重慶理工大學畢業論文（三軸轉臺仿真設計）重慶理工大學畢業論文（三軸轉臺仿真設計）重慶理工大學畢業論文（三軸轉臺仿真設計）目錄TOC\o"1-3"\h\u13604摘要 31726Abstract 4284271緒論 6117811.1引言 671391.2國外研究狀況 6231941.3國內研究狀況 6111232三軸轉臺的機械設計 8246052.1三軸轉臺的概述 886852.1.1三軸轉臺的性能指標 8319442.1.2三軸轉臺工作原理概述 831412.1.3伺服驅動電機的選擇與計算 9150602.1.4直流力矩電機的計算分析 1283212.1.5框架的選材 13169232.2轉臺結構的設計 14126312.2.1外環裝配示意圖 14173372.2.2中環裝配示意圖 1560862.2.3內環裝配示意圖 15142582.2.4總裝配示意圖 1627192.2.5零件示意圖 1694613伺服系統的總體設計 17233093.1伺服系統的組成 17118173.2三軸轉臺的工作原理 1816923.3伺服系統硬件的選擇 18128363.3.1直流電機驅動器的選擇 19210793.3.2圓光柵編碼器增量式YGM506的選擇 2012923.3.3穩壓器的選擇 20327533.3.4軟件可編程器件的選擇 21121313.3.5串口卡的選擇 21299753.4伺服控制系統的硬件接線圖 23190894三軸轉臺的運動仿真 24118604.1概述 2437544.1.1主要優點 25251454.1.2研究復雜的實際情況 259024.2三軸轉臺仿真過程[20] 2678465結論 2859816工作展望 2914690致謝 3012168參考文獻 31摘要航空、航天工業發展水平是一個國家科技、經濟及國防實力的重要標志。在航空航天領域中,慣性導航和制導技術是一項核心技術,三軸轉臺是測試慣性元件及半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。三軸轉臺是以控制理論、相似理論、系統技術和信息技術為基礎，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仿真試驗提供平臺的關鍵設備【1】。它能夠復現空間質心運動中的轉角、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，以對敏感元件、慣導系統、執行機構等加以測試。將昂貴的實物試驗轉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指標和試驗數據。本文先建模設計，對轉臺的機械結構進行設計，并對一些標準件進行了選擇，主要軸的設計，對一些裝配關系進行了二維或者三維的建模。其次，對控制系統進行了分析和選擇，包括電機的選型，驅動器的選型，編碼器的選型，接口擴充的選型，以及相關元件的選型，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，設置控制系統的各模塊選擇，實現轉臺系統的運行功能，完全實現對轉臺的控制。（尤其是角速度和角位移的測量是本系統成為高精度轉臺仿真的關鍵性選擇之一）。關鍵詞：三軸轉臺伺服系統建模直流電機AbstractAviation,aerospaceindustrydevelopmentlevelisanationalscienceandtechnology,economyandanimportantsymbolofnationaldefensecapabilities。Inaerospacefield,inertialnavigationandguidancetechnologyisacoretechnology,threeaxisturntableistestinginertialcomponentsandhardware-in-the-loopsimulationofimportantnon-standardequipment，whowillhaveadirectimpactontheperformanceofsimulationandtestreliabilityandconfidence。Thethree-axisturntableiscontroltheory,thesimilaritytheoryandsystemtechnologyandinformationtechnologyasthefoundation,basedonthecomputerandspecialphysicalequipmentforthetool,forinertialnavigationandprovidetheguidancesystemsimulationexperimentplatformofkeyequipment。