伺服驱动弧面分度凸轮机构机电联合仿真研究

摘要

弧面分度凸轮机构在高速运行情况下，具有高分度精度以及良好的动力学性能，目前广泛应用于纺织、包装和印刷等轻工机械领域。传统的机械传动方式已经越来越不能满足当前机电系统朝着高速、高效发展的趋势，采用独立伺服驱动取代传统的机械传动链成为机电系统性能提升的关键技术。因此本文设计对弧面分度凸轮机构采用独立伺服驱动，运用机电联合仿真方法，分析该系统的动态性能，并对弧面分度凸轮机构采用伺服驱动的可行性做出评判。
　　本文在对国内外机电联合仿真研究现状进行综述的基础上，分析了机电联合建模的关键技术。以伺服驱动弧面分度凸轮机构为研究对象，首先，利用共轭曲面理论推导了凸轮的轮廓曲面方程及其共轭接触方程，并根据机构的运行工况，选择了从动件运动规律，建立了机构的三维模型。
　　其次，对机构的动力学参数进行了计算，并将其作为动力学仿真的理论依据。针对目前国内学者对弧面分度凸轮机构进行动力学分析时，在ADAMS中设置凸轮与滚子之间为接触力约束，导致仿真结果与理论计算结果偏大的问题，本文提出在凸轮与滚子之间采用点曲线约束。通过对两种约束方法下的仿真结果对比分析可知，采用点曲线约束时，仿真值与理论计算值更接近，仿真结果更准确。为了使动力学模型更符合实际情况，考虑机构的柔性变形，运用有限元方法，建立了基于ADAMS/ANSYS的刚柔耦合动力学模型。
　　然后，基于对永磁同步电机的基本结构、数学模型的分析，建立了电机的三闭环控制仿真模型，通过软件接口建立了伺服驱动弧面分度凸轮机构基于MATLAB/ADAMS的联合仿真模型。
　　最后，利用永磁同步电机三闭环仿真模型，研究了速度前馈控制和负载特性对系统跟随性能的影响，确定采用速度前馈控制时，能够改善系统的跟随性能;利用伺服驱动弧面分度凸轮机构机电联合模型进行仿真分析，结果表明，系统具有良好的跟随性能，弧面分度凸轮机构采用独立伺服驱动是可行的。

目录

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摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 机电联合建模仿真研究现状

1．3 弧面分度凸轮机构动力学研究现状

1．4 伺服驱动技术在轻工机械中的应用

1．5 论文主要研究内容

第2章 弧面分度凸轮机构设计及三维建模

2．1 弧面分度凸轮机构的主要设计参数

2．1．1 凸轮机构的运动参数

2．1．2 凸轮机构的几何结构参数

2．2 轮廓曲面方程

2．2．1 坐标系的建立

2．2．2 凸轮轮廓曲面方程推导

2．3 从动件运动规律

2．3．1 运动参数无量纲化

2．3．2 五次多项式运动规律

2．3．3 改进正弦加速度运动规律

2．3．4 改进梯形加速度运动规律

2．4 三维模型的建立

2．5 本章小结

第3章 弧面分度凸轮机构动态特性仿真分析

3．1 弧面分度凸轮机构主要动力学参数理论分析

3．2 刚体动力学仿真分析

3．2．1 刚体动力学虚拟样机模型建立

3．2．2 仿真分析

3．3 刚柔耦合动力学建模

3．3．1 柔性构件建模理论

3．3．2 柔性构件的选取

3．3．3 柔性构件模型建立

3．3．4 刚柔耦合模型的建立

3．4 弧面分度凸轮机构刚柔耦合动力学仿真分析

3．5 从动件运动规律对弧面分度凸轮机构动力学性能的影响

3．6 本章小结

第4章 伺服驱动弧面分度凸轮机构机电联合建模

4．1 机电联合建模基本步骤

4．2 交流伺服控制系统建模

4．2．1 交流永磁同步电机基本结构

4．2．2 交流永磁同步电机仿真模型

4．3 机械子系统模块的建立

4．4 联合仿真模型建立

4．5 本章小结

第5章 机电联合仿真研究

5．1 伺服控制性能仿真研究

5．1．1 伺服电机启动加速运动规律分析

5．1．2 前馈控制对电机跟随性能影响研究

5．1．3 负载对系统跟随性能影响研究

5．2 伺服驱动弧面分度凸轮机构机电联合仿真

5．2．1 弧面分度凸轮机构运动仿真分析

5．2．2 伺服系统动态响应仿真分析

5．3 实验验证

5．4 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表论文