高精直线滑台的设计和控制

高精机床需要高精滑台.文中介绍一种定位精度高达16nm的直线工作台设计。该工作台用钢制造,质量为100kg,用三个静压轴承全浮动支承。工作运动长度220mm,具有甚高的刚性。该滑台使用磨擦传动致动器,直线轴向最大平移速度10mm/s。使用闭环伺服控制,使用模控制器门（IMC）,自动补偿未建模的机械性能。也可使用比例积分微分控制器（PIDC）对直线滑台进行控制。控制方法中测量时使用激光干涉仪和光学直线编码器,保证使滑台得到甚高的定位精度。

直线电机滑台摩擦特性和摩擦模型

为了提高直线电机在高速、高加速工况下的运动精度,需要对直线电机滑台的摩擦特性进行研究。本文通过直线电机实验台研究了加速度和速度对摩擦力的影响。实验结果表明:加速度越大,预滑动阶段结尾处的临界摩擦力也越大;加速度越大,混合润滑区摩擦滞后现象越显著,使得Stribeck曲线出现后移;在高速运动下,黏滞摩擦力并不随速度呈线性变化,黏滞摩擦因子会随着速度增加而逐渐减小。针对这些摩擦特性,提出了考虑加速度影响的Stribeck二元摩擦模型。结合实验数据辨识出了模型参数并通过对比其他工况下的实验数据和模型预测值,验证了Stribeck二元模型的有效性。

直线电机滑台的空间位置精度研究

直线电机滑台作为直线电机的支撑机构,常被应用在高精度的直线运动场合。直线电机滑台机构在运动过程中会受到磁推力、重力等多种外力作用,使滑台机构发生弹性变形,产生空间位置误差。通过力学建模,分析了直线电机滑台机构在外载荷作用下的位移同滚珠变形的关系,并基于赫兹接触公式,得到了滑台空间位置精度的计算模型。通过该计算模型分析了滑台的质量和质心位置、工件的质量和安装位置、电枢的安装高度、滑台的加速度以及滚珠的预压变形对滑台的空间位置精度的影响。研究发现:当工件质量不大时,工件质量和安装位置对滑台空间位置精度的影响规律与滑台质量和质心位置对其的影响规律相同,即滑台随着工件安装位置或滑台质心位置的偏移在偏移方向上线性移动,随着工件或滑台质量的增加在空间3个方向上线性移动;当工件质量较大时,滑台空间位置的变化随着工件质量的增加呈现出非线性特点;当电枢安装高度与滑台质心高度不一致且滑台加速移动时,滑台在加速的反方向上发生与加速度成比例的线性移动,且两者相距越远比例系数越大;增大滚珠预压变形可提高滑台的空间位置精度,但也会增大滚珠的最大接触应力。

直线电机摩擦力的动态补偿研究

由于非线性摩擦力的影响,高精度的直线电机滑台在低速运动时跟踪精度会受到较大的影响。从实际运用的角度出发,在传统的Stribeck摩擦数学模型的基础上引入位置参数建立新的模型,对非线性摩擦力进行补偿,并根据模型的特点设计前馈积分控制器进行系统辨识和补偿。采用Lyapunov函数和LaSalle不变性原理分析系统的稳定性。仿真结果表明:采用该模型提高了滑台的跟踪性能。

自动云药房系统中进药系统的设计

本文针对自动云药房系统的进药功能需求设计出了一套轻量级、低成本、高效的全自动进药系统。主要包括硬件系统的选型、搭建,软件控制与算法设计等。系统实现的功能如下:装了药品的箱子置于指定位置,定位出其中某盒药品的三维坐标;然后机械手臂将该药品搬运至条形码扫描区域,获取到药品条形码号作为结果返回给自动云药房系统原有的控制单元;最后将药品放置于指定位置的传送带上。其中药品定位和条形码扫描均通过摄像头拍摄图片,再经过图像处理的方法实现。一直循环上面的操作直至药品全部取完。实验证明,本系统的平均进药速度约为11 s/盒,相比较人工直接扫描进药要慢一点。但是由于可以24 h长期稳定进药,综合进药量比人工操作大,所以可以替代人工进药。但是仍然会存在漏检的情况,漏检率为6%左右,需进一步完善。本文设计的系统不仅满足自动药房系统的全自动进药需求,并且为快递自动分拣等应用场景提供了参考。