數(shù)字化制造體系支持技術(shù)

在以基于模型定義（Model based Definition， MBD）為核心的數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造模式下，由三維設(shè)計(jì)數(shù)模分別派生出的三維工藝數(shù)模、工裝數(shù)模和檢驗(yàn)數(shù)模成為機(jī)器人作業(yè)規(guī)劃和離線編程的依據(jù)，因此基于三維數(shù)模的作業(yè)規(guī)劃、基于輕量化模型的裝配過(guò)程可視化、基于MBD 的數(shù)字化檢測(cè)和基于MBD 的集成數(shù)據(jù)管理功能*。此外，未來(lái)的機(jī)器人離線編程和控制系統(tǒng)需要更加開放，包括支持標(biāo)準(zhǔn)三維數(shù)據(jù)格式、提供標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口、與制造信息化系統(tǒng)互聯(lián)等。

伴隨著這些關(guān)鍵技術(shù)的突破和進(jìn)步，未來(lái)的航空制造機(jī)器人將向智能化、柔性化、靈巧化、協(xié)作化的方向發(fā)展，以適應(yīng)航空制造業(yè)日新月異的發(fā)展和不斷涌現(xiàn)的新需求：

1、智能化

現(xiàn)有工業(yè)機(jī)器人需要通過(guò)人工示教或離線編程才能執(zhí)行作業(yè)。提高定位標(biāo)定、作業(yè)規(guī)劃和碰撞檢測(cè)的智能程度，以縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，是未來(lái)工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要發(fā)展方向，人們甚至希望未來(lái)的機(jī)器人能夠?qū)ψ陨淼男袨檫M(jìn)行實(shí)時(shí)規(guī)劃和控制，獨(dú)立自主地完成工作，而不是僅僅局限于動(dòng)作重復(fù)。

2、柔性化

傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人追求速度和精度，其重量大、體積大、功耗大、剛性大，但在某些特殊場(chǎng)合下，具有關(guān)節(jié)力反饋能力和關(guān)節(jié)柔性的輕質(zhì)機(jī)器人因其自重小、低功耗、較高負(fù)載／ 自重比和具備柔順控制能力等特點(diǎn)更具優(yōu)勢(shì)。

3、靈巧化

航空制造經(jīng)常需要在復(fù)雜、隱蔽的產(chǎn)品空間內(nèi)部進(jìn)行作業(yè)，比如飛機(jī)壁板內(nèi)部的監(jiān)測(cè)、標(biāo)準(zhǔn)件緊固及密封，以及進(jìn)氣道的測(cè)量、安裝、噴涂、檢驗(yàn)等，關(guān)節(jié)式冗余自由度機(jī)器人因其工作空間大、靈活性高等特點(diǎn)而呈現(xiàn)出良好前景。

在行走機(jī)構(gòu)方面，工業(yè)機(jī)器***網(wǎng)信禁止詞語(yǔ)多采用軌道結(jié)構(gòu)，占用工作空間和地面大，廠房投入和維護(hù)成本高。在輪式或履帶式移動(dòng)平臺(tái)上安裝工業(yè)機(jī)器人，從而達(dá)到圍繞零件移動(dòng)制造的目的不失為一種更經(jīng)濟(jì)的辦法。利用真空吸附裝置等實(shí)現(xiàn)工件表面攀附的爬行機(jī)器人也值得關(guān)注。

4、協(xié)作化

雙臂或多臂機(jī)器人越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外眾多科研機(jī)構(gòu)的高度重視，ABB、KUKA、YASKAWA等機(jī)器人制造商紛紛開展了相關(guān)產(chǎn)品的研制，目前已經(jīng)有利用雙臂協(xié)調(diào)機(jī)器人進(jìn)行航空復(fù)合材料自動(dòng)鋪放的報(bào)道。

另外，盡管機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展日新月異，但畢竟不可能*取代人，將機(jī)器人集成到生產(chǎn)中，使機(jī)器人與人并肩工作，消除人機(jī)之間的防護(hù)隔離，將人從簡(jiǎn)單枯燥的工作中解放出來(lái)，進(jìn)而從事更有附加值的工作，一直是人們心目中和吸引力的航空制造模式。2012 年底，德國(guó)、奧地利、西班牙等國(guó)家在歐盟第七框架計(jì)劃“未來(lái)工廠”項(xiàng)目的資助下聯(lián)合發(fā)起VALERI 計(jì)劃，其目的就是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人*識(shí)別和人機(jī)協(xié)同操作?？湛鸵苍谄滹w機(jī)組裝的未來(lái)探索（FUTURASSY）項(xiàng)目中做出了大膽嘗試，將日本川田工業(yè)株式會(huì)社研制的人型雙臂機(jī)器人應(yīng)用于A380方向舵組裝工作站，與普通人類員工一起進(jìn)行鉚接工作。

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簡(jiǎn)化電流控制創(chuàng)造*FOC效能

直流馬達(dá)控制很簡(jiǎn)單，因?yàn)槠渌惺芸氐牧慷际欠€(wěn)定狀態(tài)的直流電(DC)值，而且電流相位/角度受機(jī)械換向器的控制；但在PMSM領(lǐng)域中，要如何才能實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)定向控制技術(shù)？