Itcanreiterationthecornerspacecentroidmovement,angularvelocityandAngleaccelerationphysicalparametersandsoon。Thus,canbeinthegroundinthelab,realsimulationofmissiles,aircraftintheaireachkindofetc,inordertoflightattitudeissensitivecomponents,inertialsystem,executiveagenciestotest。Therealtestwillbeexpensivecanpredictintolaboratoryresearchandrepeatability,toprovideadequateforphysicaltestthetechnicalindexesandtestdata。Therealtestwillbeexpensivecanpredictintolaboratoryresearchandrepeatability,toprovideadequateforphysicaltestthetechnicalindexesandtestdata。Thispaperfirstmodelingdesign,stabilizedthemechanicalstructuredesign,andthechoiceofsomestandard,mainshaftdesign,forsomeassemblyrelationofthetwo-dimensionalorthree-dimensionalmodeling。Secondly,tocontrolsystemisanalyzedandoptions,includingmotorselection,driveselection,encoderSelection,interfaceexpansion,andrelatedcomponentsselectionofselection。（Detailedcontrolchartissaw）Onesetofhardwareequipments,adoptsthebasiccontrolmethod,settingofthesoftwareofthecontrolsystem,realizetheturntableeachmoduleselectionofsystemoperationfunction,fullyrealizethecontrolofturntable。（Especially,theangularvelocityandangulardisplacementmeasurementisthissystembecomethekeychoosehighoneofsimulationturntable）Keywords:three-axisturntableServosystemmodelingDcmotor1緒論1.1引言航空、航天以及航海事業的發展水平反映了一個國家的綜合國力，是經濟發展水平、科技發展水平及軍事實力的綜合體現。這個領域的發展對于政治、國防、經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是航空、航天、航海領域的一項核心技術，早期的同步衛星準確定位、航天飛機的成功發射、導彈的精確制導，這都得益于高水平的慣性導航和制導系統。而慣性導航與制導系統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的定位精度。仿真測試轉臺是航空航天領域中進行地面半實物實時仿真和測試的一種關鍵硬件設備，它可在實驗室環境內實時地復現飛行器在空中的動力學特性和各種飛行姿態，其性能的優劣直接關系到仿真和測試實驗的逼真性和置信度[2]，是最典型的測試仿真設備。1.2國外研究狀況在國際上，由于慣性制導技術受到世界上技術先進國家和發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臺的研制。其中，美國的轉臺研究一直處于世界領先水平，其次，德國、英國、法國和瑞士等國研制的轉臺也具有一定代表性，性能和質量僅次于美國。世界上的第一臺轉臺是1945年由美國麻省理工學院儀表實驗室研制成功的，定為A型轉臺，采用普通滾珠軸承，用交流力矩電機驅動，角位置測量元件采用滾珠與微動開關，由于采用的元件精度比較低，加上沒有經驗可以借鑒，該轉臺存在許多缺點，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)系統分公司又研制出了T-800型伺服轉臺，它標志著美國的轉臺設計己經達到了一個新水平。六十年代開始對轉臺的重要部件如軸承、驅動馬達和監測元件進行了系統的改進，研制成功了專用于轉臺的空氣軸承和液壓軸承，大調速比、高精度的液壓馬達和高分辨率的檢測元件，把轉臺的技術水平推向了一個新臺階。同時誕生了一些專業生產轉臺的公司，如美國的CGC公司、Carco公司、德國的MBB公司等。