机械运动控制（共12篇）
机械运动控制 篇1
0 引言
随着工业生产线自动化程度的提高, 机械臂被广泛应用于喷涂、包装、焊接、装配等生产环节, 甚至在极端环境中可以代替人完成高强度的重复或危险的任务, 总之机械臂控制技术的进步对提高劳动生产率, 实现工业生产自动化具重要意义。
机械臂的正、逆运动问题是机械臂运动学研究领域的基本问题[1], 各类机械臂逆运动是机械臂运动学领域的研究热点[2,3,4]。由于机械臂各关节角度间复杂的耦合关系, 解析法求解三角方程时候可能有增根, 此时需要根据机械臂的结构特点确定位姿, 所以不满足实时控制的要求[5]。此外机械臂各关节角度与机械臂末端位置并非一一对应关系, 所以传统解析法很难得到单一的优化解[6], 此时需要从众多优化解中人为判断选择, 人工干预因素较多。
近年来群智能优化算法已经成为解决机械臂逆运动问题的新方法[7,8], 较传统逆运动控制方法, 群智能优化算法具有如下优势:不需要反向求解三角不等式, 求解精度高, 求解速度快等特点。智能优化算法种类众多且各有优势, 但从算法的综合性能来看差分演化算法 (differential evolution-DE) [9]效率最高、运算速度最快, 由于其独特的杂交和变异机制使得具有很强的全局搜索能力, 得到广泛应用[9,10,11,12,13,14]。本文通过分析机械臂连杆结构特征, 构建了新的机械臂逆运动模型, 该模型为约束优化模型;为了求解该模型, 提出了基于种群平均信息的新差分演化算法。新算法能够以较高精度实时对机械臂进行控制, 得到比较满意的控制效果。
1 机械臂正运动模型建立
六自由度机械臂示意图见图1, 根据其结构特征, 机械臂初始姿态见图2, 其中AB‖GH, BC‖DE‖FG, CD‖EF且AB⊥BC, BC⊥CD。
由于各关节角度改变时, 机械臂末端点H的坐标会改变, 为了定量分析各关节角度与点H坐标的关系, 运用Denavit-Hartenberg (D-H) 法[1], 建立如图3所示的连杆坐标系oixiyizi (i=0, 1, …, 6) , 原点oi (i=0, 1, …, 6) 分别位于点A~H, o0x0y0z0表示基坐标系, o6x6y6z6表示机械臂末端坐标系。由图3知:oi-1xi-1yi-1zi-1经过两次旋转和两次平移变换到oixiyizi, 这四次变换分别为:第一次:oixiyizi绕Ji旋转θi时, oi-1xi-1yi-1zi-1需要绕zi-1轴旋转γi才能使新的xi-1轴与xi轴同向;第二次:沿新的zi-1轴平移li, 使得新的oi-1移动到Ji与Ji+1的公垂线与Ji交点处;第三次:沿xi轴平移di使得新的oi-1与oi重合;第四次:绕新的xi轴旋转αi, 使得新的zi-1与zi轴同向。
上述四次变换可用四个齐次变换矩阵实现:
i-1Ti=Rot (zi, γi) Trans (0, 0, li) Trans (di, 0, 0) Rot (xi, αi) (1)
见表1, 式 (1) 中i-1Ti表示oixiyizi对oi-1xi-1yi-1zi-1的变换矩阵。
由于机械臂各关节的连杆坐标系具联动关系, 所以o6x6y6z6对o0x0y0z0的变换矩阵为:
式 (2) 称为机械臂正运动模型, 其中分别表示o6x6y6z6的三个坐标轴x6, y6, z6在基坐标系中的方向矢量, 向量表示o6x6y6z6的坐标原点 (机械臂末端点H) 在基坐标系中的位置。
2 机械臂逆运动模型
由于机械臂末端旋转角度θ6对指尖H在基坐标系中的位置没有影响, 所以只有 (θ1, θ2, θ3, θ4, θ5) 对指尖H的位置有影响, (θ1, θ2, θ3, θ4, θ5) 与H在基坐标系中的位置有确定的对应关系, 只要给出一组关节角组合, H就可以运动到对应的位置上。
机械臂路逆运动控制指对于基坐标系中某点X0= (x0, y0, z0) T, 如何调整关节角 (θ1, θ2, θ3, θ4, θ5) 使得机械臂指尖H刚好运动到X0。此时向量与X0= (x0, y0, z0) T的欧氏距离为零, 从而得到机械臂逆运动模型:
其中αi, βi (i=1, 2, …, 5) 表示θi的变化范围 (见表1) 。显然使目标函数F (·) 为0的关节变量 (θ1, θ2, θ3, θ4, θ5) 就是 (3) 的解。模型 (3) 为非线性约束优化问题, 目标函数F (·) 是一个非线性多峰函数, 传统优化算法无法有效求解。DE是一种实数编码的智能优化算法, 特别适合求解连续性优化问题, 尤其对复杂多峰函数的寻优问题非常有效。为求解模型 (3) 提出一种改进的多种群差分演化算法。
3 差分演化算法及其编码
群智能优化算法的性能体现在算法运行期间种群离散程度维持能力上, 离散程度越高, 算法才能以更高概率在更大范围内搜索, 才尽可能避免早熟现象。多种群策略[7]提出的初始目的并不是机械简单地增加个体的数量, 可让不同群体执行不同的搜索任务, 建立合适的信息共享机制, 更好指引个体的进化或变异。文献[10]受PSO信息共享机制的启发, 提出多群体差分演化算法, 文献[11]利用种群平均信息对[10]的变异模式进行改进得到:
其中l燮best表示各子种群最优个体的平均值, 表示种群的平均信息, 本文给出两种平均信息模式, 即
L燮best=0ni=Σ1L besti0n或l燮best=ni=Σ10F l0bestj0nj=Σ1F l0bestj00×lbesti (5)
同时为避免变异模式的单一性, 新算法中引入变异模式选择概率Mt, 如果rand<Mt则采用DE/rand/1/bin变异模式, 否则采用式 (4) 进行变异。新算法步骤如下:
步骤1:在搜索空间中随机初始化pop_num×pop_scale个个体xi (0) , 其中pop_num为子群体个数, pop_scale为子群体规模, 个体xi (0) 为D维向量, 选取全局最优个体gbest以及每个子种群的局部最优个体lbest。
步骤2:判断是否满足终止条件, 如果满足则算法终止, 否则转步骤3。
步骤3:对每个子群体进行如下操作:
步骤3.1:如果rand<Mt, 则随机选择两个体采用DE/rand/1/bin变异模式得到中间个体vi (t) , 否则按照 (4) 式对xi (t) 变异得到vi (t) 。
步骤3.2:将xi (t) 与vi (t) 杂交得到
步骤3.4:对当前子群体中每个个体与lbest进行适应值比较, 更新局部最优个体lbest。
步骤4:对各个子群体的lbest与gbest进行适应值比较, 更新全局最优个体gbest。
与文献[10]比较, 本文算法避免[10]单一的变异模式, 增强了种群多样性。
4 数值模拟与仿真
在Matlab7.0环境下编程实现, 算法参数设定情况如下:R=0.85, F=0.7, Mt=0.95, 迭代次数为1000。
已知空间曲线C:x=20cost, y=30sint, z=40t, t∈[0, π], 在曲线C上取m (本文取150) 个离散点X1, X2, …, Xm, 对每个目标点Xi用机械臂逆运动模型可得求与之对应的关节角组合∈θ1i, θ2i, θ3i, θ4i, θ5i∈, 机械臂正驱动各关节旋转到制定角度, 由正运动模型计算机械臂末端达到位置Xi′, 实际跟踪曲线Xi′ (i=1, 2, …, m) 与目标曲线Xi (i=1, 2, …, m) 点与点之间的欧氏距离构成误差曲线见图4, 各个关节角度变化见图5, 6。
图4表明实际跟踪曲线与目标曲线的误差很小, 表明新算法具有较高控制精度。从图5~6可以看出, 各关节角度变化曲线光滑, 表明逆运动控制指令具有连续性, 那么机械臂工作时相邻指令间变化幅度平缓, 表明机械臂运动幅度平稳, 具有很强的稳定性与可靠度。
5 结束语
为了建立各关节角度与机械臂末端点H坐标的对应关系, 通过分析机械臂结构特征, 利用D-H法建立了机械臂正运动模型 (2) ;然后通过反向求解正运动模型建立逆运动控制模型 (3) , 该模型本质上是约束优化问题。为求解模型 (3) 本文提出了改进的多种群算法, 最后的数值模拟表明新算法可以有效求解机械臂逆运动模型。
摘要：据机械臂关节轴线方向建立了连杆坐标系, 采用Denavit-Hartenberg (D-H) 法求出各关节之间的坐标系变换矩阵, 利用机械臂关节间的联体关系建立了机械臂正运动学模型, 通过反向求解正运动模型得到机械臂逆运动学模型。为了解决逆运动控制问题, 利用种群平均信息, 提出了改进的多种群差分演化算法。最后数值试验表明新算法可以有效求解机械臂逆运动学模型。
关键词：机械臂,关节,自由度
机械运动控制 篇2
学生姓名：
韩正运
学
号：
4111102034
院
系：
京江学院
专
业：
机械电子工程
指导老师：
马皓晨
题目： 运动控制考试论文
在交通运输中的应用实例
摘要：木文从工程船舶电力拖动负荷功率大、主回路在大电流工况时进行转换和振动大等特点出发，较系统地介绍了其电力拖动对自动控制系统的要求，并通过实例对工程船舶电力拖动自动控制系统的工作原理及特性作了分析讨论。0引言
在直流系统中，可刊用转速负反馈、电压截止负反馈、电流截止负反馈等各种反馈信号电压与给定电压进行电的或磁的综合后，亦可获得所需的各种机械特性。1.斗链自控系统
图8为长江330工地用的250方采石船的斗链拖动系统图。它采用电机放大机一发电机一
电动机控制方式,两台斗链电动机D1、D2由两台发电机F1及F2串联恒流供电,发电机励 磁由电
机
放
大
机
HXD
供
给。
斗链采石作业时,对拖动系统提出的要求是:正向五挡变速(1.6,1.1,1.5,19及29米/分)反向一档转速1.6米/分,且在负荷转矩M小于额定转矩Me时(见图9),转速基本保持稳定,一旦M>Me时,转速急骤下降,直至处于堵转状态(MH点)。控制环节分析
(1)给定元件。由图8(b)的控制线路3、4两端供电给给
定绕姐GDQ,作为励磁,使放大机HXD获得输出电压u，调节变
阻器r可得不同的u,值。
(2)测量元件(反馈元件)。为电压截止负反馈绕组YQ及电
流负反馈绕组LQ组成,其磁通方向均与GDQ相反。电压绕组YQ与来自控制线路R上的u2进行截止比较,若由于外界扰动使放大机输出电压u1升高,以至引起转速上升,此时因u1>u2,故反馈绕组YQ有电流流过,此电流产生的磁通削弱GQD磁通导致电动机电枢电压下降,转速减小,直主维持原转速为止。此时整个系统工作在图9的AB工作段上。
电流负反馈绕组LQ的反馈信号取自主回路电机的换向极绕组HX1及HX2。它是主回路电流的函数。该绕组具有双重作用,在M
