多自由度精密调整装置控制系统设计开题报告

附件B：
毕业设计（论文）开题报告
毕业设计题目：多自由度精密调整装置控制系统设计
1、课题的目的及意义（含国内外的研究现状分析或设计方案比较、选型分析等）
多自由度装置由于本身结构的特点，多用在需要高刚度、高精度和高速度且无需很大工作空间的场合中。

随着科学技术的深入，多自由度装置已被广泛应用于航空航海、加工制造装配、轻工业和医疗器械等领域。

多自由度装置还被广泛应用于特种加工、测量作业、焊接、铆接、土方挖掘、煤矿开采、娱乐设施、食品包装、天文望远镜、机器人手臂、误差补偿器以及力传感器等诸多方面。

由于近年来科学技术的蓬勃发展，设备微型化、芯片高度集成化、操作精密化使精密调整技术成为国内外重点研究的重点方向。

多自由度精密调整装置的自由度一般为2～6，在许多场合应用的调整装置只需有部分自由度就可以满足使用要求，因此我们选择应用广泛的三自由度调整装置。

三自由度调整装置有如下特点：可以满足大多数工业操作，降低机构的复杂程度和成本，简化运动学和动力学模型，控制简单，因此在工业生产及其它领域有着广阔的应用前景。

国内外现状：
（1）中国电子科技集团公司第十四研究所研发的三自由度精密转台为微波暗室远场天线测试的高精度转台，具有多自由度运动。

作为测试设备，具有轴系精度、定位精度和测角精度高的特点。

此转台作为天线的支承和传动装置，是一个三自由度转台，包括天线支承结构和实现X、Y、Z运动的传动机构组成，属精密转台。

其主要组成部分为：天线支承结构、动力传动装置、数据传动装置和安全保护装置。

天线的三轴运动由交流电机构成的伺服系统来实现[1]。

图1 三自由度精密转台装配图
（2）国内某大型坐标测量装置的执行机构主要由三相交流异步电动机和驱动和直流伺服电机驱动组成。

整个机械机构部分共11个自由度，且定位精度要求很高。

其水平方向运动定位误差±2mm；垂直方向运动定位误差±1mm；旋转定位误差±0.2°，系统采用DeviceNET现场总线和MCGS组态软件、高性能PLC 、先进的零电流零电压软暂态PWM开关（ZCVT ）和通讯板卡、光电编码器反馈系统，实现对各种执行机构的精确控制[2]。

本控制系统采用一体化工控机和现场总线作为控制核心，采用零电流零电压软暂态PWM开关、可编程控制器以及固态开关等新型器件作为控制元件，采用带现场总线接口的智能型光电编码器作为反馈，构成集中式多路高精度定位控制系统。

控制系统所需要的各种交直流电源均由电源柜提供，变压器、继电器、固态开关组以及PWM等强电元器件都安装于电源柜内，工控机及PLC等弱电元件安装于控制柜内，各种功能要求指令及升降、回转、纵向及横向行程操作可通过键盘或鼠标输入，也可通过转换开关转换，在控制柜面板上手动操作。

总体方案框图如下图：
（3）上海大学和哈工大机器人研究所设计的并联机器人控制系统采用基于ISA总线的闭环控制方式, 控制系统如图所示。

主控计算机完成系统管理、人机交互接口、机器人运动学变换、轨迹规划、差补运算、传感器信息处理、系统监视等任务。

交流伺服系统是由交流伺服放大器, 交流伺服电机和光电编码器组成的闭环控制系统。

伺服放大器接受来自电机控制卡的脉冲信号( 脉冲的个数和频率分别对应位置和速度的给定值) , 并以此为给定值控制电机的转动。

伺服放大器从光电编码器获得闭环系统的位置反馈信号, 并将此信号传给电机控制卡。

系统采用哈尔滨工业大学机器人研究所研发的MAC-3001SSI3高速三轴伺服电机控制卡, 可以同时进行3轴运动控制。

运动控制器采用PCL240AS芯片作为核心处理器, 具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准确的特点, 可完成多轴协调运动控制、伺服滤波等功能[3]。

