楊咸啟，闞　石，宋　鵬，郭紅兵

（黃山學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，安徽 黃山245041）

基于DRLink運(yùn)動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)的數(shù)控模型與實(shí)驗(yàn)研究

楊咸啟，闞石，宋鵬，郭紅兵

（黃山學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，安徽 黃山245041）

控制工程綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（DRLink控制系統(tǒng)）具有軟硬件控制系統(tǒng)模塊化、開放式設(shè)計(jì)，具有很好的可重組性，可進(jìn)行二次開發(fā)。平臺(tái)集機(jī)械、電子、通訊、計(jì)算機(jī)等多種技術(shù)，其控制軟件具有仿真技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)管理和遠(yuǎn)程控制功能。該平臺(tái)適用于學(xué)生進(jìn)行試驗(yàn)、創(chuàng)新與競(jìng)賽、課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)，對(duì)于學(xué)生實(shí)踐能力的提高有較大幫助。通過(guò)深入研究平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)模型，由傳遞函數(shù)出發(fā)，利用MATLAB進(jìn)行時(shí)域分析，再通過(guò)調(diào)整運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的各組成部分的參數(shù)來(lái)得到相應(yīng)穩(wěn)定的控制系統(tǒng)模型。最后基于DRlink控制系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)則通過(guò)鉛筆畫在紙上的圖案記錄下了二維平臺(tái)在相應(yīng)特定指令下的工作軌跡。

控制工程綜合實(shí)驗(yàn)；運(yùn)動(dòng)圖形；數(shù)控技術(shù)；工程應(yīng)用

1　二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)介紹

運(yùn)動(dòng)平臺(tái)被廣泛應(yīng)用于IC制造以及MEMS制造以及生物醫(yī)學(xué)等行業(yè)。隨著IC制造中芯片光刻與封裝、MEMS器件封裝及組裝、生物醫(yī)學(xué)中的點(diǎn)樣移液、精密工程中的超精加工以及精密測(cè)量等領(lǐng)域的發(fā)展，人們對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的定位精度提出了越來(lái)越高的要求。近年來(lái)，我國(guó)大力發(fā)展信息產(chǎn)業(yè)，IC制造也得到了迅猛的發(fā)展，但芯片產(chǎn)業(yè)的裝備難以達(dá)到世界先進(jìn)水平。因此，應(yīng)用于IC制造過(guò)程中的硅片制造、芯片制造、芯片封裝等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)就成為當(dāng)前IC制造裝備中的關(guān)鍵部件。由于IC制造業(yè)發(fā)展迅速，IC集成度日益增高，芯片尺寸、引線間距、焊盤直徑持續(xù)減小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，因此對(duì)平臺(tái)的定位精度也提出了極高的要求，目前要求的定位精度已經(jīng)達(dá)到微米級(jí)甚至納米級(jí)。同樣，在MEMS制造、微納測(cè)量等眾多領(lǐng)域都需要高精度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。而運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的標(biāo)定是研制高精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的必要環(huán)節(jié)。平臺(tái)標(biāo)定技術(shù)已成為平臺(tái)制造的重要問(wèn)題。隨著高精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)技術(shù)的快速發(fā)展及廣泛應(yīng)用，人們對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的標(biāo)定有了越來(lái)越高的要求。而目前國(guó)內(nèi)大多采用靜止標(biāo)定的方法進(jìn)行標(biāo)定，無(wú)法適合于某些場(chǎng)合的要求。標(biāo)定技術(shù)很大程度的影響著高精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)技術(shù)的發(fā)展。所以，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)標(biāo)定技術(shù)的深入研究對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)技術(shù)的發(fā)展具有重要意義［1-9］。

2　二維運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2.1二維平臺(tái)的組成

二維運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過(guò)計(jì)算機(jī)中安裝的運(yùn)動(dòng)控制器，由DRlink控制來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)X、Y方向的運(yùn)動(dòng)來(lái)達(dá)到各種實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹６S平臺(tái)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)大致可以分為以下幾個(gè)部分。