由以上可知,由于有了电压、电流负反馈,特别是电流负反馈绕组,这两个测量元件使整个斗链拖动系统自动地获得了挖土机特性,也就是说,采用了自控系统的各环节后,使电力拖动满足了变负荷的要求。(3)比较元件:本线路之比较元件不是一特定装置,而是将各控制绕组YQ、GDQ及LQ等的信号,在空间进行磁的综合后供给放大机作励磁。这些控制绕组兼有测量元件及比较元件的双重作用。
(4)放少:元件为电机放大机HXD,将综合信号放大后供给发电机励磁绕组QF1及QF2。(5)执行元件为斗链直流电动机D1及D2，改变其电枢电压可获得额定转速以下的调速,调节其励磁电流可获得额定转速以上的调速。MATLAB仿真图
在工业生产上的应用实例
摘要:早期运料小车电气控制系统多为继电器-接触器组成的复杂系统,这种系统存在设计周期长、体积大、成本高等缺陷,几乎无数据处理和通信功能,必须有专人负责操作。将PLC应用到运料小车电气控制 系统,可实现运料小车的自动化控制,降低系统的运行费用。PLC运料小车电气控制系统具有连线简单,控制速度快,精度高,可靠性和可维护性好,安装、维修和改造方便等优点。0 引言
运料小车是焦化厂及其它工业运料的主要设备之一,广泛应用于冶金、有色金属、煤矿、港口、码头等行业。该设备在整个系统中起着至关重要的作用,它能否正常运料直接影响产品产量和质量。可编程序控制器(PLC)是一种为工业环境下应用而设计的计算机,它应用微电子技术,按照用户编制的程序实现控制和数据处理的功能。由于其可靠性高、编程简单、易于维护而广泛应用于各种控制系统。本文以某焦化公司运料系统为例,简要介绍PLC在焦化厂运料小车自动控制系统中的应用。1 工作原理
料车轨道长50 m,运料系统采用单车运料方式。由于小车在工作时是移动的,因此,采用可移动的电源供电。本系统采用软电缆供电,软电缆可随小车的移动而伸展和叠卷。根据运料工艺要求,料车在前行或后行过程中,需遵循由慢逐渐到快、再由快逐渐转慢的过程。小车上料控制过程为:当料车运行到装料处时,起动供料胶带,将已称好的原料倒入料车中;装满料后,运料电机带动料车按照慢-快-慢的规律前行, 到达卸料处开始延时倒料;倒完料后,料车再次按照慢-快-慢的规律运行到装料处,开始下一个运料周期过程。整个运料周期可根据产量进行调整,载料小车的运行模式通过主令控制器和PLC来实现,速度变化通过改变变频器的频率来实现。同时,智能主令控制器还将检测到的料车位置以模拟信号形式送给PLC,PLC再将这些信号送给上位机,通过编程软件在上位机动态画面上显示出料车的位置和状态,从而实现对运料过程的监视和在线控制。2 控制系统的实现 2.1 料车运行情况
料车运行过程如图1所示。
2.2 控制要求
根据生产工艺要求,设计出料车在运料(前行和后行)过程中的速度变化情况,如图2所示。
2.3 控制方案
(1)根据料车运料过程中速度曲线图,确定变频器的频率变化情况,如图3所示。
(2)确定智能主令控制器改变速度信号的输出点(图
2、图3中的A~D点),即一加速、二加速、一减速、二减速等信号输出点。相应的信号送给变频器,变频器根据这些信号改变频率来实现料车上料过程中由初态)速1)速2)速1)停车的变化程。
(3)PLC首先向变频器发出运行控制信号(图4中的Q0.0正转、Q0.1反转),变频器接收到运行信号后发出输出频率动作信号,接着打开抱闸,变频器开始起动。主令控制器根据料车运行位置依次输出改变速度的信号,使变频器及时按图3特性曲线改变频率,从而控制料车按照图2特性运行。其电气原理图如图4、5所示
(4)根据产量要求,可以通过修改智能主令的
速度变化信号输出点和变频器在不同阶段的频率设定值来改变料车的运行模式和速度,从而改变料车的上料周期,以达到不同情况下炼焦
生产工艺的要求。
总结：现代运动控制已成为电机学，电力电子技术，微电子技术，计算机控制技术，控制理论，信号检测与处理技术等多门学科相互交叉的综合性学科。课上老师简单介绍了运动控制及其相关学科的关系，随着其他相关学科的不断发展，运动控制系统也在不断发展，不断提高系统的安全性，可靠性，在课上跟随老师的思路，使我对运动
控制系统有了更深刻的理解。
参考文献: [1] 李建兴.可编程序控制器应用技术[M].北京:机械工业出版社,2004.[2] 陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2000.[3] 吴俐君.电力拖动自动控制系统实验[M].徐州:中国矿业大学出版社,2002.[4] 郝力文,王子文.车间运输小车的智能控制[J].机械,2001年,28(增刊).[5] 自动控制原理及设计
[6] 工程船舶特种机械电力拖动
[7] 电动机调速原理及系统
[8] 自动化装置元件及其动态特性 [9] 船舶电气工学便缆
[苏A.N塔纳塔尔著」
〔日〕
〔陆道政季新宝著〕
〔吴斐文著〕
机械运动控制 篇3
【关键词】冲压模具设计；机械运动；控制；灵活运用
1.引言
机械运动贯彻于冲压的全过程，机械运动在冲压过程中起到了重要的作用。而在冲压工艺运用的过程中，都会伴随有专门的运动机理，而这种运动机理与模具之间息息相关。可以说，无论何种形式的模具其在进行结构设计的过程中，都是要根据特定的运动机理标准来进行设计，如果模具结构设计的标准能够符合运动机理的要求，就能够有效的提高冲压件的质量，而如果模具结构设计的标准不能够满足运动机理的需求吗，则就会使得冲压件的质量大打折扣，因此，需要对模具设计中的机械运动进行有效的控制，以保障冲压件制作的品质。
2.冲压过程中机械运动的概述
在冲压的过程中，会将不同类型的板料以及各种坯料进行有效的分离和变形，从而使得其形成预想中的零件。冲压所利用的工具主要是模具以及冲压设备，冲压的工作原理为利用模具以及冲压设备对板料以及坯料进行压力的施加，使得板料以及坯料出现变形，最后形成尺寸、形状以及性能都符合机械需求的零件。在生产的过程中，通常都会采用的设备为立式冲床，而在冲压的过程中，主要的冲压运动方式就是上下运动和相互运动。
就机械运动来说，其贯穿于冲压过程的始终，然而由于机械运动形式的不同，冲压也会有所不同。另外，在不同的冲压中有着不同的机械运动形式而且数量也相对较多，这就决定了在对冲压模具进行设计的过程中，需要根据机械运动间所产生的不同作用力，对机械运动进行有效的控制，从而保障冲压模具设计的合理性和有效性。另外，在对冲压模具设计的过程中，还需要依据实际的情况，来对各种类型的机械运动进行操作和管理，从而使得生产的产品能够符合实际的需求。
就冲压的运动情况来说，其中主要采用的运动类型就是上下运动。然而，这种运动形式的应用也需要依据情况而定，在模具中进行斜楔结构以及转销结构设计的过程中，这些结构都不适宜采用上下运动的方式，因此，需要将这些结构的主运动方式转变为水平运动形式，而且转换一定要在模具中进行，在模具中实现对运动方式的转变。一般而言，在对模具进行设计的过程中，总会遇到较为复杂的结构类型，这些结构由于设计复杂，所涉及的内容也较多，因此，需要花费较多的财力以及物力，才能够有效保障模具设计的合理性。虽然，这些复杂结构在成本上相对来说较高，但是其能够对产品的形状以及尺寸都能够进行有效的规定，從而使得生产的零件符合实际的需求，从这点上来说，这些复杂结构也具有着一定的应用价值。
3.冲裁模具中机械运动的控制和运用
在冲裁工艺中，其所具有的基本运动通常都是将卸料板与板料进行最先接触处理，并将卸料板与板料之间进行压实处理，然后将凸模进行下降，直至其与板料相接处后，停留一会使其充分与板料接触后，然后再将对凸模进行下降处理，最终使得凸模降到凹模中，在下降的过程中，凸模、凹模以及板料之间会因为相对运动的关系，而使得板料出现分离的现象，进而凹模与凸模之间也会出现分离，在利用卸料办将工件或者是产生的废料从凸模上分离出来，在这一些列的运动都结束之后，也就意味着冲裁运动的结束。在冲裁运动中，最需要注意的就是卸料板运动，卸料板运动情况的好坏会直接影响到冲裁质量的优劣，因此，需要对卸料板的运动情况进行有效的把控，尽可能的保障其能够先于板料进行接触，然后要注重保障可以更好的进行压实处理，以保障冲裁工件切断面的质量，使得冲裁工件尺寸的精确度可以有效的得到提高，并且保持工件表面的平整度，使得模具的使用寿命可以延长。
针对在部分区域具有明显突出情况的冲压件，要想使得其这些冲压件的质量得到保障，就需要在相应的凹模上进行加设压型凸模处理，另外，还要注意为其配置相应的弹簧力，从而使得凹模上所设置的压型凸模可以最先与板料进行接触，提高压实的力度，使得板料实现变形的目的。然后利用虫孔运动对落料进行处理，在这时候，为了能够有效的降低资金的投入，就需要根据实际情况，适当的取消一个模具，从而保障局部凸起的冲压件能够保证质量。
在一些弯曲冲压件上的孔会对孔位的精确度有着更高的要求，针对这些冲压件，要想使得其孔位的精确度得到有效的保障，就需要对其进行斜楔结构的设计，在设计的过程中，要注意保障弯曲度，然后在进行冲孔处理，从水平方向出发进行冲孔运动，这样可以使得孔位保持在最佳的位置。
4.弯曲模具中机械运动的控制和运用
在弯曲模具中的机械运动，其运动的步骤主要是先将卸料板与板料之间进行有效的接触，然后再进行压实处理，将凸模下降到板料的位置，与板料之间充分接触之后，再将凸模下降到凹模中，这样就会产生相对运动，在相对运动的影响下，板料就会应运动关系的影响而出现变形弯曲的现象，在这一步骤完成之后，再将凹模与凸模进行分离处理，然后利用已经出现弯曲效果的凹模上的顶杆将弯曲的边推出来，从而就可以结束弯曲运动。卸料板及顶杆的运动是非常关键的，为了保证弯曲的质量或生产效率，必须首先控制卸料板的运动，让它先于凸模与板料接触，并且压料力一定要足够，否则弯曲件尺寸精度差，平面度不良；其次，应确保顶杆力足够，以使它顺利地把弯曲件推出，否则弯曲件变形，生产效率低。
值得一提的是，对于有些外壳件，如电脑软驱外壳，因其弯曲边较长，弯头与板料间的滑动，在弯曲时，很容易擦出毛屑，材料镀锌层脱落，频繁抛光弯曲冲头效果也不理想。通常的做法是把弯曲冲头镀钛，提高其光洁度和耐磨性。
5.结语
总而言之，机械运动贯穿于冲压过程的始终，其与冲压有着密切的联系。冲压工艺都需要遵照一定的机械运动原理，而这种机械原理与冲压模具之间有着密切的联系。为了能够使得模具设计更加合理，就需要对相关的机械运动进行有效的控制，使得冲压件的质量得到提升，另外，为了能够使得产品的尺寸和形状符合实际的需求，就需要对相关的模具工艺运动模式进行有效的创新和发展，从而推动模具设计可以更为灵活的应用相关的机械运动。
参考文献
[1]谢云，慈龙尚，龚伟权，何振华.浅谈冲压模具设计中开源性与节流性成本控制[J].物流技术，2010（12）.