1.3國內研究狀況我國的轉臺研制雖然比發達國家起步晚，但這些年來也取得了一定的成就，特別是近幾年來，轉臺的研制得到了很大的發展。目前，國內也有很多研究機構和高校在從事轉臺的研究與開發，例如哈爾濱工業大學、中航303所、中船6354所、南京航空航天大學等。我國在20世紀60年代自主研發和制造了第一臺液壓飛行轉臺仿真，為我國早期飛行器控制和制導系統的發展做出了巨大的貢獻。進入80年代后，我國將數字控制引入到了轉臺控制中，用軟件實現了復雜控制規律，參數調整也比模擬控制器方便，將我國的轉臺研究開發帶入了一個新的時代。1990年，中航303所研制成功了SGT1型三軸捷聯慣導測試轉臺，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，轉臺的研制進入了數字和模擬的要求也越來越高，這就對轉臺的設計和整定提出了更高的要求。圖1.3-1六自由度轉臺圖1.3-23KTD-300赤道陀螺伺服測試臺2三軸轉臺的機械設計2.1三軸轉臺的概述2.1.1三軸轉臺的性能指標技術指標內框中框外框位轉角范圍（°）360180180置最大角速度（°/s）300210120伺最大角加速度（°/s2）1400080003000服最低平滑角速度(°/s)0.0010.0010.001狀靜態位置精度（″）101010態角位置分辨率（″）101010平坦段指標（Hz）|ΔA/A|<10%，|Δφ|<10°251812軸不垂直度（″）不大于10系不相交度（mm）不大于三軸轉臺工作原理概述三軸轉臺在主要是根據計算機的指令，實時跟隨指令信號，控制轉臺滾動、俯仰、航向軸系運動，模擬姿態角變化，與仿真計算機及射頻系統形成閉合回路[3]。機械系統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、航向三軸系回轉運動。電氣系統主要完成轉臺的起停、轉臺監控及遠程控制等功能，主要由控制臺、電氣柜等組成。工作時，電氣系統為三軸轉臺三個框架的驅動電機提供動力，使轉臺能夠驅動負載作所需的運動，完成相應的運動。控制系統根據仿真機控制指令，經控制律調節后，輸出控制信號給相應框架的驅動電機，從而控制電機動作。應用軟件實現轉臺與仿真計算機的實時通訊，記錄轉臺三個框架運動的角位置數據，對試驗的各軸角位置數據處理，繪制運動曲線，監控各軸的運動參數，實時進行安全性評估，進行各軸控制律運算，控制轉臺正確運動[4]。2.1.3伺服驅動電機的選擇與計算三軸轉臺的驅動元件有兩大類一類是所有框架全部由電動機驅動，稱為電動轉臺，一類是所有框架全部由液壓馬達驅動，稱為液壓轉臺仿真。還有的轉臺，內框由電動機驅動，中、外框用液壓馬達驅動，稱為復合驅動式轉臺。對于小負載、低頻響的轉臺,采用電機驅動方案為佳，而對那些大負載、高頻響的轉臺仿真，采用液壓驅動為宜[5]。驅動型式可分為直接驅動和間接驅動[6]。直接驅動是將電動機或液壓馬達輸出軸直接與轉臺框架軸固聯。其優點是有利于提高系統的動態性能和精度，主要缺點是其低速性能基本取決于驅動元件本身的低速特性。間接驅動是將電動機或液壓馬達輸出軸經齒輪減速再與轉臺框架軸固聯。其優點，一是可提高系統的超低速性能，二是用小力矩電動機可驅動大的負載力矩。其主要缺點是由于齒輪嚙合間隙以及齒面磨損后精度喪失等問題的存在，影響系統的精度和穩定性。當前國內外轉臺大多采用直接驅動方式。電機驅動常見的電動機為力矩電動機和直流伺服電動機[7]。力矩電動機允許轉速低，可直接與框架連接形成直接驅動。但當驅動力矩增大時，其允許的最高轉速也減少。所以，當框架的最高轉速較高時不宜采用力矩電動機，而采用直流伺服電動機經齒輪驅動的方案。但直流伺服電動機的軸向尺寸較大，不宜用于轉臺的內框和中框軸的驅動。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速特性，調速范圍也大，可用于直接驅動。是一種很有發展前途的新型驅動元件。目前在三軸轉臺仿真伺服系統中使用的電動機有直流伺服電動機、交流伺服電動機、力矩電機、步進電機、同步電機等。相對于交流電動機，直流電機的調速性能更為優越，在大范圍、高精度調速要求的應用中，成為首選。特別是現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，其優點是轉矩跟慣量的比值大，低速運轉平穩，輸出轉矩大，能直接與負載耦合[8]，可實現無齒傳動，提高了系統的耦合剛度、機械共振頻率和位置準確度響應性能好。如果主要考慮系統的控制精度，應首先考慮使用力矩電動機，以實現無齒傳動；如果主要考慮系統的響應快速性要求，可考慮使用直流伺服電動機、力矩電機；如果伺服系統的負載較大，而對轉臺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。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構簡單、勵磁磁通不受電源電壓的影響等優點被首選采用。