1.機(jī)械裝置：簡(jiǎn)單的說(shuō)就是由二個(gè)一維數(shù)控工作平臺(tái)的機(jī)械裝置，通過(guò)這二個(gè)一維機(jī)械裝置的運(yùn)動(dòng)，來(lái)完成一個(gè)平面內(nèi)的二維運(yùn)動(dòng)。

2.傳感裝置：傳感裝置是對(duì)二維平臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量、監(jiān)控和反饋。a.限位傳感器：實(shí)際上就是限位開關(guān)，用來(lái)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是否超過(guò)限定位置。b.光柵尺：可用作直線位移或者角位移的檢測(cè)。其測(cè)量輸出的信號(hào)為數(shù)字脈沖，具有檢測(cè)范圍大，檢測(cè)精度高，響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。c.是一種通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。

3.執(zhí)行裝置：將得到信息轉(zhuǎn)化為力，以驅(qū)動(dòng)機(jī)械裝置運(yùn)動(dòng)部分，工作臺(tái)的執(zhí)行裝置一般為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或交流電動(dòng)機(jī)。

4.控制裝置：是對(duì)系統(tǒng)的控制信息和來(lái)自傳感器的反饋信息進(jìn)行處理，并向執(zhí)行裝置發(fā)出動(dòng)作指令。

2.2DRLink二維平臺(tái)軟件

二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)用軟件是“DRLink可重構(gòu)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”，打開軟件進(jìn)入下圖界面，如圖1［9］。

圖1　軟件界面

由“開始實(shí)驗(yàn)”初始化PCL運(yùn)動(dòng)控制卡，設(shè)置正確的X、Y軸運(yùn)動(dòng)參數(shù)，然后點(diǎn)擊驅(qū)動(dòng)X軸、驅(qū)動(dòng)Y軸試運(yùn)行平臺(tái)。調(diào)試好以后進(jìn)入下圖的數(shù)控代碼腳本的編程實(shí)驗(yàn)，如圖2。

利用數(shù)控代碼腳本編輯器控件，編寫或者讀取已經(jīng)編寫好的程序腳本，編寫完成后保存好腳本，然后在上圖界面中選擇剛剛編輯的腳本，最后點(diǎn)擊開始運(yùn)行執(zhí)行程序。

圖2　數(shù)控輸入軟件界面

3　運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的控制模型

3.1運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的物理模型

運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的物理模型包括：機(jī)械裝置、傳感裝置、執(zhí)行裝置、控制裝置，如圖3所示［10-17］。

圖3　系統(tǒng)物理模型

3.2系統(tǒng)控制模型

上面分析了系統(tǒng)的理論模型，下面借助傳遞函數(shù)來(lái)分析系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。二維工作平臺(tái)根據(jù)控制指令，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，再帶動(dòng)工作臺(tái)的移動(dòng)。工作臺(tái)上的檢測(cè)儀器測(cè)量出移動(dòng)位置信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)，系統(tǒng)給出下一個(gè)動(dòng)作指令。選擇被控對(duì)象是工作臺(tái)，控制器由計(jì)算機(jī)、電動(dòng)機(jī)等組成，測(cè)量由傳感器完成。系統(tǒng)中各部分的控制方程分為工作臺(tái)動(dòng)力學(xué)方程、減速器特性方程、伺服電機(jī)電壓方程、機(jī)電轉(zhuǎn)化方程。系統(tǒng)的傳遞函數(shù)框圖如圖4。