[2]王晓雷.机械运动控制在冲压模具设计中的运用[J].中小企业管理与科技（上旬刊），2008（10）.
电磁控制运动装置 篇4
本系统主要由MCU、电磁控制装置、角度传感器模块、语音模块等几部分组成, 其系统示意图如下图所示。
为实现本系统的功能, 下面分别对几种不同的设计方案进行了具体的分析论证。
1.1 控制模块的论证与选择
此方案采用MSP430系列的MSP430F149单片机, 它是一个16位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机, MSP430F149单片机具有体积小, 功耗低, 易于产品化, 面向控制, 抗干扰能力强等优点, 非常适合C语言开发人员, 特别是有9路PWM输出, 便于电机和电磁控制装置的精确控制。适合本系统。
1.2 角度传感器的论证与选择
ADXL345角度传感器。ADXL345是一款小而薄的超低功耗3轴加速度计, 分辨率高 (13位) , 测量范围达±16g。ADXL345非常适合移动设备应用。它可以在倾斜检测应用中测量静态重力加速度, 还可以测量运动或冲击导致的动态加速度。其高分辨率 (3.9mg/LSB) , 能够测量不到1.0°的倾斜角度变化。完全可以达到本系统的要求。
1.3 电磁控制装置的方案与论证
采用带磁芯的电感线圈, 利用改变电流方向来改变线圈磁极变化来牵引磁铁。电感线圈的磁极变化频率和摆杆的摆动频率成正比, 磁场强度与摆杆的摆动幅度呈正比, 这样, 改变电感线圈的电流大小和方向, 便可以实现摆杆的幅度和频率的准确调节, 且系统容易实现, 控制简单。
1.4 语音播报模块的论证与选择
SYN6288系列语音芯片。硬件接口简单, 性价比极高, 语音合成效果和智能识别效果大幅度提高, 清晰、自然、准确的中文语音合成效果;可合成任意的中文文本, 支持英文字母的合成, 具有智能的文本分析处理算法, 可正确识别数值、号码、时间日期及常用的度量衡符号, 支持多种文本控制标记, 支持休眠功能, 在休眠状态下可降低功耗;支持多种方式查询芯片工作状态, 支持串行数据通讯接口。
2 系统理论分析与计算
电磁吸力的近似计算公式:
2.1静止响应测试
测试条件:由静止点开始, 控制摆杆在指定的摆角连续摆动, 测试摆动摆角绝对误差、响应时间。
2.2周期测试
测试条件:由静止点开始, 按指定周期控制摆杆连续摆动, 测试摆动周期误差、响应时间。
2.3 停止测试
测试条件:按下停止按钮, 控制摆杆平稳的停在静止点上, 测试停止时间。
2.4摆角幅度测试
测试条件:键盘输入指定摆角角度, 观察摆动时的量角器角度, 测试摆角幅度绝对误差值、响应时间。
3 结论
通过测试, 本文设计的系统性能良好, 运行稳定, 创意新颖。
摘要：本设计以MSP430F149单片机作为主控芯片, 采用ADXL345数字加速度传感器作为电磁控制运动装置倾斜角度测量模块, 由L298N直流电机驱动模块控制电磁铁实现运动装置的启动、按固定幅度摆动、按固定周期摆动、停止等功能, 最后通过液晶屏LCD12864实现频率和摆角等信息的实时显示, 并利用SYN6288语音播报模块和发光二极管实现声光提示。
关键词：MSP430F149单片机,角度传感器,语音播报,LCD12864液晶显示
参考文献
[1]沈建.MSP430系列16位超低功耗单片机原理.华北京航空航天大学出版社.
[2]王东锋编.单片机C语言应用一百例.电子工业出版社.
[3]杨子文.单片机原理及应用.西安电子科技大学出版社.
外文翻译机械手的机械和控制系统 篇5
外文翻译
题
目 姓
名 专
业 指导教师
机械手的机械和控制系统 谢百松
学
号 20051103006
机械设计制造及其自动化 肖新棉
职
称 副教授
中国·武汉 二○○九年 二月
华中农业大学本科毕业设计外文翻译
机械手的机械和控制系统
文章来源: Dirk Osswald, Heinz Wörn.Department of Computer Science , Institute for Process Control and Robotics(IPR).,Engler-Bunte-Ring 8-Building 40.28.摘要: 最近，全球内带有多指夹子或手的机械人系统已经发展起来了，多种方法应用其上，有拟人化的和非拟人化的。不仅调查了这些系统的机械结构,而且还包括其必要的控制系统。如同人手一样，这些机械人系统可以用它们的手去抓不同的物体，而不用改换夹子。这些机械手具备特殊的运动能力（比如小质量和小惯性），这使被抓物体在机械手的工作范围内做更复杂、更精确的操作变得可能。这些复杂的操作被抓物体绕任意角度和轴旋转。本文概述了这种机械手的一般设计方法，同时给出了此类机械手的一个示例，如卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ。本文末介绍了一些新的构想，如利用液体驱动器为类人型机器人设计一个全新的机械手。关键词：多指机械手；机器人手；精操作；机械系统；控制系统
1.引言
2001年6月在德国卡尔斯鲁厄开展的“人形机器人”特别研究，是为了开发在正常环境（如厨房或客厅）下能够和人类合作和互动的机器人系统。设计这些机器人系统是为了能够在非专业、非工业的条件下（如身处多物之中），帮我们抓取不同尺寸、形状和重量的物体。同时，它们必须 1
华中农业大学本科毕业设计外文翻译
能够很好的操纵被抓物体。这种极强的灵活性只能通过一个适应性极强的机械人手抓系统来获得，即所谓的多指机械手或机器人手。
上文提到的研究项目，就是要制造一个人形机器人，此机器人将装备这种机器人手系统。这个新手将由两个机构合作制造，它们是卡尔斯鲁厄大学的IPR（过程控制和机器人技术研究院）和c（计算机应用科学研究院）。这两个组织都有制造此种系统的相关经验，但是稍有不同的观点。
IPR制造的卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ（如图1所示），是一个四指相互独立的手爪，我们将在此文中详细介绍。IAI制造的手（如图17所示）是作为残疾人的假肢。
图1.IPR的卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ
图2.IAI开发的流体手 2.机器人手的一般结构
一个机器人手可以分成两大主要子系统：机械系统和控制系统。机械系统又可分为结构设计、驱动系统和传感系统，我们将在第三部分作进一步介绍。在第四部分介绍的控制系统至少由控制硬件和控制软件组成。
我们将对这两大子系统的问题作一番基本介绍，然后用卡尔斯鲁厄灵 2
华中农业大学本科毕业设计外文翻译
巧手Ⅱ演示一下。
3.机械系统
机械系统将描述这个手看起来如何以及由什么元件组成。它决定结构设计、手指的数量及使用的材料。此外，还确定驱动器（如电动机）、传感器（如位置编码器）的位置。
3.1 结构设计
结构设计将对机械手的灵活度起很大的作用，即它能抓取何种类型的物体以及能对被抓物体进行何种操作。设计一个机器人手的时候，必须确定三个基本要素：手指的数量、手指的关节数量以及手指的尺寸和安置位置。
为了能够在机械手的工作范围内安全的抓取和操作物件，至少需要三根手指。为了能够对被抓物体的操作获得6个自由度（3个平移和3个旋转自由度），每个手指必须具备3个独立的关节。这种方法在第一代卡尔斯鲁厄灵巧手上被采用过。但是，为了能够重抓一个物件而无需将它先释放再拾取的话，至少需要4根手指。
要确定手指的尺寸和安置位置，可以采用两种方法：拟人化和非拟人化。然后将取决与被操作的物体以及选择何种期望的操作类型。拟人化的安置方式很容易从人手到机器人手转移抓取意图。但是每个手指不同的尺寸和不对称的安置位置将增加加工费用，并且是其控制系统变得更加复杂，因为每个手指都必须分别加以控制。对于相同手指的对称布置，常采用非 3
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拟人化方法。因为只需加工和构建单一的“手指模块”，因此可减少加工费用，同时也可是控制系统简化。
3.2 驱动系统
指关节的驱动器对手的灵活度也有很大的影响，因为它决定潜在的力量、精度及关节运动的速度。机械运动的两个方面需加以考虑：运动来源和运动方向。在这方面，文献里描述了有几种不同的方法，如文献[3]中说可由液压缸或气压缸产生运动，或者，正如大部分情况一样使用电动机。在多数情况下，运动驱动器（如电机）太大而不能直接与相应的指关节结合在一起，因此，这个运动必须由驱动器（一般位于机器臂最后的连接点处）转移过来。有几种不同的方法可实现这种运动方式，如使用键、传动带以及活动轴。使用这种间接驱动指关节的方法，或多或少地降低了整个系统的强度和精度，同时也使控制系统复杂化，因为每根手指的不同关节常常是机械地连在一起，但是在控制系统的软件里却要将它们分别独立控制。由于具有这些缺点，因此小型化的运动驱动器与指关节的直接融合就显得相当必要。
3.3 传感系统
机器手的传感系统可将反馈信息从硬件传给控制软件。对手指或被抓物体建立一个闭环控制是很必要的。在机器手中使用了3种类型的传感器： 1.手爪状态传感器确定指关节和指尖的位置以及手指上的作用力情况。知道了指尖的精确位置将使精确控制变得可能。另外，知道手指作用 4
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在被抓物体上的力，就可以抓取易碎物件而不会打破它。
2.抓取状态传感器提供手指与被抓物体之间的接触状态信息。这种触觉信息可在抓取过程中及时确定与物体第一次接触的位置点，同时也可避免不正确的抓取，如抓到物体的边缘和尖端。另外还能察觉到已抓物体是否滑落，从而避免物体因跌落而损坏。
3.物体状态或姿态传感器用于确定手指内物体的形状、位置和方向。如果在抓取物体之前并不清楚这些信息的情况下，这种传感器是非常必要的。如果此传感器还能作用于已抓物体上的话，它也能控制物体的姿态（位置和方向），从而监测是否滑落。
根据不同的驱动系统，有关指关节位置的几何信息可以在运动驱动器或直接在关节处出测量。例如，如在电动机和指关节之间有一刚性联轴器，那么就可以用电机轴上的一个角度编码器（在齿轮前或齿轮后）来测量关节的位置。但是如果此联轴器刚度不够或着要获得很高的精度的话，就不能用这种方法。
3.4卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ的机械系统