直流力矩電動機按結構型式分類，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構．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矩慣量比和耦合剛度。

直流力矩電動機按其電樞結構分類．還可分為有槽電樞和光滑電樞兩種。分裝式結構見圖3-2-l。

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電機組裝在一起，組成力毛測速機組，使結構更緊湊。

(二)特點

(1)折算到負載軸上的轉矩／慣量比高。在圖3-2-2中，兩種不同的驅動方案都是為了使負載得到所需的同樣的轉矩和轉速。當兩個電動機有相同的轉動慣量時，即JT1=JT2,此時兩種方案折算到負載軸的轉矩／慣量比分別如上：比較式(3-2-1)和式(3-2-2)，盡管普通高速電動機經過減速，轉矩增大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而轉矩／慣量比的大小直接反映了加速能力。直接驅動用的直流力矩電動機其輸出轉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矩條件下，可使系統的剛度大增加，動態精度得以提高。

(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，往往難于齒輪齒隙而降低伺服系統的精度。因而從某種意義上講，直流力矩電動機的產生和發展是為了消除減速機構的齒隙和彈性變形所帶來的缺陷而發展起來的．特別是對于為獲得很好品質因數的系統而言更有必要。

由圖3-2-3可見，有齒隙的減速器驅動，不僅在零點附近有一個“死區”而且在傳動機構中附加了彈性變形和加速度誤差，從而大大降低了系統速度和位置的精度。在采用直流力矩電動機直接驅動時，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，可使系統的放大倍數做得很高而仍然保持系統的穩定。同時由于直接驅動縮短了傳動鏈，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．可遠遠避開系統所能達到的響應

率上限。這樣給系統得到滿意的動態和靜態性能創造了前提。可使系統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運行時的輸出轉矩與輸入電流成正比關系，從而使電機的線性度好，為系統的靈活控制和平穩運行剖造了條件。