图3 控制系统框图
（4）图为法国兰斯大学做的一机器人上肢系统控制图。

这个机器人包括三个由无刷交流电机驱动的机器关节，这些电机配备绝对编码器。

每个电机的转矩由一个伺服驱动器控制，伺服驱动器通过CAN总线传递位置和速度信息。

在机器人末端执行结构，有一个三自由度应变式传感器发送压力信息到CAN总线上。

根据位置、速度、压力信息和一个给定的实验参数，目标电脑可以计算出正确的转矩。

主机使用Matlab/Simulink/Stateflow 作为开发软件，目标电脑可以直接下载程序[4]。

图4 系统控制图
（5）东南大学设计的4-DOF串并联机器人的主体结构如图5所示，该机器人主要由机架、并联机构和吸盘组成，其中并联机构采用3-7R构型( R代表转动副)，主要由固定平台(机架)、动平台和三个7R支链组成。

为了使动平台仅能沿笛卡儿坐标系三个方向平动，设定各支链中的两等长杆件在结构上保持平行，从而构成平行四边形结构，限制动平台绕坐标轴的转动，构成了三自由度三平动并联结构。

其采用的CUSNUC2100型航天数控系统是一个将PC104板嵌入到控制系统中的一体化车/铣床数控系统，可控制2-8个轴, 具有集成结构一体化、高可靠性和操作简单等特点。

系统具有内装PLC, 有很好的通讯功能及图形显示功能。

该板式CNC 系统的CNC装置是由主电路板、位置控制板和电源单元等组成, 该系统是以工业PC机作为CNC装置的支撑平台, 可根据用户数控方式的需要, 选择适当的控制卡和相关软件组成相应的CNC装置[5]。

参考文献：
[1]袁海平.三自由度精密转台设计.电子机械工程.2005
[2]邵英,严兵.多自由度高精度控制系统设计.工业控制计算机.2005
[3]马立，龚振邦，程维明，荣伟彬，孙立宁.面向精密调整的6-HTRT并联机器人.
传感技术学报. 2008.03
[4]Alexandre Deneve, Saıd Moughamir, Lissan Afilal, Janan Zaytoon.Control system
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[5]郑建勇，王文凯，李为民，史金飞. 一种4-DOF串并联机器人控制系统的设计.
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[6]王洪瑞．液压六自由度并联机器人运动控制研究[D]．燕山大学，2002
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[15] 周忆,吴存学,廖强,蔡飞.实现二维精密调整的双偏心机构理论及试验[J].
重庆大学学报.2005
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motion—Improvement of NCTF control method for continuous motion control.Precision Engineering, V olume 33, Issue 2, April 2009, Pages 175-186 [17] D.M. Brouwer, B.R. de Jong, H.M.J.R.Soemers. Design and modeling of a six
DOFs MEMS-based precision manipulator Precision Engineering, V olume 34, Issue 2, April 2010, Pages 307-319
2、课题任务、重点研究内容、实现途径
（1）课题任务
1、资料收集、整理，了解精密调整装置控制系统的研究现状和发展；
2、学习相关知识和软件，进行精密调整装置控制系统方案设计；
3、进行精密调整装置控制系统具体模块设计，绘制电路图、系统仿真等；
4、撰写毕业论文。

要求立论正确，证据充分，条理清晰，书写工整，
图文并茂，字数不少于1.5万。

（2）研究内容
1、进行多自由度精密调整装置控制系统设计；
2、进行多自由度精密调整装置控制系统具体模块设计。

（3）实现途径
1、利用Protel、Proteus等软件绘制电路图，系统仿真；
2、利用Keil编写单片机程序；
3、用单片机控制步进电机的运动，进而实现装置的精密调整。

3、进度计划
学生签名：
年月日
4、指导教师意见
指导教师签名：
年月日。