为了能够获得如重抓等更加复杂的操作，卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ（KDHⅡ）由4根手指组成，且每根手指由3个相互独立的关节组成。设计该手是为了能够在工业环境中应用（图3所示）和操纵箱、缸及螺钉螺帽等物体。因此，我们选用四个相同手指，将它们作对称、非拟人化配置，且每个手指都能旋转90°（图4所示）。
鉴于从第一代卡尔斯鲁厄灵巧手设计中得到的经验，比如因传动带而导 5
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致的机械问题以及较大摩擦因数导致的控制问题，卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ采用了一些不同的设计决策。每根手指的关节2和关节3之间的直流电机被整合到手指前部肢体中（图5所示）。这种布置可使用很硬的球轴齿轮将运动传递到手指的关节处。处在电机轴上的角度编码器（在齿轮前）此时可作为一个精度很高的位置状态传感器。
图3.工业机器人上的KDHⅡ
图4.KDHⅡ的顶视图
为了感知作用在物体上的手指力量，我们发明了一个六维力扭矩传感器（图6所示）。这个传感器可当作手指末端肢体使用，且配有一个球形指尖。它可以抓取较轻的物体，同时也能抓取3-5kg相近的较重物体。此传感器能测量X、Y和Z方向的力及绕相关轴的力矩。另外，3个共线的激光三角测量传感器被安置在KDHⅡ的手掌上（图5所示）。因为有3个这样的传感器，因此不仅可以测量3单点之间的距离，如果知道物体的形状，还能测出被抓物体表面之间的距离和方向。物体状态传感器的工作频率为1kHz，它能检测和避免物体的滑落。
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图5.KDHⅡ的侧视图
图6.带应变计量传感器的六自由度扭转传感器
4.控制系统
机器人手的控制系统决定哪些潜在的灵巧技能能够被实际利用，这些技能都是由机械系统所提供的。如前所述，控制系统可分为控制计算机即硬件和控制算法即软件。
控制系统必须满足以下几个的条件：
1.必须要有足够的输入输出端口。例如，一具有9个自由度的低级手，其驱动器至少需要9路模拟输出端口，且要有9路从角度编码器的输入端口。如再加上每个手指上的力传感器、触觉传感器及物体状态传感器的话，则端口数量将增加号几倍。
2.需具备对外部事件快速实时反应的能力。例如，当检测到物体滑落时，能立即采取相应的措施。
3.需具备较高的计算能力以应对一些不同的任务。如可以对多指及物体并行执行路径规划、坐标转换及闭环控制等任务。
4.控制系统的体积要小，以便能够将其直接集成到操作系统当中。
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5.在控制系统与驱动器及传感器之间必须要电气短接。特别是对传感器来说，若没有的话，很多的干扰信号将会干扰传感器信号。
4.1 控制硬件
为了应对系统的要求，控制硬件一般分布在几个专门的处理器中。如可通过一个简单的微控制器处理很低端的输入输出接口（马达和传感器），因此控制器尺寸很小，能轻易地集成到操纵系统中。但是较高水平的控制端口则需要较高的计算能力，且需要一个灵活实时操作系统的支持。这可以通过PC机轻易地解决。
因此，控制硬件常由一个非均匀的分布式计算机系统组成，它的一端是微控制器，而另一端则是一个功能强大的处理器。不同的计算单元则通过一个通信系统连接起来，比如总线系统。
4.2 控制软件
机器人手的控制软件是相当复杂的。必须对要对手指进行实时及平行控制，同时还要计划手指和物体的新的轨迹。因此，为了减少问题的复杂性，就有必要将此问题分成几个子问题来处理。
另一方面涉及软件的开发。机器人手其实是一个研究项目，它的编程环境如用户界面，编程工具和调试设施都必须十分强大和灵活。这些只能使用一个标准的操作系统才能得到满足。在机械人中普遍使用的分层控制系统方法都经过了修剪，以满足机械手的特殊控制要求。
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4.3卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ的控制系统
如在4.1节中所说，对于卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ的控制硬件，采用了一种分布式方法（图7所示）。一个微控制器分别控制一个手指的驱动器和传感器，另外一个微控制器用于控制物体状态传感器（激光三角传感器）。这些微控制器（图7左侧和右侧的外箱）直接安装在手上，所以可以保证和驱动器及传感器之间较短的电气连接。这些微控制器都是使用串行总线系统和主控计算机连在一起的。这个主控计算机（图
7、图8中的灰色方块）是由六台工业计算机组成的一个并行计算机。这些电脑都被排列在一个二维平面。相邻电脑模块（一台电脑最多有8个相邻模块）使用双端口RAM进行快速通信（图7中暗灰色方块所示）。一台电脑用于控制一个手指。另一台用于控制物体状态传感器及计算物体之间的位置。其余的电脑被安在前面提到的电脑的周围。这些电脑用于协调整个控制系统。控制软件的结构反映了控制硬件的架构。如图9所示。
图7.KDH II的控制硬件构架
图8.控制KDH II的平行主计算机
一个关于此手控制系统的三个最高层次的网上计划正在规划。理想的
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物体位移命令可由优越的机器人控制系统得到，并可用作物体路径的精确规划。根据已产生的目标路径就可规划可行的抓取行为（手指作用在物体上的可行抓取位置点）。现在知道了物体的运动计划，就可以由手指路径规划得出每个手指的运动轨迹，并传递给系统的实时能力部分。如果一个物体被抓取了，那么其手指的运动路径就传递给了物体的状态控制器。这个控制器控制物体的姿态，它由手指和物体状态传感器所决定，用以获得所需的物体姿态。如果一个手指没有跟物体接触，那么它的移动路径将会直接传递给手控制器。这个手控制器将相关的预期手指位置传递给所有的手指控制器，以协调所有手指的运动。这些在手指传感器的帮助下又反过来驱动手指驱动器。
图9.KDHⅡ的手部控制系统
5.实验结果
为了验证卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ的能力，我们选择了两个要求操作问题。一个问题是在网上对处于外部影响下的被抓物体姿态（位置和方向）的控制。另一个问题是被抓物体必须能够绕任意角度旋转，这只能通过重抓才能实现。这可以反映卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ对复杂任务的操作能力。
5.1 物体姿态控制
这个物体姿态控制器的目的是为了确定好被抓物体的位置和方向以适
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合给定的轨迹。此任务必须在实时条件通过在线获得，尽管有内部变化及外部干扰的存在。内部变化比如在物体移动过程中，球形指尖在被抓物体上的滚动。这种状况如图
10、图11所示。这将导致物体的不必要的额外移动和倾斜。这些错误的物体姿势很难预先估计。因此，物体状态传感器的输入必须要修改这些错误。对于卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ来说，其上的三个激光三角传感器就是用来纠正此种错误的。图12定量地说明了图9中物体在没有姿态控制情况下的倾斜情况。下图显示了在X方向上随时间推移的预期轨迹，而上图显示了物体实际的旋转（倾斜）结果情况。因为启用了物体状态控制，图13中的物体倾斜得到了很大的减少。上图物体的旋转保持基本恒定，这和期望的一样。
图10.因滚动产生的额外位移
图12.没有状态控制的物体倾斜
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图11.因球形指尖在物体上的滚动而产生
图13.物体状态控制下减少的物体
额外的不期望倾斜情况
倾斜情况
物体状态控制器对补偿外界干扰也是十分必要的。比如，机器人（手臂、手或手指）或被抓物体与外界的碰撞可能导致物体的滑落。这更有可能导致被抓物体的损耗，这是不能出现的情况。为了能够避免物体在这种情况下的损失，就必须检测出物体的滑落并迅速采取行动以稳定物体的状态。
为了验证卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ控制系统对这种干扰情况的处理能力，我们做了以下的实验：物件被抓后，将手指的接触力恒定减少直至物体开始滑落。在激光三角传感器检测滑落后，物体状态控制器采取措施将物体重新调控到所期望的位置。图14和图15展示了此种实验的一个例子。尤其是图14，它显示出物体滑落启动的相当突然且相当快。但是物体状态控制器也能够足够快地检测和补偿滑落，这样物体的位置（这里：特别是X方向，就是滑落的方向）和物体的方向能够与最开始的期望值很快地相符。
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图14.滑落实验：X方向的实际物体
图15.滑落实验：关于Z轴的实际
位置
物体方向
5.2 重抓
虽然卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ非常的灵活，但是它不能在第一次操作中就能得到每一个理想的对象操纵。这源于这样一个事实：手指相对于正常的工业机器人来说是十分小的，因此所具备的工作范围也是很有限的。如果物体被手指抓住，那么它第一次只能在所有手指的剩余空间内被操纵。可行操作的条件是所有的接触点必须长期地处在相联手指的工作范围内。这很大地限制了操作的可行性。为了能够克服此种限制，一个叫做重抓的操作就必须执行。即当一个接触点到达了相联手指的限制区域时，这个手指就必须从物体上脱离，并移到一个新的接触位置。这必须是多于3个手指的手才能使操作可靠。周期性的移动这些手指，就能使任意的操作变得可行。关于此种操作有一个例子，就是在大角度旋转被抓物体时，此时重抓动作很有必要。图16显示了卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ在旋转一个螺帽状物体时的一系列图片。这个物体是绕它的垂直轴旋转的。在a到c图中所有的手指都跟物体接触，并且四个手指相互协调运动才使物体旋转。图d到图f显示了一 13