(5)低速時輸出力矩大，轉矩波動小，運行平穩，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狀態．機械噪音小傳動振動小，使裝置簡單、可靠，結構緊湊。在滿足技術要求的條件下，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。基于上述考慮，本三軸臺所選的電機型號及技術性能見下表：名稱內框電機中框電機外框電機電機型號250LYX06320LYX560LYX空載轉速（rpm）806045峰值堵轉力矩（Nm）90200980峰值堵轉電流（A）14.513.550峰值堵轉電壓（V）6012095連續堵轉力矩（Nm）4580410連續堵轉電流（A）7.255.421數量（臺）2212.1.4直流力矩電機的計算分析轉臺的驅動執行機構為直流力矩電機[9][10]。直流力矩電機的電磁轉矩％為：Tm=CmΦIa=KtIa3-1式中：Tm——電磁轉矩，N·MCm、Kt——電機轉矩常數Φ——單極磁通，WbIa——直流電機電樞電流，A電動機的輸出轉矩并不都是電磁轉矩，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矩，設電機本身的阻轉矩加上負載的阻轉矩為總阻轉矩Tf，當電機穩定運行的時候，存在轉矩平衡方程式： Tm=Tf+Tl3-2在實際中，有些電動機經常運行在速度變化的情況下，如電機啟動、停止和反轉，因此必須考慮速度變化的轉矩平衡關系。當電機的轉速變化時，轉動部分(轉子與負載)的轉動慣量將產生慣性轉矩TfTj=J* 3-3式中：J——折算到電機輸出軸上的轉動慣量，Kg·m2Tj——慣性轉矩，N．mw——電動機的角速度，rad／s——電動機的角加速度，rad／s2并且電機的總阻轉矩中與轉子角度成線性關系的那部分轉矩被稱為粘滯摩擦分量或者稱為粘滯阻尼分量，將它從摩擦轉矩中分開，此時電機的轉矩平衡方程式為：Tm=Tf+Tl+Tj+Bw3-4式中：Tm——電動機的輸出轉矩，N·MTl負載轉矩，N．MTf——摩擦轉矩，N．MB——粘滯摩擦系數式(3-4)表示了轉速變化是電動機軸的轉矩平衡關系，因此被稱為電動機動態轉矩平衡方程，其中召留非常小，可以忽略不計。2.1.5框架的選材內框、中框、外框均用ZL201鑄造，轉臺底座采用HT300鑄造。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380～400MPa,伸長率大于等于2%。可見，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可以減輕旋轉軸系的重量、轉動慣量，減小驅動電機的驅動力矩、重量、轉動慣量，提高系統的響應速度及控制精度。轉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臺的制造成本。支撐內框、中框、外框的軸的材料均選用碳剛，既能保證軸的強度、剛度要求，又能鑄出中空的軸孔。總之，X、Y、Z軸軸系的轉動件在滿足強度、剛度等條件下，材料盡量采用鋁合金，而底座上不轉動的零件根據使用要求可采用鑄鐵、碳鋼等.2.2轉臺結構的設計轉臺的總體設計采用U-O-O的結構，具體裝配形式和結構見下。[11]2.2.1外環裝配示意圖外環采用高精度平面推力球軸承，以承受來自內中環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軸，以保證主軸的徑向跳動。[12]圖2.2.1-1外環和底座裝配示意圖二維圖2.2.2中環裝配示意圖與外環不同中環與外環之間不再設計單獨的軸，而是采用了直接在中環上引出軸系，以減少裝配誤差，提高轉臺精度。如圖[13]圖2.2.2-1中框結構示意圖圖2.2.2-2內框結構示意圖2.2.3內環裝配示意圖與外環不同中環與外環之間不再設計單獨的軸，而是采用了直接在中環上引出軸系，以減少裝配誤差，提高轉臺精度。與中環不同內環不再設計電機安裝座，而是采用了直接在內中環上引出軸系，以減少裝配誤差，提高轉臺精度。置于工作臺面，可以安裝在內框架內，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，為減輕轉動慣量對轉臺精度和快速響應的影響，一律采用中空結構，這樣也方便布線！圖2.2.4-1三軸轉臺總裝三維示意圖2.2.5零件示意圖 零件示意圖請見圖紙。3伺服系統的總體設計3.1伺服系統的組成本轉臺采用的伺服系統有以下主要部分組成：見圖圖3.1-1伺服系統結構框圖由圖可知，通過信號反饋檢測元件，與控制通道在機械本體之間構成了速度和位置反饋，從而控制轉臺的速度和位置。3.2三軸轉臺的工作原理除動力模塊外，本機械有執行機構、被控對象、傳感與檢測裝置，控制裝置，滿足控制系統設計要求。對于多執行機構控制，采用了串口分配控制，由計算機軟件參數控制。[14]對于本轉臺，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，由控制器調節驅動器，驅動直流電機。首先，用戶通過計算機用戶界面設置運動參數，完成設備的運動的初始化設置，然后，由DSP構成信號的相互傳遞[15]，再驅動直流驅動器，由直流驅動器驅動電機，后驅動機械本體，有機械本體上的傳感檢測反饋給DSP，從而完成反饋。3.3伺服系統硬件的選擇常用的轉臺控制技術，主要硬件實現方式有以下三種：1、以單片機為系統的控制中心，這種經典、傳統的單片機系統因其集成度低、運算速度慢，而使得系統硬件接口電路復雜，軟件接口繁多，而使得系統實現起來特別龐大，且實時性不高，可靠性低，抗干擾能力弱，現在不常用。[16]2、采用以DSP為系統控制核心的專用運動控制器為系統的控制主體，這種系統集成度商，接口簡單，開放性好，能實現位置控制，多軸耦合等。3、采用高速的數據采集卡，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，可以滿足實時處理的要求，達到高精度。被控制系統采用了，2和3的混合控制、其選擇的硬件設備如下。3.3.1直流電機驅動器的選擇濟南科亞電子科技有限公司的MMTDPS。該伺服驅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、可靠、響應時間快、采用全隔離方式控制等特點，尤其在低轉速運行下有較高的扭矩及良好的性能，在某些場合下和交流無刷伺服相比更能顯示其優異的特性，并廣泛應用于各種傳動機械設備上。其主要技術參數