二、DC值/角度控制

首先，須知道轉(zhuǎn)子的位置，其常常與A相有關(guān)。我們可使用位置感測(cè)器(如解析器)或相對(duì)位置感測(cè)器(如編碼器)，并處理所謂的「對(duì)齊」。對(duì)齊過(guò)程中， 將轉(zhuǎn)子與A相軸線對(duì)齊，如此一來(lái)A相軸線與直軸(勵(lì)磁分量所在軸)就對(duì)齊。在這種狀態(tài)中，轉(zhuǎn)子位置設(shè)為0；亦即，構(gòu)建靜態(tài)電壓向量，令所需的電壓在d軸， 位置設(shè)為0，這導(dǎo)致定子磁場(chǎng)吸引轉(zhuǎn)子，并將直軸與A相軸線對(duì)齊。三相量可通過(guò)Clarke變換轉(zhuǎn)換成等效的二相量。接著，再透過(guò)Park變換將兩相靜止參 照系中的量轉(zhuǎn)換成兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流量，這期間要用到轉(zhuǎn)子位置。

轉(zhuǎn)子的電氣位置是轉(zhuǎn)子的機(jī)械位置再乘以極對(duì)數(shù)pp。經(jīng)過(guò)一系列控制之后，I/O板 A16B-1211-0170設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)在馬達(dá)端子上生成三相交流電壓，因此所需/生成電壓的直流值應(yīng)當(dāng)通過(guò)反Park/Clarke變換進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

三、幅值控制

所有變數(shù)現(xiàn)在都是直流值，可以輕松控制，但是要如何控制它們的幅值呢？對(duì)于幅值控制，建議使用級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的PI控制器，且可以像直流馬達(dá)那樣控制許多狀態(tài)量，如相電流(扭矩環(huán))、轉(zhuǎn)速和位置。

四、FOC步驟

首先，須測(cè)量馬達(dá)的相電流，并使用Clarke變換將它們轉(zhuǎn)換為兩相系統(tǒng)，及計(jì)算轉(zhuǎn)子位置角；接著，再使用Park變換將定子電流轉(zhuǎn)換為d、q坐標(biāo)系統(tǒng) 上；此時(shí)，定子電流扭矩(isq)分量和磁通量(isd)生成分量由控制器單獨(dú)控制；zui后，透過(guò)逆向Park變換，輸出定子電壓空間向量從d、q坐標(biāo)系轉(zhuǎn) 換回兩相靜止坐標(biāo)系，并使用空間向量調(diào)制，生成三相輸出電壓。

五、無(wú)感測(cè)器控制

設(shè)計(jì)人員需要轉(zhuǎn)子的位置資訊，才能高效地控制永磁同步馬達(dá)，然而在一些應(yīng)用中于傳動(dòng)軸上安裝轉(zhuǎn)子位置感測(cè)器，會(huì)降低整個(gè)系統(tǒng)的耐用性和可靠性。因此，設(shè)計(jì)人員的目標(biāo)不是使用這個(gè)機(jī)械感測(cè)器直接測(cè)量位置，而是利用一些間接的技術(shù)估算轉(zhuǎn)子位置。

低速時(shí)，須高頻率注入或開環(huán)啟動(dòng)(效率不高)等特殊技術(shù)來(lái)啟動(dòng)馬達(dá)并使之達(dá)到某一個(gè)轉(zhuǎn)速，在這個(gè)轉(zhuǎn)速下對(duì)于反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)器來(lái)說(shuō)，反電動(dòng)勢(shì)已足夠。通常，5%的基本速度足以使無(wú)感測(cè)器模式正常運(yùn)行。

中/高速時(shí)，使用d/q參照系中的反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)器。內(nèi)部脈寬調(diào)變(PWM)頻率和控制環(huán)路頻率必需夠高，才能獲得合理數(shù)量的相電流和直流母線電壓的樣 本。反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)器的計(jì)算要求乘累加、除法、正弦/余弦(sin/cos)、開方等數(shù)學(xué)計(jì)算，適合使用基于安謀(ARM)內(nèi)核的KinetisMCU 或PowerArchitecture系列的數(shù)位訊號(hào)控制器(DSC)。

六、弱磁控制

超過(guò)馬達(dá)額定轉(zhuǎn)速的作業(yè)要求，PWM逆變器提供的輸出電壓高于直流母線電壓所限制的 輸出能力。要克服速度限制，可實(shí)施弱磁演算法。負(fù)的d軸給定電流將提高速度范圍，但由于定子電流的限制，可得到的zui大扭矩會(huì)相對(duì)地降低。在同樣的直流母線 電壓限制下，控制d軸電流可以起到弱化轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的效果，這降低了反電動(dòng)勢(shì)電壓，允許更高的定子電流流入馬達(dá)。

七、PMSM/MCU相輔相成提升工業(yè)機(jī)器人自由度

機(jī)器人已開始在工廠自動(dòng)化處理中發(fā)揮著重要作用，其代替工人進(jìn)行焊接、涂裝、裝配等可藉由機(jī)器人達(dá)到更經(jīng)濟(jì)、快速和準(zhǔn)確完成標(biāo)準(zhǔn)的常規(guī)作業(yè)。以下將從馬達(dá)控制角度介紹系統(tǒng)描述和需求。

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11M主板 A16B-1010-0321
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