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个手指的的重抓动作。在d图中这个手指已经运动到其工作范围的极限位置，这时所有手指的协调运动也被终止。左前方的手指脱离物体并单独移动到另一个接触点。在图f中这个手指重新跟物体接触，另一个手指此时可以重新定位（没有显示）。所有的手指重新定位之后，协调旋转运动继续进行。视具体情况而定，卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ也可以同时进行几个手指的重抓动作。这可以加速重抓过程，但是只能是被抓物体与外界接触的条件下才有可能。比如说螺丝钉上的螺帽或孔里的一挂钩。图17显示了卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ将一个木柱从一个平方的基座孔内拉出来的一系列图片。图a到图b显示木柱被拉出一半，然后左手指和右手指在同一时刻脱离物体并重新定位（图c到图e）。那之后，前面与后面的手指也重新定位（图f）。那之后，整个木柱被拉出，从而可进行进一步的操作（没有显示）。
图16.利用重抓旋转螺帽状物体
图17.利用重抓从孔中拉出 14
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木柱
6.结论
机械手表的离合控制装置 篇6
离合传动系
手表的离合传动系包括了柄轴、离合轮和立轮，它们各司其职等待戴表人的指令。
柄轴
柄轴是机心与成表外观相连接的唯一的通道，普通人会注意手表右侧有个柄头（也有在左侧的比较少见）。
A位置被加工成榫状，与离合轮的中心方孔配合，两者可以同步转动；
B位置与立轮的中心孔配合；
C和D位置与基板的横孔相配合，作为前后支承作用；
E位置被加工出螺纹与柄头紧固为一体；
离合轮
此零件顾名思义就是用来做离合器的关键所在，功能之间的转换全靠他来负责。
A位置为中心孔，被加工成方孔形状，与柄轴的方榫配合；
B位置被加工成端面斜齿，将会与立轮同样的齿连接；
C位置被加工成端面齿，与拨针轮系连接；
立轮
立轮的作用很关键，它与离合轮连接驱动拨针轮系，与上条轮连接驱动上条轮系。
A位置为中心孔与柄轴的B位置配合；
B位置被加工成端面斜齿，与离合轮的B位置连接可以联动；
C位置被加工成轮齿，与上条轮构成垂直传动方式。
离合控制系
两档拉档
拉档作为离合控制系的被启动环节，与柄轴连接。
A位置是个圆形凸起，与柄轴B和D两个位置之间的凹槽配合；
B位置是个交界点，与后面要提到的离合杆配合；
C位置是另一个圆形凸起，与后面要提到的定档簧配合；
两档离合杆
离合杆的作用是让离合轮在设定的档位的时候，处于正确的位置上。
A位置与离合轮位于中间位置的凹槽配合；
B位置与拉档的B位置配合；
两档定档簧
定档簧的作用就是确定档位，与拉档直接呼应。
A位置是第一档弧形凹槽，与拉档C位置的圆形凸起配合；
B位置是第二档弧形凹槽，与拉档C位置的圆形凸起配合。
两档位离合控制系实例
1. 带有柄头的柄轴横向插入基板，同时控制了离合轮与立轮紧密的咬合在一起；
2. 拉档放在基板预先设置好的位置上，拉档前端的凸起与柄轴的开槽配合在一起；
3. 离合杆的尾端圆孔与基板的指定圆形凸起配合，而前端颈部与离合轮的中间开槽相配合，并且起到提供弹性力的辅助簧紧贴在离合杆侧翼。离合杆的头部与拉档的尾部处于将近配合状态；
4. 定档簧下端的两个圆孔与基板的两个圆柱相配合，起到了定心和定向的作用，并且通过螺钉与基板固定为一体。此零件相当于小夹板把之前提到的零件都压在身下，同时在它的前端有两根叉——一个被加工成弯曲状具备一定的弹力紧紧地压着拉档，另一根的顶部有两个凹槽（这就是两档位的关键），其中最靠前的一个与拉档尾部的凸起配合在一起。大家注意了此时两档位离合控制装置已经处于了第一档位，也就是上条档位；
5. 拉动柄头使得柄轴带动拉档转动，拉档尾端顶在离合杆的头部，促使离合杆转动了一个角度，并且带动离合轮向基板内侧滑动与立轮分离开。这就是离合的完整工作过程，而此时两档位离合控制装置已经处于了第二档位，也就是拨针档位；
三档位离合控制系
前面我给大家介绍的是两档位离合控制系，而三档位离合控制系是在两档位之间增加了一个档位。
此档位的补充大大丰富了机心的功能配置，使机心的可操控性大幅度提升了。所增加的第三档位主要是用来控制机心所附加的功能，最常用的是日历与周历，将档位调至第三档转动柄头，快拨装置就会与日历环的内齿相配合或者与周历轮齿相配合，达到了快速调校它们的目的。三档位离合控制系的拉档、离合杆和定档簧与两档位的，虽然外形上区别不大，但是细节上有值得琢磨的地方。
三档拉档
此零件与两档位拉档的区别是B位置被延伸了，其交点位置外形比两档位拉档宽很多，目的就是在它被柄轴拉出第二档与第三档两个位置的时候，三档位拉档有足够的空间驱动三档位离合杆的顶部端面；
三档离合杆
三档位离合杆的位置C是被补充出来的一个斜面，它负责与三档位拉档的B位置相配合，把档位扩展到了第三档。离合轮也就更加繁忙了，它将随三档位离合杆左、中、右连续摇摆；
三档定档簧
三档位定档簧b的突出变化是在顶端档位位置多出了一个弧形凹槽位置C，它用来配合三档位拉档和三档位离合杆的档位转换。
ETA2892三档位离合控制装置
ETA2892机心属于相当的经典结构布局，而此款机心的三档位离合控制装置也是非常经典的教科书般的机构。从图中我们最容易可以看到的是前文说到的离合传动系-柄轴、立轮和离合轮，这部分与两档位的结构基本上是一致的。离合控制系的拉档位于离合传动系的下方，定档簧与离合杆位于离合传动系的上方。此时可以看到定档簧的左侧分支尾端有三个凹槽，那就是三档位的标志，拉档的圆形凸起正好就在旁边与之配合。
作者点评
机械手表的离合控制装置的作用大家已经很了解了，虽然它的地位始终不是那么显眼，很多时候被人所遗忘，但是只要你想接触手表，把玩它就肯定会想起它。因为你所接触的柄头正是最好的证据，上条给手表储存能量，拨针让手表正确显示时间，甚至于调校日历、周历乃至万年历都少不了它的默默奉献。
机械运动控制 篇7
当前的机械电子技术被广泛应用到了机械手领域, 机械手的应用范围越来越大, 完成的工作也越来越复杂。随着应用性的加强, 单一机械手已经无法胜任越来越复杂的工作, 很多工作需要多个机械手配合完成, 这样可以节省大量工作时间, 同时也最大程度地保证了其工作效率, 并减少了重复性的劳动。在实际应用中, 双机械手协调系统是多机械手协调系统中最常见、需求量最大的一种类型。由2个机械手配合完成一些较为复杂的工作, 能够很好地解决单一机械手中出现的无配合、准确性低、复杂度低等问题, 从而可大幅度地解放人力。随着工作环境的复杂化, 对双机械手的协调性也提出了更高的要求。当前需要解决的问题就是双机械手的协调工作问题, 其中里面又涉及到碰撞检测、报警检测等一系列问题, 因此解决起来有一定难度。为此, 本文提出一种双机械手协调运动控制方法, 该方法采用一种集散控制原理, 运用协调控制体系对2个机械手协调工作中的误差和时延进行消除, 以保证机械手协调工作中的稳定性和可靠性。实验表明, 这种设计方法能够很好地解决动作碰撞的弊端。
1 系统结构
1.1 分散控制与集中控制
采用集中控制和分散控制策略的机械手, 其控制系统各具优势。分散控制可以实现同步信息采集并给出处理信号, 使控制系统具有强大的灵活性。但由于系统信息不完整, 分散控制系统不适合处理偏差大且需要及时纠偏的任务。相反, 集中控制系统有稳定的控制中心, 其信息采集、信息处理和纠偏检测由控制中心统一协调规划, 可以保证系统的整体一致性, 完成需要较高协调度的任务。但是采用集中控制策略的系统, 其运算输出、信号输入输出过程中会产生更多的数据和信息, 容易造成计算机处理系统崩溃, 所以集中控制系统对计算机的硬件要求较高。在现实应用的机械手系统中, 如何实现完整的信息采集、数据处理和协调多机械手之间的行动, 问题就更为突出。
1.2 集散控制
机械手连接中采用集中控制和分布式控制相结合的方式可以克服集中式控制和分布式控制存在的问题, 最大限度地发挥其优势。为了使机械手的工作更加合理, 对机械手的任务进行合理的分配, 使机械手能够独立或者相互配合着完成工作, 避免由于控制不一致带来的碰撞问题, 从而使机械手能够较为灵活地完成多个复杂的任务, 提高其运行的效率和工作的灵活性。集中控制可以采用分层结构, 从上而下完成控制工作, 中央控制中心采用PC电脑远程控制, 通过中间的控制中间层与最低层的机械手进行信息通信, 完成控制和监控。机械手最为重要的是解决以下几个问题: (1) 计算机与机械手、机械手与机械手之间的通讯问题, 如计算机与机械手的通讯, 多机械手之间同步、异步的操作以及机械手协调作业的执行。 (2) 双机械手坐标标定问题。本项目控制系统采用集散控制, 建立了一个分层递阶的三级结构机械手协调控制系统, 较好地解决了上述问题, 成功地进行了双机械手的协调控制。
1.3 协调控制体系结构
根据集散控制理论, 本项目设计的分层递阶结构系统框图如图1所示。
机械手的控制过程是一个较为复杂的过程, 双机械手的控制更为复杂, 从上而下一共分为3层:控制站、机械手控制柜、机械手手臂。其中远程控制系统采用嵌入式设计, 主要采用基本的PC控制原理, 通过中间层的控制站完成对机械手的控制。由于是双机系统, 因此在机械手的协调工作过程中, 必须要使机械手不发生碰撞。中间层起到承上启下和协调的作用, 控制单元的设计必须保证同步性、一致性和协调性。最上层为监控和自动控制层, 对机械手的各项运动指标进行监控, 并且及时报警, 完成远程监控的功能, 也可以完成机械手的运动跟踪、运动估计、运动方向计算、执行位置闭环、过速保护、伺服控制、轨迹平滑等功能。
1.4 双机械手协调的坐标系
2个机械手的坐标系不同, 必须统一坐标系才能保证2个机械手的行为都在同一个平面内。坐标系和机械手的位置也有一定的关系, 如果2个机械手处在不同的位置, 那么坐标系也会发生相应的变化, 这里2个机械手的中轴线是相互平行的, 坐标轴是重合的。坐标系以主机械手的坐标系为空间坐标系。2个机械手建立在同一个坐标系下, 这样可以保证机械手的行动在同一个平面内。在空间中, 可以通过设定各个坐标轴的坐标, 保证坐标轴的稳定和可靠, 协调各个机械手的动作, 且无需转换坐标系, 即可保证动作在同一平面内。
2 实验结果分析
当前的机械手协调工作中存在信号延迟, 从而造成动作滞后、碰撞等问题。为了验证本文提出的双机械手协调运动控制方法的效果, 笔者做了对比实验, 实验中采用传统的配合方法和本文的配合方法, 构造机械手协调工作中可能存在碰撞冲突的区域, 运用双机械手协调工作的实验原理, 分别计算2个机械手的运动路径。两者采用不同的运动路径, 运动中途可能存在碰撞。其运动效果如图2所示。