控制電源電壓AC：110系列：AC：110V±10%220系列：AC：220V±10%

主電源電壓AC：110系列：AC40110V220系列：AC50220V

輸出電壓DC：110系列：0—130V或其它電壓可設定220系列：0—230V或其它電壓可設定

額定輸出電流：DC5A（最大輸出電流10A）DC10A（最大輸出電流15A）圖3.3.1-1MMT-DPSDC20A（最大輸出電流25A）

控制精度：0.1%

輸入給定信號：0—±10V

測速反饋電壓：7V/1000R9.5V/1000R13.5V/1000R20V/1000R其安裝環境要求：

環境溫度：-5oC~+50oC

環境濕度：相對濕度≤80RH。（無結露）

避免有腐蝕氣體及可燃性氣體環境下使用

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動器內部

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YGM506的選擇適用范圍：自動裝配機和自動生產線、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。產品說明產地南京 規格/型號YGM506適用范圍自動裝配機和自動生產線、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常規參數工作溫度范圍0℃～70℃或按要求圖3.3.2-2圓光柵編碼器工作電壓5V±5％（200MaMax）、12V±5％、15V±5％、±15V±5％、24V±5％3.3.3穩壓器的選擇來自上海的產品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：哈佛結構，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串口卡的選擇關于UART[17]因為計算機內部采用并行數據，不能直接把數據發到Modem，必須經過UART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據放到UART的寄存器（臨時內存塊）中，再通過FIFO（FirstInputFirstOutput，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數據終端設備接口，這樣計算機就可以和調制解調器或其它使用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：將由計算機內部傳送過來的并行數據轉換為輸出的串行數據流。將計算機外部來的串行數據轉換為字節，供計算機內部使用并行數據的器件使用。在輸出的串行數據流中加入奇偶校驗位，并對從外部接收的數據流進行奇偶校驗。在輸出數據流中加入啟停標記，并從接收數據流中刪除啟停標記。處理由鍵盤或鼠標發出的中斷信號（鍵盤和鼠標也是串行設備）。可以處理計算機與外部串行設備的同步管理問題。有一些比較高檔的UART還提供輸入輸出數據的緩沖區，現在比較新的UART是16550，它可以在計算機需要處理數據前在其緩沖區內存儲16字節數據，而通常的UART是8250。現在如果您購買一個內置的調制解調器，此調制解調器內部通常就會有16550UART。CP-168EL-A是一款8口PCIExpress多串口卡，針對POS和ATM應用而設計，可以用于工業自動化制造系統和系統集成。CP-168EL-A可以兼容任何主流操作系統如：Windows、Linux和Unix，它的8個RS-232串口均可支持高達921.6Kbps的通信速率，并提供全調制解調器控制信號，確保與外圍串口設備的兼容性。此外，由于該卡片使用的是PCIExpressx1插槽，從而適用于任何類型的PCIExpress插槽。設計緊湊，CP-168EL-A低檔板設計，并能與各種PCIExpress插槽兼容。該卡片僅需3.3VDC供電，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，Moxa的產品支持各種各樣的主流操作系統，CP-168EL-A也不例外。Moxa可以為用戶提供穩定可靠的WindowsCOM和Linux/UnixTTY驅動，此外還支持WEPOS嵌入式應用。規格硬件通信控制器：兼容16C550C圖3.3.4MOXACP-168EL-A

總線接口：PCIExpressx1

連接器：VHDCI68

串口口數：8

串口標準：RS-232

最大版口數：4

線性保護ESD保護：板載15KV

性能波特率：50bps~921.6Kbps

串口通訊參數數據位：5，6，7，8

停止位：1，1.5，2

校驗位：None，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，驅動支持操作系統：Windows2000,WindowsXP/2003/Vista/2008/7x86/x64,DOS,Linux2.4,2.6x86/x64,QNX6,SCOOpenServer5/6,UnixWare7

