第五章 实验方案
实验是验证所设计的柔性速度补偿装置是否达到设计要求的最有力手段。
本章制定的实验方案是以验证前文的理论分析及仿真结果和实验结论是否一致，实验方案内容包括实验平台的搭建、子系统的结构和原理两部分。
§5.1实验方案
对该柔性速度补偿装置进行实验研究，能够验证机械系统、控制系统、运动设计的有效性，发现设计中存在的问题或理论中某些缺陷，为系统优化提供实验指导。
在本文中，以常速电机和微机控制的交流伺服电机为原动机，与控制器，以及柔性速度补偿装置机构为实验载体，辅以检测系统，建立了柔性速度补偿装置的主动控制实验系统。
5.1.1试验平台的搭建
实验系统包括柔性速度补偿装置的机械执行子系统、微机控制子系统及传感检测子系统三部分。
试验平台模型示意图采用三维绘图软件Pro／E绘制。
PRo/E是CAD/CAM/CAE领域的一个三维图形软件，在机械、电子、航空、航天、邮电、兵工、纺织等各行各业都有应用。
PRO/ENGINEER软件包的产品开发环境支持并行工作，它通过一系列完全相关的模块表述产品的外形、装配及其他功能，包括对大型项目的装配体管理、功能仿真、制造、数据管理等。
如图5-1所示为实验系统机械部分的模型图片，为了显示清楚，没有配置外边的机箱，整个机构是完全开放式的，这样也便于实验观察。该机械结构由上下两个机架支撑，和前面的原理图不同，下边机架上放置昆旋导轨构件（未显示伺服电机），上边机架则是上图所示的其余连杆机构及其支撑架、轴承等（未显示常速电机）。
基于图5-1所示机构，配置伺服驱动装置、传感器以及计算机控制系统，获得该柔性速度补偿装置的原型，如图5-2所示。
图中比较完整的显示了整个实验系统，主要由两部分组成：机械系统和控制系统，机械系统如上图5-1所示，控制部分由信息处理系统分和检测系统组成。信息系统包括工控机，图中1所示，数据采集卡及数／模、模／数转换器等，图中未显示，以及伺服电机，图中6所示。检测系统主要是传感器，它们和各输入输出轴相连。
根据功能，又可将实验系统划分为中央控制系统、伺服驱动系统、两自由度连杆机构系统、检测系统、接口元件和能源等若干子系统,如表5-1所示。
表5-l实验系统组成
| 系统名称 |
一级子系统 |
功能 |
二级子系统 |
功能 |
柔性
速度
补偿
装置
控制
实验
系统 |
中央控制系统 |
总体调度 |
工控机 |
1.控制算法的执行
2.控制伺服驱动器
3.采集检测元件信号
4.数据处理 |
| 控制柜 |
1.电源及接口线路转接
2.伺服系统状态信息。 |
| 伺服驱动系统 |
驱动并控制
伺服电机 |
伺服驱动器 |
1.接受上位控制系统指令控制
交流伺服马达
2.向中央控制系统反馈伺服
系统状态信息。 |
| 交流伺服马达 |
驱动两自由度连杆机构 |
| 光电编码器 |
马达轴位置检测与反馈 |
两自由度连
杆机构系统 |
实验载体 |
第一输入 |
常速电机驱动提供主运动 |
| 第二输入 |
伺服电机驱动，螺旋机构转
化旋转运动为往复运动 |
| 输出轴 |
从动件 |
| 机架 |
支撑 |
| 检测系统 |
状态检测 |
编码器 |
常速电机、伺服电机、输出轴速度检测 |
| 接口元件 |
负责中央控
制系统与其
他系统之间
的信息交换 |
D/A转换器 |
将工控机发出的数字指令转
换为模拟电压输送至伺服驱
动器 |
| A/D转换器 |
将模拟信号转换为数字量送
至工控机 |
| |
|
数据采集卡 |
采集编码器的数据 |
| 能源 |
供电 |
380V市电 |
为工控机、伺服驱动器等提供电源 |
| 电源变压器 |
将380V交流电变为伺服驱
动器所需165V交流电 |
| 软件Labview |
编程计算 |
|
|
在实验系统中，工控机构成上位控制器，是数字控制器；伺服驱动器构成下位控制器，是模拟控制器。因此，组成了一个数字与模拟混合控制的速度控制系统。
实验的工作程序为：
1.预处理：工控机将已计算完成预初值数据调入内存，根据采样周期作插分计算将转速函数离散化。
2.初始化：初始化数据采集卡、数／模、模／数转换器等。
3.控制及采集：在每一采样周期开始时刻，工控机发出电机转速一脂令，经数模转换器作D/A变换后输出。伺服驱动器接受指令后，进行计算后驱动电机。在每一采样周期中，工控机将依次采集三路信号，读取这些数据。
4.数据处理：(l）微机将电机位置信号作数值微分求得电机转速。（2）微机用数字滤波程序将加速度信号作滤波、数值积分等处理。如图5-3所示为实验系统的组成原理图：
5.1.2子系统的结构和原理
(l）中央控制系统
中央控制系统包括微机及控制柜，负责实验系统的总体调度与控制。
(2）伺服驱动系统
伺服驱动系统包括伺服驱动器、交流伺服马达及光电编码器，伺服电机是该控制系统的关键执行元件。伺服电机是控制电机的一种，在自动控制系统中是一类小功率电机，用于信号的检测、变换和传递，作执行元件或信号元件。伺服电动机把输入的电压信号变换成转轴的角位移或角速度输出，改变输入电压信号可以变更伺服电动机的转速及转向。相比较于普通电机伺服电机具有宽广的调速范围，机械特性和调速特性均为线性，无自转现象，（控制电压降到零时，伺服电机能立即自行停转），快速响应好等特性。
经过分析比较，和一些老师的建议，交流伺服电机准备选用四通电机（6OCB04OC）型号的。
(3）两自由度连杆机构
首先将原来的原理图转换成以下的机构结构图（仅部分转换），如图5-4，即原来2、3构件之间是滑块和连杆连接，现改为连杆、套筒改为加一个摆动轴结构，原来滑块3和地面连接，容易形成过约束，改为加一个摆动轴承4来和地面、套筒来连接。摆动轴承内芯相当于一个球副，其转动中心必为内芯的球心，当然也是整个摆动轴承的中心。这样便于加工查和实验实施，而且更重要的是可防止原来原理图中杆件连接出形成过约束。
经过适当修改后的，机构具有更好的运动特性，机械部分整体模型如图5-7所示：
（4）检测元件
检测系统由微机、检测元件和接口元件组成。检测系统对柔性速度补偿装置中运动参数进行检测，为控制器提供数据。检测元件的参数这里没有给出，因为许多元件还不是很确定，一些功能还不了解。
§5.2本章小节
实验方案以微机控制的交滚伺服电机为原动机之一与控制器、以两自由度连杆机构为实验载体，辅以检测系统，建立了一个柔性速度补偿装置控制的实验系统。
该产验系统在硬件、软件等方面均作了详细的研究，尤其硬件方面，参考了一些其他著者的文献，但是因为没有做到实施实验的目标，所以实验结果无法看到，这是本课题最大的遗憾。
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