图2 (c) 为传统控制方法下得到的结果, 可以看出发生了较为明显的碰撞, 而图2 (d) 中的本文算法却成功地避免了碰撞的发生, 获得了较好的效果。在存在碰撞区域的情况下, 通常的处理方法是: (1) 不运行。 (2) 分别独立运行。采用改进的方法相对于传统控制方法, 其效率提高了40.7%, 证明了改进方法的有效性。
3 结语
通过以上实验结果可以看出, 本文方法下的实验结果与传统方法的实验结果相比, 在避免碰撞问题上起到了很好的作用, 从而为大型机械手臂协调工作中存在的碰撞问题提供了一个可行的解决方法。
摘要：针对当前机械手协调工作中存在的信号延迟造成的动作滞后、碰撞等问题, 提出了一种双机械手协调运动控制方法, 该方法采用一种集散控制原理, 运用协调控制系统对2个机械手协调工作中出现的误差和时延进行消除, 以保证机械手协调工作中的稳定性和可靠性。实验表明, 这种设计方法能够很好地解决动作碰撞的弊端。
关键词：机械手,协调运动,碰撞
参考文献
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机械运动控制 篇8
冷冲压就是将各种不同规格的板料或坯料,利用模具和冲压设备(压力机,又名冲床)对其施加压力,使之产生变形或分离,获得一定形状、尺寸和性能的零件。一般生产都是采用立式冲床,因而决定了冲压过程的主运动是上下运动,另外,还有模具与板料和模具中各结构件之间的各种相互运动。
机械运动可分为滑动、转动和滚动等三种基本运动形式,在冲压过程中都存在,但是各种运动形式的特点不同,对冲压的影响也各不相同。
既然冲压过程存在如此多样的运动,在冲压模具设计中就应该对各种运动进行严格控制,以达到模具设计的要求;同时,在设计中还应当根据具体情况,灵活运用各种机械运动,以达到产品的要求。
冲压过程的主运动是上下运动,但是在模具中设计斜楔结构、转销结构、滚轴结构和旋切结构等,可以相应把主运动转化为水平运动、模具中的转动和模具中的滚动。在模具设计中这些特殊结构是比较复杂和困难,成本也较高,但是为了达到产品的形状、尺寸要求,却不失为一种有效的解决方法。
2. 机械运动控制在冲压模具设计中的运用
(1)机械运动控制在冲裁模具设计中的运用
冲裁工艺的基本运动是卸料板先与板料接触并压牢,凸模下降至与板料接触并继续下降进入凹模,凸、凹模及板料产生相对运动导致板料分离,然后凸、凹模分开,卸料板把工件或废料从凸模上推落,完成冲裁运动。卸料板的运动是非常关键的,为了保证冲裁的质量,必须控制卸料板的运动,一定要让它先于凸模与板料接触,并且压料力要足够,否则冲裁件切断面质量差,尺寸精度低,平面度不良,甚至模具寿命减少。
按通常的方法设计落料冲孔模具,往往冲压后工件与废料边难以分开。在不影响工件质量的前提下,可以采用在凸凹模卸料板上增加一些凸出的限位块,以使落料冲孔运动完成后,凹模卸料板先把工件从凹模中推出,然后凸凹模卸料板再把废料也从凸凹模上推落,这样一来,工件与废料也就自然分开了。
对于一些有局部凸起的较大的冲压件,可以在落料冲孔模的凹模卸料板上增加压型凸模,同时施加足够的弹簧力,以保证卸料板上压型凸模与板料接触时先使材料变形达到压型目的,再继续落料冲孔运动,往往可以减少一个工步的模具,降低成本。
有些冲孔模具的冲孔数量很多,需要很大冲压力,对冲压生产不利,甚至无足够吨位的冲床,有一个简单的方法,是采用不同长度的2～4批冲头,在冲压时让冲孔运动分时进行,可以有效地减小冲裁力。
对那些在弯曲面上有位置精度要求高的孔(例如对侧弯曲上两孔的同心度等)的冲压件,如果先冲孔再弯曲是很难达到孔位要求的,必须设计斜楔结构,在弯曲后再冲孔,利用水平方向的冲孔运动可以达到目的。对那些翻边、拉深高度要求较严需要做修边工序的,也可以采用类似的结构设计。
(2)机械运动控制在弯曲模具设计中的运用
弯曲工艺的基本运动是卸料板先与板料接触并压死,凸模下降至与板料接触,并继续下降进入凹模,凸、凹模及板料产生相对运动,导致板料变形折弯,然后凸、凹模分开,弯曲凹模上的顶杆(或滑块)把弯曲边推出,完成弯曲运动。卸料板及顶杆的运动是非常关键的,为了保证弯曲的质量或生产效率,必须首先控制卸料板的运动,让它先于凸模与板料接触,并且压料力一定要足够,否则弯曲件尺寸精度差,平面度不良;其次,应确保顶杆力足够,以使它顺利地把弯曲件推出,否则弯曲件变形,生产效率低。对于精度要求较高的弯曲件,应特别注意一点,最好在弯曲运动中,要有一个运动死点,即所有相关结构件能够碰死。
有些工件弯曲形状较奇特,或弯曲后不能按正常方式从凹模上脱落,这时,往往需要用到斜楔结构或转销结构,例如,采用斜楔结构,可以完成小于90度或回钩式弯曲,采用转销结构可以实现圆筒件一次成型。
值得一提的是,对于有些外壳件,如其弯曲边较长,弯头与板料间的滑动,在弯曲时,很容易擦出毛屑,材料镀锌层脱落,频繁抛光弯曲冲头效果也不理想。通常的做法是把弯曲冲头镀钛,提高其光洁度和耐磨性;或者在弯曲冲头R角处嵌入滚轴,把弯头与板料的弯曲滑动转化为滚动,由于滚动比滑动的摩擦力小得多,所以不容易擦伤工件。
(3)机械运动控制在拉深模具设计中的运用
拉深工艺的基本运动是,卸料板先与板料接触并压牢,凸模下降至与板料接触,并继续下降,进入凹模,凸、凹模及板料产生相对运动,导致板料体积成形,然后凸、凹模分开,凹模滑块把工件推出,完成拉深运动。
卸料板和滑块的运动非常关键,为了保证拉深件的质量,必须控制卸料板的运动,让它先于凸模与板料接触,并且压料力要足够,否则拉深件容易起皱,甚至裂开;其次应确保凹模滑块压力足够,以保证拉深件底面的平面度。
拉深复合模设计合理,可以很好地控制结构件的运动过程,达到多工序组合的目的。例如典型的落料拉深切边冲孔复合模具的设计。
另外,有些需要有卷边(或滚边)工序,模具设计中也用到了滚轴结构,所以在卷边过程中滚动的摩擦力非常小,不容易擦伤工件表面。
对那些需要旋转的拉深结构件,切边的高度、跳动度等要求相当高,需要在模具中设计特别的旋切结构,利用旋转(切)运动修边,不仅能保证切边的尺寸精度高,甚至切边的毛刺及冲切纹路亦相当美观。值得一提的是,此旋切结构在实际设计改良后,已经非常易于模具加工制作,并且已运用于连续拉深模具当中。
(4)机械运动控制在连续模具设计中的运用
连续模具中常常同时包括了冲裁、弯曲和拉深等冲压工艺,因而其冲压过程中的机械运动也包括了这三种工艺的基本运动模式,对连续模具中运动的控制,应分成各基本工艺分别进行控制。
通常连续模具要求不断加快冲压速度,提高生产效率,有些形状较复杂、较特别的冲压件,其冲压运动较费时,在连续模具设计中可以分解成效率较高的冲压运动。
需要特别指出的是,连续模具因为在实际生产中还牵涉到送料机、吹风装置等,在设计中应充分考虑到这些因素,让冲床、模具、送料机和吹风装置的运动在时间上配合好,连续模具才能真正顺利生产。
3. 结束语
尽管各种工艺的基本运动原理是不同的,但是也有共同点,就是卸料板(或滑块)的运动是重要的控制因素。实际上,在模具设计当中,产品的冲压工艺不可能都象各种工艺的基本运动那样简单,应当要根据具体情况对产品工艺作好运动分析,而各种机械运动对冲压工艺实现与冲压件品质的影响也各不相同,因而在冲压模具设计中对机械运动的控制和灵活运用对提高设计水平和保证冲压件品质具有重要意义。
摘要：在冲压过程中，机械运动贯穿始终。设计的模具能否严格完成实现冲压工艺所需的运动，直接影响到冲压件的品质，所以在模具设计中应对机械运动进行控制。同时为了达到产品形状尺寸的要求，不能够拘泥或局限于各种工艺基本运动模式中，而应不断发展和创新，在模具设计中对机械运动灵活运用。
机械运动控制 篇9
视觉反馈的机械手运动控制系统主要由机械手本体、双目视觉系统和控制系统组成。整个系统运动控制方式如图1所示。
系统控制流程: 平行放置的摄像头获取目标物体和机械手末端图像,由图像处理得到目标物和机械手末端的空间位置,利用机械手运动学逆解求出机械手各关节应旋转的角度,满足机械手运动学和动力学条件,计算机上的运动控制卡按控制程序要求发送脉冲信号到各步进电机驱动器,控制各关节旋转和手爪进行抓物与放物的开合运动,同时摄像头采集机械手各关节与手爪所在位置,并将摄像头采集位置与计算机驱动位置进行比对与修正,直至机械手末端执行器完成目标抓取任务。
2双目视觉系统
视觉系统需要完成的视觉功能包括: 图像采集、 摄像机标定、计算目标空间位置、监测机械手末端位置以及向机械手臂传输运动控制量等。
2.1基于OpenCV的特征点匹配原理
本文采用基于窗口的稀疏点匹配方法实现立体匹配,从而得到目标物体和机械夹手的空间位置。 稀疏点的匹配要对图像强特征点提取,本文选取的特征点为图像轮廓点。
匹配两图像点p1= ( x1y11)T和p2= ( x2y21)T,将点p1所在窗口内所有点的灰度值转换成向量v1,如图2所示,p2所在窗口所有点灰度值构成的向量v2。匹配原则是: 两向量v1、v2之间的夹角愈小,两点的匹配度愈高。两向量的夹角计算如式( 1) 所示:
θ 为两向量的夹角。cosθ = 1时表示两向量匹配最佳,cosθ = 0则表示是最差匹配。匹配时将cosθ 的最小值设为0. 9,cosθ 不大于0. 9时就认为是不匹配点。
本文采用Canny边缘检测法提取图像轮廓,首先提取左图中特征点,接着运用上述的向量夹角匹配法来得出该点及它在下图中处于同一行的所有点进行匹配。运用上述的向量夹角特征点cosθ 值,将cosθ 值最大( 至少大于0. 9) 的点记为该点对应匹配点。特征点匹配完成后,要对各点进行插值运算。 本文采用的是直线线性插值方法,设同一行中两点a1、b1都已匹配,如图3所示,视差分别为d1、d2,则a1和b1的中间所有点的视差应该由d1有规律地变化到d2。记特征点和匹配点的x坐标为x1、x2,两者之差d = x2- x1即为视差值。
最后的匹配效果可以用深度图来表示。实验中得到的深度图如图4所示。
本文在Open CV的平台上实现基于窗口的稀疏点匹配方法,在实验中,使用摄像机标定得到的摄像机内外参数,通过公式H = λA[Rt]得到投影矩阵,得到基础矩阵:
假设目标对象的中心点为P,夹手点为C,由图可以看出,利用两个匹配点就可以确定目标物体中心点在左右图像上图像坐标系下的坐标分别为P1( 218,202) ,P2( 126,202) ,夹手点在左右图像上图像坐标系下的坐标分别为c1( 236,133) ,d1( 266, 165) ,c2( 150,133) ,d2( 180,165) ,所以夹手中心的坐标为C1( 251,149) ,C2( 165,149) ,计算得到目标物体中心和夹手中心在摄像机坐标系下的三维坐标 分别为 ( 284. 3478,269. 3333,7. 8261 ) , ( 350. 2326,207. 9070,8. 3720) 。
