測量信號則來自于安裝在工作臺上的直線光柵,位置測量值同時被計算機上的數據采集卡所記錄,用來分析X-Y工作臺的運動精度。位置控制是利用DSP(ADSP2181)開發的的基于PC機的運動控制卡來實現。GXY-2020數控工作平臺,工作臺的伺服系統采用GYS201DC2-T2C伺服電機和RYC201D3-VVT2交流伺服驅動器(即伺服放大器),主要性能指標如表1所示。表1系統模型參數Tab.1Parametersofsimulationsystemmodel2.2伺服系統的結構工作臺伺服系統是由驅動模塊與伺服電動機等組成的一個高精度角度閉環系統,其輸入為數控系統給出的指令脈沖,輸出圖1工作臺示意圖Fig.1X-Ytable圖2X-Y平臺伺服系統的工作原理圖Fig.2WorkingprinciplesketchofX-Ytableservosystem為電動機轉角。在以光柵、脈沖編碼器等組成檢測反饋環節所實現的閉環控制下,電動機的轉角將跟隨數控指令變化。通過絲杠螺母副傳動,電動機的角位移被轉化為所需的工作臺的直線位移。圖2為其工作原理,表1為其工作參數。2.3三環調節控制該伺服系統采用三環4(電流環、速度環和位置環)調節控制技術,系統包括三個反饋回路(位置回路、速度回路以及電流回路)。最內層回路的反應速度最快,中間層的反應速度必須高于最外層。伺服放大器的主要功能包括電流檢測、磁場角位移檢測、速度檢測及伺服電動機的功率驅動,以達到電機的轉矩/電流控制、速度控制和位置控制。數控工作平臺電機參數為:額定轉速nr=3000rpm；額定功率Pr=200W；額定電流Ir=1.5A；額定電壓Ur=101V；額定轉矩Mr=0.64Nm；電機軸轉動慣量J=0.00299kgm2；電樞繞組電阻Ra=0.15；電機電氣時間常數TS=0.0022s；機械時間常數TL=0.0113s；力矩系數Kt=0.82Nm/A；反電動勢系數Ke=0.18Vs/rad；SPWM放大倍數KPWM=7.78V/A；時間常TPWM=167us；電流環反饋濾波常數Ti=100us；電流檢測放大系數Kpi=1A/V；速度環濾波時間常數TV=0.01s；速度檢測放大系數KP2=1。3三環整定計算3.1電流環整定計算積分時間常數:!I=Ts=0.0022s比例系數:電流環增益:3.2速度環整定積分時間常數:速度環增益:比例系數:3.3位置環整定在MATLAB/SIMULINK中建立永磁同步電機位置交流伺服系統的仿真模型5,選擇位置環比例系數Kp=14.3。4伺服系統的建模與仿真在不考慮摩擦力的情況下,X-Y工作臺采用Simulink軟件進行建模。根據表1的相關參數選擇工作窗口主菜單下的Simulink/Parameters,即可進入仿真參數設置6,設置仿真起始時間、仿真步長、解法、要求的誤差限等。名稱速度環增益電流環增益電動機電感電動機定子電阻電動機轉矩常數電動機反電動勢驅動鏈的轉動慣量工作臺質量絲杠導程剛度阻尼常數符號KvpKcpLRmKtKeJMKbsKB數值4525010.80.18310-6401.60.5415單位As/radA/VMhNm/AVs/radKgm2KgMm/radMN/mKNs/m第2期-145-閻勤勞等:X-Y數控工作臺伺服系統的整定與建模*在作仿真試驗的過程中,采用將系統參數擴大或縮小10倍的方法。可變的參數為速度環增益、電流環增益以及阻尼常數B。整個仿真過程中,系統的階躍輸入指令為200rad/s,即工作臺的理想輸出速度為:Vs=KbsVc=1.5910-3m/rad200rad/s=0.318m/s從圖3可以看出運行0.4秒鐘后速度達到穩定值。即上升時間為0.4秒,與峰值時間相等。延遲時間約為0.07秒,調節時間0.3秒,超調量為零。輸入的參考速度為200rad/s,可折合為0.318m/s,與實際輸出速度相符。分別改變速度環增益、電流環增益和阻尼系數,可以得到不同仿真結果。即速度環增益、電流時間環增益增加,調節時間減少。而阻尼系數過大或過小,速度都會出現抖動情況。圖3忽略摩擦力的仿真波形圖Fig.3Simulationwaveoffrictionforcethatisneglected分別改變速度環增益、電流環增益和阻尼系數,可以得到不同仿真結果。采用單因素仿真分析研究這些參數對伺服系統動態速度和動剛度的影響,如圖4、5、6所示。5結論(1)在忽略摩查理的情況下,分別改變速度環增益、電流環增益和阻尼系數,可以得到不同仿真結果。即速度環增益、電流時間環增益增加,調節時間減少。而阻尼系數過大或過小,速度都會出現抖動情況。圖4速度環增益對伺服速度的影響Fig.4Influenceofspeedringincreasingtoservospeed(2)隨著系統速度環比例增益Kvp的增加,系統的伺服動剛度增大,并且有助于系統動態特性的提高。隨著速度環積分響應時間常數Tn的減少,系統的伺服動剛度提高,并且能提高系統的圖5電流環增益對伺服速度的影響Fig.5Influenceofelectriccurrentlinkincreasingtoservospeed圖6阻尼系數對伺服速度的影響Fig.6InfluenceofDampingfactortoservospeed響應速度,但積分時間過小,容易導致系統失穩；提高電流環比例放大系數Kcp,可以提高給系統的伺服動剛度,但當Kcp增大到一定值后,伺服動剛度便不再增大,因為此時電流閉環增益趨近于1,所以繼續提高Kcp對提高伺服動剛度的作用不大。隨著運動部件質量的增大,進給系統的伺服運動剛度降低,同時會使系統的動態品質下降。(3)實際的數控伺服系統中,總是存在很多時變的、非線性的因素,在研究中容易忽略這些復雜的因素對系統性能的影響。隨著計算機技術的發展,數值仿真技術為分析非線性因素對伺服系統性能的影響提供了基礎和方法。參考文獻1鄭建榮編著.ADAMS虛擬樣機技術入門與提高M.北京:機械工業出版社,20012黃進.含摩擦環節伺服系統的分析及控制補償研究:博士學位論文.西安:西安電子科技大學,19983李泉,路長厚,襲著燕等.X-Y工作臺建模與仿真J.組合機床與自動化加工技術,2005(10):71744馮冬青,張希平,費敏銳.一種基于MATLAB的模糊控制器綜合優化設計方法J.系統仿真學報,2004(4):1211255梅雪松,陶濤,堤正臣等.高速、高精度數