基于超聲掃描設(shè)備的雙直線電機(jī)驅(qū)動技術(shù)

張繼靜

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

超聲掃描檢測設(shè)備是一種無損檢測設(shè)備，可以在不破壞器件的情況下檢測器件內(nèi)部缺陷。超聲掃描檢測設(shè)備不僅能檢測分層、氣孔、裂縫和夾雜等缺陷，而且在判別密度差異、彈性模量、厚度等特性和幾何形狀的變化方面也具有一定的能力。超聲掃描檢測設(shè)備屬于高精度設(shè)備，針對原來系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中存在的步進(jìn)軸運(yùn)動速度慢，檢測效率低，定位精度低等缺陷，我們采用雙直線電機(jī)驅(qū)動的結(jié)構(gòu)代替步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，有效改善了系統(tǒng)原來存在的問題。

1 超聲掃描檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)

超聲掃描檢測設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。三軸運(yùn)動系統(tǒng)帶動超聲波換能器對被測器件進(jìn)行高速掃描，超聲波換能器發(fā)射超聲波并接收反射回波，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，最終得到一張相應(yīng)界面的高分辨率超聲波圖像。

掃描軸驅(qū)動機(jī)構(gòu)主要帶動超聲波換能器沿掃描軸高速往復(fù)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)對待測器件的掃描。

步進(jìn)軸驅(qū)動機(jī)構(gòu)的主要功能就是驅(qū)動掃描軸沿步進(jìn)軸方向做低速微步運(yùn)動，配合掃描軸軸向運(yùn)動一起來實(shí)現(xiàn)掃描- 步進(jìn)兩個方向的協(xié)調(diào)運(yùn)動，以實(shí)現(xiàn)對整個待測件的完整掃描。

聚焦軸驅(qū)動機(jī)構(gòu)的主要功能是驅(qū)動超聲波換能器和前置放大器沿聚焦軸方向上下運(yùn)動，以實(shí)現(xiàn)對器件的超聲波聚焦。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于本次步進(jìn)軸采用高架機(jī)構(gòu)，而直線電機(jī)運(yùn)行速度、加速度比較高，容易造成系統(tǒng)震蕩。雙驅(qū)結(jié)構(gòu)左右兩邊各有一套光柵尺反饋單元，要求兩側(cè)的位置反饋值偏差在10 μm 以內(nèi)。因此要求兩端導(dǎo)軌的平行度、直線度控制在比較高的精度范圍內(nèi)，這就對機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，零件加工精度和裝配調(diào)整方法提出了較高的要求。

針對以上問題，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用疊加方式構(gòu)成高位龍門式架構(gòu)模式，這種設(shè)計容易保證關(guān)鍵零件加工的精度要求，又能確保整體架構(gòu)的剛性要求，配以雙驅(qū)脈沖參數(shù)匹配等多種調(diào)整方法及測量方式滿足了系統(tǒng)性能指標(biāo)的量值需求。

3 雙直線電機(jī)驅(qū)動控制

雙驅(qū)直線電機(jī)的同步進(jìn)給對同步精度和快速性的要求要比在單軸驅(qū)動時對速度、位移控制的要求更高，因?yàn)檫@涉及到多個控制回路間的互相關(guān)系并使其保持一致性，而不僅僅是要求單個回路的高品質(zhì)問題，往往在多個回路間存在著強(qiáng)烈的耦合和諸多不確定性，從而增加控制難度。

目前直線電機(jī)的同步控制可分為三種結(jié)構(gòu)，串聯(lián)式同步控制結(jié)構(gòu)、并聯(lián)式同步控制結(jié)構(gòu)和一般主從式同步控制結(jié)構(gòu)。

3.1 串聯(lián)式同步控制結(jié)構(gòu)

串聯(lián)式同步控制結(jié)構(gòu)如圖2所示，即主動電機(jī)的位置輸出當(dāng)作從動電機(jī)的位置輸入，根據(jù)各軸的機(jī)械或伺服頻寬的差異來調(diào)整比例增益。這種控制方法比較簡單，但是從軸會因伺服落后而造成跟蹤誤差，一般情況下，從軸要比主軸滯后2個伺服周期以上。

3.2 并聯(lián)式同步控制結(jié)構(gòu)