本文建立的摄像机坐标系原点在机械手的基座最前方,坐标轴方向同机械手控制坐标系轴线方向同向,摄像机坐标系原点与机械手基坐标系原点间的向量值为( 360,365,10) ,单位为mm,将目标物体和夹手末端在摄像机坐标系下的三维坐标转换为机械手基坐标系下的三维坐标,( X,Y,Z) = ( - 75. 6522, 95. 6667,- 2. 1739 ) ,( X',Y',Z') = ( - 9. 7674, 157. 0930,- 1. 6280) 。
2.2标定方法
本文采用的张氏棋盘标定法是一种基于2D平面靶标的摄像机线性标定,标定过程中相机参数始终为常量,只有外参数为变量,标定的实现如下。
1靶标与其图像平面之间的映射矩阵
靶标平面上的三维点记为M =[x,y,z]T,其齐次坐标为M' =[x,y,z,1]T; 图像平面上的二维点记为m =[u,v]T,其齐次坐标为m' =[u,v,1]T,M与m之间有如下关系:
式中,s为任意非零常数,A称为相机内参数矩阵( 定义如式( 3) 所示,旋转矩阵R和平移向量t为外参数矩阵。
假定靶标位于基准坐标系的Z = 0平面上,旋转矩阵R的第i列记为ri,可得:
这里M =[x,y]T,M' =[x,y,1]T,这样靶标平面上的点M与其对应的图像点m之间存在变换矩阵H,即:
式( 5) 中,记H =[h1h2h3]则有H =[h1h2h3]= λA[γ1γ2t],这里det( [r1r2t]) ≠0 det( [A]) ≠0,则det( [H]) ≠0。
2求取相机参数矩阵
由于R正交得到两个基本方程:
令B = A- TA- 1,将A代入B得:
从式( 7) 可以看出,B是一个对称矩阵,于是定义一个六维向量b: b =[B11B12B22B13B23B33]T,得到:
其中,hi=[hi1hi2hi3]T为透视投影矩阵H的第i列,
这样式( 5) 可以写成如下齐次方程:
当采集的图像数n≥3时,由式( 9) 可以求解出向量b,再b和B的定义就可以导出摄像机的内参数。获得内参数后,由透视投影矩阵H的定义就可以确定每幅图像的外参数。
3摄像机畸变校正
考虑镜头畸变的影响,建立如式( 9) 所示的数据拟合目标函数。利用上述畸变模型计算出图像上N个角点的坐标值 ( ui,vi) ( i = 1,2,…,N) ,标定角点的实际坐标值为( Ui,Vi) ( i = 1,2,…,N) ,然后进行数据拟合、迭代,迭代的初值是在不考虑摄像机畸变时算出的摄像机内外参数。
4双目摄像机标定
以上三步是单目摄像机标定的方法,双目标定除了要得出每个相机的内外参数,还要得到两相机间的相对位置。假设摄像机C1、摄像机C2与世界坐标系相对位置的外部参数分别为R1、t1和R2、t2。两个摄像机之间的几何关系表示为:
2.3摄像机标定实验
实验开始时将棋盘格标定模板以不同方位和姿态放在摄像机前拍摄六组图像。利用Visual Studio 2010开发基于Open CV2.4. 3版本的摄像机标定程序,首先完成每个摄像机内外参数的求取,然后根据公式:
得出表示两个摄像机相对几何位置的旋转矩阵R和平移向量t。
根据上述的基于Open CV的双目摄像机标定方法,将左、右摄像机采集的标定图像名称( 包括扩展名) 依次分别写入video1. txt、video2. txt文本文件,运行程序得到摄像机的标定结果,如表1 -3所示。
由表3结果可知,系统对每幅图像的平均误差都做了统计,标定总平均误差低于0. 2像素,满足工程应用的要求。理论上每组图像的R和t应该是相等的,由于标定本身存在误差,实际中会有些许差别。采用统计的方法,将多组R、t结果取中值作为最佳外参数标定结果。
3机械手抓取目标物体实验
本实验采用的是雷赛DMC -5480,它是一款基于ASIC技术,高性能的PCI总线4轴运动控制卡,10MHz脉冲频率,能够控制步进或数字伺服电机,支持直线、 圆弧和样条插补,512段指令缓存,运动过程中可调速率和目标位置。该卡可同时接受4路编码器信号和位置锁存信号,在多轴连续轨迹运动控制领域应用广泛。 运动控制卡通过接线板与机械手电机连接。机械手由三个旋转关节组成,一个开合运动的手爪,独立的电机驱动每个关节,手爪也由独立电机驱动,用于夹取目标物体。主要技术参数如表4所示。
通过前所述的空间位置确定方法,机械手末端在机械手 基坐标系 下的坐标 为 ( X',Y',Z') = ( -9.7674,157.0930,-1.6280) mm,实验中目标物体坐标为( X,Y,Z) = ( -75. 6522,95. 6667,-2.1739) mm,通过机械手 的期望位 姿得到短 阵方程:,经逆运动求解得出机械手各关节的期望旋转角度为: θ1= 70. 0285°,θ2= 252. 8375°,θ3= 80. 7259°,而利用实际上由视觉反馈得到的夹手到达的实际位置是: ( X',Y',Z') = ( - 9. 7674,157. 0930,- 1. 6280) mm,通过逆运动学求解得到机械手各关节实际旋转角为: θ1= 65. 2235°,θ2= 250. 0013°,θ3= 75. 1598°, 比较实际角度值和期望角度值得出旋转误差: δθ1= 4. 8050°,δθ2= 2. 8362°,δθ3= 5. 5661°,通过不断补偿误差角度值直到机械手完成抓取目标对象的任务。图5为实验中机械手不断调整末端位置完成抓取任务的演示图。
4结束语
机械运动控制 篇10
1 液力机械传动系统的构成和工作原理
液力机械传动系统主要包括液力传动元件——变矩器、机械传动部分——机械变速器以及控制部分——操纵与控制装置。
1.1 液力变矩器
液力变矩器工作在液体介质中, 是一种非刚性扭矩变换器。它有一个密闭的工作腔, 液体在腔内循环流动。其中, 泵轮、涡轮和导轮分别与输入轴、输出轴和壳体相联。动力机带动输入轴旋转时, 液体从离心式泵轮流出, 顺次经过涡轮、导轮再返回泵轮, 周而复始地循环流动。泵轮将输入轴的机械能传递给液体, 高速液体推动涡轮旋转, 将能量传给输出轴。液力变矩器靠液体和泵轮与涡轮叶片的相互作用产生动量矩的变化来传递扭矩, 液力变矩器与发动机匹配良好, 才能保证传动系统的效率。
1.2 机械变速器
机械变速器有行星式齿轮传动和定轴式齿轮传动两种。这两种变速器都采用液压作为动力, 并通过摩擦元件 (制动器和离合器) 的接合与分离来实现换挡。行星式变速器为同轴传动, 结构较紧凑, 且单位体积功率密度大, 因此在同轴布置单向输出机械、大功率机械和要求布置紧凑的机械及车辆中应用较多。而定轴式变速器结构简单, 维护较方便, 更易实现变挡位数和变速比, 且便于布置各种附属装置, 因此在需要降轴和前后都要动力输出的机械 (例如装载机) 中应用较多, 有利于同一型号定轴式变速器应用于各种不同的机械上。
当变速器换挡时, 随着油压的逐渐施加和释放, 摩擦元件经过短暂打磨后完全分离或接合。一般可将换挡过程分为扭矩相与惯性相两个阶段。扭矩相是指待接合元件已经存在摩擦扭矩作用, 但是原接合元件仍然保持接合状态, 此时输入轴的转速未发生大的变化, 仅仅是两个接合元件的传递的扭矩发生了变化。惯性相是指从原接合元件开始滑摩到待接合元件完成接合的过程, 在此阶段输入轴的转速发生了较大的变化, 受输入端惯性影响较大。
1.3 操纵与控制装置
操纵与控制装置是电液操纵液力机械传动的控制系统, 通常又包括液压操纵装置、电操纵装置和电子控制单元。液压操纵装置主要由换挡操纵控制部分和换挡品质控制部分构成。以车辆为例, 根据换挡机构产生动作的过程的自动化程度, 换挡控制方式分为手动、半自动和全自动三种。全自动变速器可根据车速、油门开度以及挡位选择器 (电操纵手柄) 开关位置等信息, 按换挡规律计算出对应当前工况的最佳挡位, 控制相应的电磁阀实现换挡。半自动变速器则无油门开度传感器, 主要是根据挡位选择器的开关位置来控制相应的电磁阀而实现换挡。换挡品质是指变速器换挡过程中的平顺性, 一般用冲击度 (J=d2v/dt2) 来衡量。动力换挡变速器液压系统中的液压式调压阀 (平稳结合阀) 或电子式调压阀 (电液比例阀) 来实现换挡过程中摩擦元件的平稳接合, 从而提高换挡品质。电操纵装置通常包括电操纵手柄、强制低挡开关、微动踏板、整车制动开关和停车制动开关等。电子控制单元包括硬件和软件。软件采用程序化的控制策略和控制思想, 使变速器具有分析处理信息的能力, 越来越智能化。可靠的硬件是软件程序赖以实现的基础, 是整个电控系统的信号流和能源流正常工作的保障。
2 液力机械传动控制系统的工作模型和原理
液力机械传动控制系统的工作模型有两种, 分别是基于单控制器的无总线结构的工作模型和基于多控制器的CAN总线结构的工作模型。
2.1 基于单控制器无总线结构
基于单控制器的无总线结构工作模型较简单, 只有一个控制器 (控制中心) , 控制系统中所有的输入输出设备和反馈元件都是直接和控制核心相连的, 且非控制核心的设备相互之间不发生任何关联。这种工作模型的优点是结构相对简单, 但是控制核心的信号处理与分析决策任务繁重, 在物理连接上, 电气信号接口规模极大, 需要布置的电缆电线比较多, 不利于提高控制系统功能的扩展, 故障诊断和维护工作复杂费时。
2.2 基于多控制器的CAN总线结构
基于多控制器的CAN总线结构的工作模型允许同时存在多个控制器, 这些控器中有一个作为控制核心, 其他的控制器都与各个输入输出设备和反馈元件集成, 所有的控制器都通过CAN通讯总线连接到一起。这种工作模型的优点是信号处理和简单的分析运算的任务由各个控制器分担, 控制核心的工作量和复杂度大大降低, 各个控制器的电气接口都非常简单、规模极小。CAN总线自身的特点使得控制系统功能的扩展也非常方便, 各控制器之间是可以进行通讯的, 任何一个控制器出现故障后并不影响系统的整体工作, 同时故障诊断和维护非常便捷。
3 结论
液力机械传动具有其他传动方式无可替代的优点, 在当前的工程机械传动技术领域中具有重要作用。本文不仅介绍了液力机械传动系统的构成和工作原理, 还对液力机械传动控制系统的工作模型及其工作原理进行了研究。希望对有关人员开发液力机械传动控制系统具有一定的参考价值。
参考文献
[1]罗邦杰.液力机械传动[M].北京:人民交通出版社, 1983.
[2]张光裕.工程机械底盘构造与设计 (第一版) [M].北京:中国建筑工业出版社, 1986:151-158.
[3]胡宁, 吴训成, 陈志恒等.提高自动变速器传动效率的途径[J].上海汽车, 2004 (i1) :27-29.
[4]纪红, 张冠伟, 王福山.工程机械新型换挡变速器 (YBl502) 研究与优化设计[J].机械设计.2005, 22 (12) :44-46.