圖4　系統(tǒng)的傳遞函數(shù)框圖

由上面的傳遞函數(shù)框圖可以得到系統(tǒng)在共同作用下的輸出為：

顯然，閉環(huán)系統(tǒng)的特性方程為：

因此，只要a0≥0，閉環(huán)系統(tǒng)就一定穩(wěn)定。

系統(tǒng)在擾動(dòng)R（s）作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

系統(tǒng)在只有輸入Xi（S）作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

3.3時(shí)域模擬分析

時(shí)域分析是分析控制系統(tǒng)的一種分析法，它根據(jù)所研究的系統(tǒng)的傳遞函數(shù)或者微分方程，求出系統(tǒng)的輸出量隨著時(shí)間的變化而變化的規(guī)律。并由此用來(lái)研究系統(tǒng)的相關(guān)性能。當(dāng)然研究系統(tǒng)還有其它的方法，例如頻域分析法、根軌跡法。這里在研究二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)時(shí)用了時(shí)域分析法來(lái)分析。

MATLAB程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言可以更快捷、方便地對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域分析。下面具體來(lái)分析二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)。

由MATLAB得到系統(tǒng)的階躍響應(yīng)：

在MATLAB中執(zhí)行以下程序：

n=［1.3］；

d=［1，666.7，380，1.26］；

sys=tf（n，d）；

figure（1）；

step（sys）

程序執(zhí)行結(jié)果如圖5。

圖5　系統(tǒng)階躍響應(yīng)

由系統(tǒng)的階躍響應(yīng)分析可以得到，在該參數(shù)估計(jì)值之下的系統(tǒng)處于過(guò)阻尼狀態(tài)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性為單調(diào)變化的曲線，沒有超調(diào)量和振蕩，但調(diào)節(jié)時(shí)間比較長(zhǎng)，系統(tǒng)的反應(yīng)比較遲緩。不利于二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的工作，所以參數(shù)值估計(jì)不合理，需要重新進(jìn)行調(diào)整。

在MATLAB中執(zhí)行以下程序：

n=［10］；

d=［1，80，31.4，10］；

sys=tf（n，d）；

figure（2）；step（sys）

程序執(zhí)行結(jié)果如圖6。

圖6　調(diào)整后的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線

由調(diào)整后的參數(shù)值得到的系統(tǒng)階躍響應(yīng)分析可以得到該系統(tǒng)處在欠阻尼狀態(tài)下的最大超調(diào)量比較小，說(shuō)明系統(tǒng)的平穩(wěn)性較好。調(diào)節(jié)時(shí)間較短，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)比較快。所以在調(diào)整參數(shù)值以后得到的系統(tǒng)比較穩(wěn)定。

4　實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目研究

二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)用軟件是“DRLink可重構(gòu)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”，打開軟件進(jìn)入圖1界面。點(diǎn)擊“開始實(shí)驗(yàn)”初始化PCL運(yùn)動(dòng)控制卡，設(shè)置正確的X、Y軸運(yùn)動(dòng)參數(shù)，然后點(diǎn)擊驅(qū)動(dòng)X軸、驅(qū)動(dòng)Y軸試運(yùn)行平臺(tái)。調(diào)試好以后進(jìn)入圖2的數(shù)控代碼腳本的編程實(shí)驗(yàn)。在數(shù)控代碼腳本編輯器控件，編寫或者讀取已經(jīng)編寫好的程序腳本，編寫完成后保存好腳本，然后在上圖界面中選擇剛剛編輯的腳本，最后點(diǎn)擊開始運(yùn)行執(zhí)行程序，二維平臺(tái)開始工作。

4.1環(huán)形花瓣圖形運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方法

對(duì)于圖7所示的環(huán)形花瓣圖形，需要采用定位、圓弧插補(bǔ)等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。數(shù)控編程如下。