并聯(lián)式同步控制是在控制器上完成兩軸同步的指令規(guī)劃，如圖3所示。在指令方面兩個軸是同步的，但由于兩軸的運(yùn)動控制回路相互獨(dú)立，兩個直線電機(jī)之間不存在任何交互關(guān)系，當(dāng)一個直線電機(jī)受到未知干擾而影響其輸出時，則無法保證雙直線電機(jī)之間的同步性能。

針對并聯(lián)式同步控制結(jié)構(gòu)的弊端，交叉耦合同步控制結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，采集一個直線電機(jī)的位置誤差信號乘以比例值，作為另一個直線電機(jī)的速度輸入，這種在控制上交叉耦合的控制結(jié)構(gòu)可看作是改良式的并聯(lián)同步控制結(jié)構(gòu)。

圖2 串聯(lián)式同步控制結(jié)構(gòu)

圖3 并聯(lián)式同步控制結(jié)構(gòu)

3.3 一般主從式同步控制結(jié)構(gòu)

一般主從式同步控制結(jié)構(gòu)是利用主動電機(jī)的位置、速度輸出以及速度估測分別作為從動電機(jī)的命令以及前饋補(bǔ)償，如圖4所示。該結(jié)構(gòu)主動電機(jī)受到外界干擾，從動電機(jī)會隨之運(yùn)動，但從動電機(jī)受到干擾后，其輸出變化不會反饋至主動電機(jī)，所以對于同步控制系統(tǒng)存在瑕疵。

3.4 系統(tǒng)所采用控制結(jié)構(gòu)

結(jié)合設(shè)備結(jié)構(gòu)，綜合眾多的同步控制方案并經(jīng)過改進(jìn)，得出了如圖5所示控制結(jié)構(gòu)。雙電機(jī)同步控制系統(tǒng)兩根軸采用相同的伺服系統(tǒng)，同時結(jié)合交叉耦合控制理論，把兩根軸的速度誤差信號經(jīng)過反饋控制器分別給直線電機(jī)電流控制器的輸入端，以提高系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)和抗干擾能力。

圖4 一般主從式同步控制結(jié)構(gòu)

圖5 本系統(tǒng)同步控制結(jié)構(gòu)

4 系統(tǒng)運(yùn)行驗(yàn)證

系統(tǒng)采用兩套完全相同的直線電機(jī)、驅(qū)動器、濾波器以及開放式光柵系統(tǒng)進(jìn)行反饋，在運(yùn)動控制程序中加入位置、速度、電流三種控制器，由運(yùn)動控制卡進(jìn)行電機(jī)運(yùn)動的控制與監(jiān)測。加入同步控制算法，按雙驅(qū)直線電機(jī)調(diào)試辦法進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，經(jīng)過底層程序編制、進(jìn)行PID 調(diào)節(jié)，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。利用激光干涉儀記錄重復(fù)精度、定位精度、最高運(yùn)行速度。

兩個電機(jī)同時進(jìn)給，對400 mm 長的龍門梁選取三個不同位置進(jìn)行測量。記錄各點(diǎn)的重復(fù)精度和定位精度，參數(shù)如表1所示，仿真曲線如圖6、圖7、圖8所示。

表1 測量結(jié)果

圖6 命令與實(shí)際拋物曲線對比

圖7 命令與實(shí)際S 曲線對比

圖8 命令與實(shí)際階躍曲線對比

由測量結(jié)果可以看出，重復(fù)精度與定位精度達(dá)到系統(tǒng)要求。

經(jīng)過參數(shù)設(shè)置與調(diào)整，系統(tǒng)的重復(fù)精度和定位精度可以保證系統(tǒng)要求。

通過參數(shù)設(shè)置與調(diào)整，并經(jīng)過長達(dá)3 個月的考核驗(yàn)證，系統(tǒng)的重復(fù)精度和定位精度可以滿足系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)。證明本系統(tǒng)雙直線電機(jī)驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，系統(tǒng)所采用的雙直線電機(jī)驅(qū)動控制方法有效。

5 結(jié) 論

超聲掃描檢測系統(tǒng)是一種高速高精度的檢測設(shè)備，本文基于超聲掃描檢測系統(tǒng)，對雙直線電機(jī)伺服系統(tǒng)的同步進(jìn)給問題進(jìn)行了研究及驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明系統(tǒng)具有很好的跟隨性能，可以達(dá)到要求的定位精度和動態(tài)誤差。

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