运动控制课程教学改革研究 篇11
关键词 运动控制；教学改革；教学质量
中图分类号：G642.0，TM921 文献标识码：A 文章编号：1671—489X（2012）30—0092—02
1 引言
运动控制课程是中原工学院自动化专业的一门核心专业课，涉及的知识面宽，应用范围广，融汇基础理论、技术基础和工程技术为一体，具有极强的理论性、技术性和实践性，所以学好该门课对提高学生的工程实践能力有着重要的意义。但由于该课程概念、公式繁多，理论抽象，信息量大，综合性强，学生普遍反映比较难学，选课和听课情绪不高。
针对课程存在的问题，结合多年的教学体会并借鉴相关高校的教学经验，对运动控制课程的理论教学、实践教学和考核方式进行改革研究。
2 课程当前存在的问题
1）学生对课程的意义认识不全面，学习目标不明确，在学习过程中比较茫然，没有方向感，缺乏学习动力。
2）运动控制的先修课程有电机学、自动控制原理和电力电子技术等，很多学生反映这些课程没学好，所以对运动控制课程望而生畏，丧失兴趣，在分方向选课的模式下，回避该门课程。
3）传统课堂教学通常采用“满堂灌”的教学方法讲授理论知识，学生只能机械地记忆原理，比较枯燥、乏味，学习兴趣和积极性不高。
4）由于实验设备数量有限，通常是一组多人，实际动手的学生有限；学生做实验也是机械地按照实验指导书的步骤进行操作，很难达到实验教学目标。当前数字调速是趋势，但由于多种因素限制，实验设备没能及时更新，实验还是以模拟装置为主，无法满足现代运动控制系统实验教学的要求。课程设计往往由于设备条件限制而变成纸上谈兵。
3 理论教学改革
3.1 上好绪论课
学生对课程不感兴趣，一个重要原因就是不知道课程有什么用。为此，要认真备课，广泛搜集资料，充分利用多媒体技术，采用文字、图表、动画、影片等多种形式，在绪论课上让学生充分了解课程的开设意义和主要内容，把什么是“运动控制”讲解清楚，突出电力传动相对于其他传动方式（液压传动、气压传动、柴油机传动等）的优势，并用实例强调运动控制技术的实用性和应用的广泛性。
3.2 处理好本课程与其他课程的关系
运动控制课程是一根线，把很多先修课程联系起来并用于解决实际问题。这一点可以反映出运动控制课程的重要性和实用性，但也造成学生因某门先修课没学好而畏惧运动控制课程的现象。针对这种状况，采取与先修课课程的任课教师经常沟通的措施，做好分工合作，一是使讲课内容不重复，二是请他们在讲课时把相关知识点进行强化，为学生下一步学习运动控制课程铺路。另外向学生强调运动控制课程所用的先修课知识点是有限的，且是结论性的知识，也不是运动控制课程的重点（因先修课已学过），让学生减少畏惧心理，增强学习信心。
现有的运动控制课程教材，对数字调速内容涉及不多，对系统实现介绍更少，为此专门开设微机控制调速课程。现在变频器在工业中应用越来越广泛，所以还开设了变频器及其应用课程，专门讲解变频器与其具体使用方法。课程之间分工合作，将重点、难点分摊，可弱化单门课程的难度，增加内容的深度。
3.3 改进课堂教学方法
1）任务驱动，提高学生学习主动性。“任务驱动”是在学习知识的过程中，学生在教师的帮助下，紧紧围绕一个共同的任务，在强烈的问题动机的驱动下，通过对学习资源的积极主动应用，进行自主探索和互动协作的学习[1]。运动控制系统作为一种“系统”，具有“系统”的特性，就是各环节之间存在联系。因此在系统的框架下，采用让学生解决任务的方式学习各知识点。比如讲完绪论课，给学生布置一个项目：晶闸管直流单闭环调速系统的设计与仿真。通过这个项目，让学生把有关建模、检测、驱动、控制器设计等内容联系起来，并逐个突破。教师向学生讲授有关理论知识，引导学生将所学知识与项目中要解决的问题联系起来，增强学生学习的主动性和针对性。
2）充分利用多种教学手段。板书作为一种传统的教学手段，将课程内容、重点难点扼要有序地呈现在黑板上，有利于学生对教学内容有整体的把握，有缓冲时间消化记忆；多媒体技术让教师把时间花在课外，从而高效利用课堂时间，增大信息量，提供图像、动画、影片等具有视觉冲击的内容提高学生感性认识和学习兴趣；网络辅助教学作为课堂教学的延伸，使学生能随时随地进行学习，打破时空限制，学校引进的“网络课堂”系统为教师进行网络教学提供了便利。另外，通过每周专门安排时间（课外）、网络课堂系统的交流讨论模块、QQ、电子邮件等多种方式进行课程答疑，弥补多区办学模式下师生交流不易的缺陷。多种教学手段相得益彰，共同为提高教学质量服务。
3）充分利用仿真软件。在理论分析之后，对运动控制系统进行仿真分析，能使學生直观地看到系统的运行结果，直接观察参数变化和扰动对系统性能的影响，和教材内容相印证，增强学生对教材内容的理解度和认可度。目前应用于运动控制课程教学的仿真软件有Proteus、VisSim、PLECS、Saber和MATLAB等[2]。
4 实践教学改革
实践教学是人才培养的重要环节，是实现人才知识、能力、素质协调发展的重要途径和手段。对于培养高级应用型人才的高校，其重要性是不言而喻的。
4.1 实验教学环节改革
针对原有的以模拟调速为主的实验内容，近年来做了改革。中原工学院现有某公司生产的电力电子与交直流调速系统实验台10多套，能开设“晶闸管—电动机系统开环特性测试”“带电流截止负反馈的转速单闭环调速系统”“双闭环不可逆调速系统”等直流模拟调速实验。虽然模拟设备对学生直观了解系统组成有帮助，但已显得落伍。为了适应运动控制系统数字化的发展趋势，微机控制调速开设了数字实验。为了解决当前实验设备台套数不足的问题，暂时开设仿真实验：“单片机控制的直流调速系统”采用Proteus软件，“同步电动机的变频调速系统”采用MATLAB软件。“异步电动机的变频调速”实验采用西门子MM440变频器代替笨重的旧式变频器，在学校自主开发的“TEUD纺织电气综合实训实验装置”上进行。“TVT—99D机械手运动实验”作为演示实验。新的实验设备也在积极申请中。
4.2 课程设计环节改革
以往的课程设计由于缺乏硬件设备，通常由教师给一些原始数据和系统设计指标，学生做一些理论分析和计算，画下原理图，不去具体实现，所以很难达到实践环节的教学效果。为了改善这一状况，与微处理器与接口技术课程组的教师合作开设了“直流电机数字调速系统”的课设题目，使学生通过硬件设计、软件设计和实物制作，对如何设计实现一个实际的运动控制系统有了整体的把握，提高了工程实践能力。
4.3 重视第二课堂
为了进一步锻炼学生的动手能力，鼓励学生参加全国大学生电子设计竞赛、“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛和“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛等各种竞赛；鼓励学生参与教师的科研工作，促进学生工程实践能力和创新能力的培养。中原工学院已多次承办电子设计竞赛河南赛区赛事，近几届基本上次次都能斩获全国一等奖，在其他赛事中也取得不俗的成绩。学校在每届电子设计竞赛前专门针对竞赛对学生进行的综合培训活动，是学生理论联系实际、锻炼和提高动手能力的一次好机会。
5 考核方式改革
加大对学生分析问题和解决问题能力的考核，将项目作业引入最后的成绩评定中。针对传统考核方式的弊端，尝试进行改革。
1）针对运动控制课程内容复杂、公式较多、闭卷考试难以出题考查课程某些重点内容的状况，尝试将闭卷考试改为开卷考试。采用理论联系实际的试题，考查学生对知识的活学活用能力。
2）将前述任务驱动教学过程中布置的项目作业作为最终考评的内容之一。这样，学生最终成绩由以下几部分组成：平时成绩（作业+实验+考勤）占20%，项目作业占10%，期末卷面成绩占70%。考评项目作业，既考查了学生的实践能力，也是对学生积极参与任务驱动教学的一种督促。
6 结束语
随着运动控制技术的发展和社会对人才需求的变化，教学改革的探索是持续不断的，今后将以培养社会需求型人才为目标，不断深化教学改革，提高人才的培养质量。
参考文献
[1]邹于丰.任务驱动教学法在网络程序设计课程教学中的应用[J].梧州学院学报，2008，18（6）：69—72.
机械运动控制 篇12
关键词：冲压模具设计,机械运动,控制
1 概述
本论文是以冲压工艺学基本理论为依据, 通过对各种冲压工艺基本运动的分析, 提出了对冲压模具设计的要求。首先阐述冲压过程中, 机械运动的基本概念, 然后逐项分析了冲裁、弯曲、拉深工艺的基本运动机理, 指出模具设计中应着重控制到的内容, 并介绍了在模具设计中对机械运动灵活运用的方法和一些实例。最后总结了根据具体情况进行产品工艺运动分析的方法, 并强调在模具设计中, 机械运动的控制和灵活运用对提高设计水平和保证冲压件品质的重要意义。
2 冲压过程中机械运动的概述
冷冲压就是将各种不同规格的板料或坯料, 利用模具和冲压设备 (压力机, 又名冲床) 对其施加压力, 使之产生变形或分离, 获得一定形状、尺寸和性能的零件。一般生产都是采用立式冲床, 因而决定了冲压过程的主运动是上下运动, 另外, 还有模具与板料和模具中各结构件之间的各种相互运动。
机械运动可分为滑动、转动和滚动等三种基本运动形式, 在冲压过程中都存在, 但是各种运动形式的特点不同, 对冲压的影响也各不相同。
既然冲压过程存在如此多样的运动, 在冲压模具设计中就应该对各种运动进行严格控制, 以达到模具设计的要求;同时, 在设计中还应当根据具体情况, 灵活运用各种机械运动, 以达到产品的要求。
冲压过程的主运动是上下运动, 但是在模具中设计斜楔结构、转销结构、滚轴结构和旋切结构等, 可以相应把主运动转化为水平运动、模具中的转动和模具中的滚动。在模具设计中这些特殊结构是比较复杂和困难, 成本也较高, 但是为了达到产品的形状、尺寸要求, 却不失为一种有效的解决方法。
3 冲裁模具中机械运动的控制和运用
冲裁工艺的基本运动是卸料板先与板料接触并压牢, 凸模下降至与板料接触并继续下降进入凹模, 凸、凹模及板料产生相对运动导致板料分离, 然后凸、凹模分开, 卸料板把工件或废料从凸模上推落, 完成冲裁运动。卸料板的运动是非常关键的, 为了保证冲裁的质量, 必须控制卸料板的运动, 一定要让它先于凸模与板料接触, 并且压料力要足够, 否则冲裁件切断面质量差, 尺寸精度低, 平面度不良, 甚至模具寿命减少。
按通常的方法设计落料冲孔模具, 往往冲压后工件与废料边难以分开。在不影响工件质量的前提下, 可以采用在凸凹模卸料板上增加一些凸出的限位块, 以使落料冲孔运动完成后, 凹模卸料板先把工件从凹模中推出, 然后凸凹模卸料板再把废料也从凸凹模上推落, 这样一来, 工件与废料也就自然分开了。
对于一些有局部凸起的较大的冲压件, 可以在落料冲孔模的凹模卸料板上增加压型凸模, 同时施加足够的弹簧力, 以保证卸料板上压型凸模与板料接触时先使材料变形达到压型目的, 再继续落料冲孔运动, 往往可以减少一个工步的模具, 降低成本。
有些冲孔模具的冲孔数量很多, 需要很大冲压力, 对冲压生产不利, 甚至无足够吨位的冲床, 有一个简单的方法, 是采用不同长度的2~4批冲头, 在冲压时让冲孔运动分时进行, 可以有效地减小冲裁力。
对那些在弯曲面上有位置精度要求高的孔 (例如对侧弯曲上两孔的同心度等) 的冲压件, 如果先冲孔再弯曲是很难达到孔位要求的, 必须设计斜楔结构, 在弯曲后再冲孔, 利用水平方向的冲孔运动可以达到目的。对那些翻边、拉深高度要求较严需要做修边工序的, 也可以采用类似的结构设计。
4 弯曲模具中机械运动的控制和运用
弯曲工艺的基本运动是卸料板先与板料接触并压死, 凸模下降至与板料接触, 并继续下降进入凹模, 凸、凹模及板料产生相对运动, 导致板料变形折弯, 然后凸、凹模分开, 弯曲凹模上的顶杆 (或滑块) 把弯曲边推出, 完成弯曲运动。卸料板及顶杆的运动是非常关键的, 为了保证弯曲的质量或生产效率, 必须首先控制卸料板的运动, 让它先于凸模与板料接触, 并且压料力一定要足够, 否则弯曲件尺寸精度差, 平面度不良;其次, 应确保顶杆力足够, 以使它顺利地把弯曲件推出, 否则弯曲件变形, 生产效率低。对于精度要求较高的弯曲件, 应特别注意一点, 最好在弯曲运动中, 要有一个运动死点, 即所有相关结构件能够碰死。
有些工件弯曲形状较奇特, 或弯曲后不能按正常方式从凹模上脱落, 这时, 往往需要用到斜楔结构或转销结构, 例如, 采用斜楔结构, 可以完成小于90度或回钩式弯曲, 采用转销结构可以实现圆筒件一次成型。
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