3.3.6雙電機同步驅動本三軸轉臺的中框和內框均采用雙點支撐，和雙電機同步驅動。一方面提供足夠的力矩，另一方面可以使系統在轉動中保持動態平衡。如過采用單電機驅動，雖然有利于經濟性的設計，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，很難提高轉臺的精度很動態響應特性。經典的雙電機同步驅動有[18][19]：圖3.3.5-1雙電機同步驅動典型框圖對于硬件連接的雙電機驅動系統，電機的轉速被強制同步，因此保證電機的出力平衡將是轉臺穩定運行的關鍵。顯然如果兩臺電機由一套驅動器驅動，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節的，因而不宜采用。而采用兩臺驅動器分別控制兩臺電機關鍵在于驅動器間的聯系與控制，一般有轉速隨動和轉矩隨動兩種形式。其中轉矩隨動方式更容易實現，動態性能更好，故經典的傳動系統設計采用了這種方式。而本文采用了軟件編程的控制方式，在經濟性和結構簡易性方面有一定改變。3.4伺服控制系統的硬件接線圖圖3.4-1伺服控制系統接線控制圖詳細的接線圖見附件4三軸轉臺的運動仿真4.1概述工程師無需等待物理原型就能測試產品的動力行為。利用機構動力學仿真，可以虛擬地仿真包含運動元件的系統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，相應地調整產品性能。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據轉換和關聯的錯誤?可以創建虛擬樣機在桌面計算機中進行測試，從而降低開發成本?能夠更快速和更早地將變更反映在產品中，并從桌面計算機測試中即時獲得結果?通過縮短開發時間率先向市場推出更優質的產品?通過對產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省的時間來評估更多設計構思，從而可開發出更新穎的產品?在易于學習、直觀明了的用戶界面中工作?測量定制規格并用圖形表示定制規格，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品在特定環境下的具體表現?使用圖形和動畫與其他人員共享結果；將表格式數據輸出到電子表格以供進一步分析?將實際運動與圖形結果進行比較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?使用靜態分析確定靜態平衡點的載荷?分析傳送帶連接、槽電動機、動態齒輪和普通齒輪，以了解所有運動關系?利用反向靜態載荷確定使機構運轉所需的作用力（力平衡）?輕松創建機構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?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4.2三軸轉臺仿真過程[20]本設計的三軸轉臺用UG進行運動仿真，一些運動動畫截屏如下，在這里尤其要感謝張老師的耐心指導和幫助。在以前的研究中，轉臺系統的研發方式多采用傳統方式(實體樣機)，這樣對臺體結構特性，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、生產和裝配臺體時沒有可靠的技術性能支持，可能出現零件的返工，臺體的重新設計等，這些因素都使轉臺研制的周期延長，增加開發成本和缺少強有力的競爭。如果采用虛擬樣機技術、虛擬顯示與可視化、先進控制技術與有限元等技術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本文對轉臺結構剛度分析及動力學分析具有重要的意義。在內框不轉，中框旋轉的過程中，外框軸的運動仿真如下。力的仿真時間設定為15秒，并可輸出各種力學數據，外框軸承受的力的變化曲線如圖所示。力據的仿真時間設定為10秒，并可輸出各種力學數據，外框軸承受的力據的變化曲線如圖所示。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由圖分析，此設計受力雖然有一定的規律，接近循環應力，基本符合設計要求，滿足轉臺的技術要求，但是短時間內力的變化也較大，有可能造成沖擊或震蕩，需要一定改進，或限制運動范圍。此仿真結果，如力、扭矩等信息，也能為之后的結構優化及輕量化設計提供重要依據。結合相關材料以及本次設計仿真，總結如下經驗：在轉臺建模仿真過程中，通過分析轉臺結構主要部件力學特性，在轉臺UG數模的基礎上，對各種特征進行相應的簡化，采用合適的單元類型，控制模型規模和質量，是確保分析精度的必要條件。對于轉臺的研究，要校核多種載荷工況下，根據不同的邊界條件，進行多種受力情況的仿真計算，以達到考核多種剛度指標的目的。多種工況下的彎曲剛度和扭轉分析，可以找到轉臺在實際工況中的變形趨勢，便于對轉臺剛度進行評價。根據轉臺的動態性能要求，應對轉臺框架結構進行模態分析，以得到框架結構的固有頻率和振型，并找出框架結構在動態激勵時的薄弱環節，并對框架結構進行了改進，提高了其一階固有頻率，為之后的控制系統設計、優化提供了參考。通過仿真模擬，對轉臺有一定的設計成型試制的感覺，對轉臺的實際應用和滿足轉臺的要求有一定指導意義。5結論本文針對轉臺仿真的主要性能指標，做了一定的分析，參考了相關的資料，并從九江精密測試技術研究所得到一定的產品說明。由于此設備是高精密設備，很難找到樣本，所以按老師的安排，我首先對三軸轉臺進行了機械結構設計，包括標準件的選型；其次是對三軸轉臺仿真進行伺服仿真控制，幾乎沒有自己設計，這里主要是參考一定的資料，和使用說明書，完成一定的接線；最后是對轉臺進行運動仿真完成一定的技術參數，由定性分析到定量分析。本論文的研究工作和成果大致如下：1、完成對三軸轉臺的數學模型的建立和設計，以及部分零部件的設計和選配等。2、完成對三軸轉臺的伺服驅動系統的設計，包括相關零部件和產品的選配以及組裝。3、完成對轉臺進行運動仿真完成