圖7　環(huán)形花瓣圖形

G00X0Y0/快速定位至原點(diǎn)/

G03X8.33Y-42.18R27/圓弧插補(bǔ)/

G02X13.05Y-31.25I10.69K-36.72

G03X17.78Y-20.32I15.41K-25.79

G02X0Y0I26.69K5.23

G03X24.35Y10.01I3.21K26.81/繪制第二個(gè)花瓣/

G02X33.76Y2.76I29.29K6.69

G03X42.70Y-5.11I38.23K-1.18

G02X0Y0I23.29K13.66

G03X-2Y26.25I-24.5K11.34/繪制第三個(gè)花瓣/

G02X7.81Y32.96I2.69K29.92

G03X18.05Y39.03I12.93K35.99

G02X0Y0I-5.8K26.37

G03X-25.59Y6.21I-18.35K-19.8/繪制第四個(gè)花瓣/

G02X-28.93Y17.61I-27.63K11.8

G03X-31.54Y29.23I-30.23K23.42

G02X0Y0I-26.87K2.64

G03X-13.84Y-23.19I13.16K-23.57/繪制第五個(gè)花瓣/

G02X-25.69Y-22.07I-19.76K-24.74

G03X-37.55Y-20.96I-31.62K-21.52

G02X0Y0I-10.81K-24.74/圓弧插補(bǔ)并返回原點(diǎn)/

M02/程序結(jié)束/

執(zhí)行過(guò)程如圖8。

圖8　平臺(tái)執(zhí)行的過(guò)程

4.2魚形圖運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方法

對(duì)于圖9所示的魚形圖，需要采用定位、圓弧插補(bǔ)、直線插補(bǔ)等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。數(shù)控編程如下。

G01X0Y0；/快速定位至原點(diǎn)

G02X10.84Y15.07R24.94；/圓弧插補(bǔ)繪制魚身/

G02X26.08Y21.41R42.32；/圓弧插補(bǔ)繪制魚尾/

G02X62.75Y14.77R48.08；

G02X73.56Y-3.8R23.37；

G02X106.68Y13.11R39.59；

G03X106.68Y3.6R5.86；

G02X106.68Y-5.44R6.72；

G03X106.68Y-11.97R5.09；

G02X107.91Y-21.12R7.58；

G02X73.56Y-3.8I106.31K18.44；

G01X89.82Y2.54；/直線插補(bǔ)繪制兩條直線/

G01X73.56Y-3.8；

圖9　魚形圖圖形

G01X88.76Y-7.83；

G01X73.56Y-3.8；

G02X70.43Y-14.37I50.15K-2.63；/圓弧插補(bǔ)繪制魚身/

G02X71.19Y-20.3335.47K-21.83；/圓弧插補(bǔ)繪制魚鰭/

G02X70.75Y-26.21I49.74K-21.7；

G02X69.01Y-28.34I68.35K-26.02；

G02X66.46Y-26.95I69.87K-23.72；

G02X62.58Y-22.5I87.74K-4.45；

G03X70.43Y-14.37I50.15K-2.63；

G02X62.58Y-22.5I50.15K-2.63；

G02X36.54Y-30.16I36.56K17.85；

G02X35.17Y-37.73I12.01K-29.64；

G02X32.46Y-38.26I33.68K-87.74；

G02X26.9Y-29.18I46.55K-23.4；

G03X36.54Y-30.16I36.56K17.85；

G02X26.9Y-29.18I36.56K17.85；

G03X34.42Y-3.55I-26.95K0.55；

G01X18.16Y-1.03；/直線插補(bǔ)繪制魚眼/

G03X22.96Y3.77I18.16K3.77；

G01X20.56Y3.77；

G03X18.16Y6.17I18.16K3.77；

G03X20.56Y3.77I18.16K3.77；

G01X22.96Y3.77；/直線插補(bǔ)繪制魚嘴

G03X18.16Y-1.03I18.16K3.77；

G03X16.08Y8.1I18.16K3.77；

G01X30.14Y14.85；

G03X10.84Y15.07I-6.77K-3.44；

G02X34.42Y-3.55I-6.77K-3.44；

G02X26.9Y-29.18I-26.95K0.55；

G02X6.58Y-19.17I33.61K10.07；

G01X23.13Y-9.62；

G01X0Y0；/直線插補(bǔ)并返回原點(diǎn)/

M02；/程序結(jié)束/

執(zhí)行的過(guò)程如圖10。

圖10　平臺(tái)執(zhí)行的過(guò)程

5總　結(jié)

