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调姿机构力/位置混合控制系统设计

作　者: 罗中海
导　师: 方强
学　校: 浙江大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 飞机大部件调姿系统冗余驱动定位器螺旋理论力和位置混合控制
分类号: V262.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

在飞机数字化装配系统中,一般采用由多个三坐标数控定位器构成的调姿平台实现飞机大部件位姿调整,其调姿运动算法依赖于理想化的三坐标垂直等结构要求。然而在实际制造和现场安装过程中,三坐标数控定位器各轴的垂直度误差和多个定位器之间的平行度误差必然存在。在实际调姿过程中,三坐标数控定位器按照其理想模型进行飞机大部件调姿轨迹规划,由于飞机壁板、机身段等大部件是刚性相对较弱的结构件,与三坐标数控定位器之间就会产生相互作用,从而引起调姿误差和大部件内部应力,严重时会导致部件变形甚至损坏。在此背景下,本文提出力和位置混合控制策略实现飞机大部件位姿调整控制,避免各个三坐标数控定位器相互拉扯或挤压导致的飞机大部件内部应力,同时提高多个三坐标数控定位器定位器协同运动的调姿精度。本文内容如下：首先阐述调姿机构的组成及其逆运动学模型,在考虑定位器垂直度和平行度误差的情况下,建立调姿系统的位姿误差模型。针对定位器均采用位置控制的调姿机构,分析其调姿内力,提出力和位置混合控制策略。根据螺旋理论分析调姿机构力和位置控制轴选区合理性,进而采用运动学椭球和刚度椭球的对机构性能进行分析,提出了基于力矩同性度和刚度矩阵条件数的力和位置控制轴选取方法。针对实际调姿对象选取力和位置控制轴,在分析力控制轴的最佳接触力基础上,提出力和位置混合控制系统结构。静态误差分析和计算表明,定位器单轴存在0.05mm/m垂直度误差,同向轴两两之间最大平行度误差为0.1mm/m且平均平行度误差为0.07mm/m时,在给定的部件尺寸和调姿轨迹下力和位置混合控制的调姿精度优于位置控制,并且有效降低了调姿部件内部应力。采用计算机仿真和实际系统实验相结合的方法进行力和位置混合控制实验研究。仿真结果表明,基于PID的力控制器能够实现对理想接触力较好的跟随效果,各轴动态误差小于0.05N,静态误差收敛于ON,且不存在振荡。对单轴的实验研究结果表明,力控制器能在位置跟踪的基础上稳定跟随力矩指令,稳态误差在+0.02Nm内,可以满足定位器调姿控制要求。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-6
Abstract  6-11
第一章绪论  11-20
  本章提要  11
  1.1 研究背景  11
  1.2 飞机大部件调姿系统研究现状  11-19
    1.2.1 调姿系统的机构  12-17
    1.2.2 调姿系统的控制方法  17-19
  1.3 本文主要研究内容  19-20
第二章飞机大部件调姿原理及位姿误差模型  20-29
  本章摘要  20
  2.1 引言  20
  2.2 基于三坐标定位器的调姿机构  20-24
    2.2.1 三坐标定位器  20-22
    2.2.2 工艺接头  22-23
    2.2.3 调姿机构位姿调整原理  23-24
  2.3 调姿系统位姿误差模型  24-27
    2.3.1 调姿系统逆运动学模型  24-25
    2.3.2 调姿系统位姿误差建模  25-27
  2.4 调姿对象所受内力分析  27-28
  2.5 本章小结  28-29
第三章控制策略与机构性能分析  29-48
  本章摘要  29
  3.1 引言  29
  3.2 位置控制轴的选取合理性分析  29-36
    3.2.1 螺旋理论  29-31
    3.2.2 位置控制轴的运动螺旋分析  31-36
  3.3 机构性能分析  36-44
    3.3.1 椭球法  36-38
    3.3.2 机构运动学性能分析  38-41
    3.3.3 机构刚度性能分析  41-43
    3.3.4 机构综合性能分析  43-44
  3.4 力和位置控制轴的优化选取策略  44-46
  3.5 本章小结  46-48
第四章力和位置混合控制系统设计  48-61
  本章提要  48
  4.1 引言  48
  4.2 调姿对象参数设置  48-50
  4.3 调姿机构的力和位置混合控制设计  50-53
    4.3.1 力和位置控制轴的选取  50-51
    4.3.2 力控制轴的最佳接触力分析  51-53
    4.3.3 力和位置混合控制系统结构  53
  4.4 力和位置混合控制的调姿误差分析  53-60
    4.4.1 混合控制的位姿误差建模  54-58
    4.4.2 计算结果和分析  58-60
  4.5 本章小结  60-61
第五章仿真和实验  61-78
  本章摘要  61
  5.1 引言  61
  5.2 调姿机构的控制系统建模  61-65
    5.2.1 定位器位置伺服系统  62-63
    5.2.2 工艺接头的受力模型  63-64
    5.2.3 基于位置伺服的力控制器  64-65
  5.3 控制器设计及其仿真  65-71
    5.3.1 单轴定位器控制器参数设置  65-67
    5.3.2 力和位置参考指令及考察指标  67-68
    5.3.3 力和位置混合控制仿真及分析  68-71
  5.4 单轴定位器力矩控制验证实验  71-76
    5.4.1 实验系统组成  71-72
    5.4.2 控制系统在Mechaware中的实现  72-73
    5.4.3 实验结果及分析  73-76
  5.5 本章小结  76-78
第六章总结与展望  78-80
  6.1 总结  78-79
  6.2 展望  79-80
参考文献  80-83

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