本文分析了二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的控制理論模型及基于DRLink的實(shí)驗(yàn)。由系統(tǒng)方框圖以及傳遞函數(shù)出發(fā)來(lái)研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性。分析了系統(tǒng)干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，以及通過(guò)估計(jì)系統(tǒng)的參數(shù)來(lái)研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。通過(guò)不斷的更改系統(tǒng)的參數(shù)觀察系統(tǒng)的響應(yīng)來(lái)大致得到系統(tǒng)達(dá)到一定要求穩(wěn)定性的最佳參數(shù)值。然后做了二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在DRlink控制下的幾個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)鉛筆在紙上畫出的圖案來(lái)記錄二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軌跡。由于實(shí)驗(yàn)條件有限無(wú)法得到所確定的參數(shù)值在二維平臺(tái)實(shí)際組裝中的可行性。

通過(guò)研究不僅僅了解了DRlink和二維平臺(tái)的使用，而且對(duì)于其在實(shí)際中運(yùn)用也有一定的認(rèn)識(shí)。對(duì)于二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)本身在實(shí)際的生產(chǎn)加工中也起到重要的促進(jìn)作用，特別是在數(shù)控精密加工中。二維運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)采用滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌副傳動(dòng)，具有精度高，效率高，壽命長(zhǎng)，磨損小，節(jié)能降耗，結(jié)構(gòu)緊湊，通用性較強(qiáng)。數(shù)控精密工作臺(tái)可廣泛應(yīng)用于激光焊接機(jī)，激光切割機(jī)，插線機(jī)，打孔機(jī)，涂膠機(jī)，機(jī)械手，搬運(yùn)或運(yùn)輸生產(chǎn)線上，檢測(cè)裝置，射線探傷分析，應(yīng)力分析等數(shù)控機(jī)床和實(shí)驗(yàn)設(shè)備上。隨著電子、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)和精密測(cè)試等技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是設(shè)備實(shí)現(xiàn)高精密加工的核心部件，對(duì)于提高產(chǎn)品的加工質(zhì)量起著尤為重要作用。

［1］梁建民，王勇亮，潘春萍，等.運(yùn)動(dòng)平臺(tái)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2001，7：54-56.

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責(zé)任編輯：胡德明

Numerical Control Model and Experimental Study Based on DRLink Motion Platform

Yang Xianqi，Kan Shi，Song Peng，Guo Hongbing
（School of Mechanical and Electrical Engineering，Huangshan University，Huangshan 245041，China）

DRLink control system features modular and open design of software and hardware control system.Being reconfigurable，it can be redeveloped.The platform integrates many technologies in such fields asmechanics，electronics，communicationsandcomputerwithitscontrolsoftwarehavingsuch functions as simulation technology，network management and remote control.The platform can be used for experiments，innovation and competition，curriculum design and graduation projects，being very helpful in improving students’practical ability.This paper obtains a stable control system model by first exploring the motion model of the platform，then making a time domain analysis using MATLAB based on transfer function，and then adjusting the parameters of each part of the motion platform.Finally，simulation experiments based on the DRlink control system record the working trajectory of the two dimensional platform under corresponding specific instructions by pencil drawing.

comprehensive experiment of control engineering；motion graphics；numerical control technology；engineering application？

TH126

A

1672-447X（2016）03-0011-005

2016-01-10

黃山學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201310375016）；安徽省省級(jí)示范實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)中心項(xiàng)目（56-2011）

楊咸啟（1957-），安徽樅陽(yáng)人，碩士，黃山學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院教授，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程控制。