摘 要

随着工业机器人在航海、航空、航天等领域应用的不断发展，其刚度差，易发生颤振等问题也逐渐成为人们研究的重点。本文以机器人薄板铣削加工为切入点，通过Labview、MATLAB、SolidWorks等软件，利用压电作动器、NI数据采集器、激光位移传感器、m p振动噪声采集与分析系统等实验工具，对压电作动器的控制器进行了二次开发，设计了Labview环境下基于压电作动器的振动控制系统。为后续进行振动控制算法与理论的研究提供了基础的论证平台。

本文首先对压电作动器的常用传动部件——柔性铰链进行设计计算，以此为核心设计了单自由度振动平台，建模并测试其刚度与模态参数。而后利用MATLAB对其进行Simulink建模并整定PID参数，最后搭建了Labview环境下的振动控制系统，并通过Simulation仿真验证系统的PID控制效果。整个设计在商品化压电作动器的基础上实现了PID控制功能二次开发，拓展了原控制器的功能，为后续振动控制理论的研究与验证打下基础。

关键词：压电作动器；单自由度振动平台；PID控制；振动控制系统

Abstract

With the continuous development of industrial robots in the fields of navigation, Aeronautics and aerospace, the problems of poor stiffness and flutter prone of industrial robots have gradually become the focus of research. In this paper, the control system of the piezoelectric actuator is redeveloped through Labview, MATLAB, SolidWorks and other software, using piezoelectric actuator, NI data acquisition device, laser displacement sensor, m p vibration and Noise Acquisition and analysis system and other experimental tools. The vibration control system based on the piezoelectric actuator in Labview environment is designed. It provides a basic demonstration platform for the follow-up study of vibration control algorithm and theory.

Firstly, this paper designs and calculates the flexible hinge, which is the common transmission component of piezoelectric actuator. Based on this, a single-degree-of-freedom vibration platform is designed, and its stiffness and modal parameters are modeled and tested. Then it uses MATLAB to model its Simulink and tune the PID parameters. Finally, the vibration control system under Labview environment is built, and the PID control effect of the system is verified by Simulation simulation. The whole design realizes the secondary development of the PID control function based on the commercialized piezoelectric actuator, expands the function of the original controller, and lays a foundation for the follow-up research and verification of vibration control theory.

Key Words：piezoelectric actuator；one DOF stage；PID control；vibration control system

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景、目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 压电材料及其应用 2

1.2.2 基于压电作动器的振动控制手段 2

1.2.3振动主动控制理论 3

1.3 研究内容与组织结构 3

第2章 压电作动器及控制器介绍 5

2.1 压电作动器简介 5

2.1.1 压电陶瓷特性 5

2.1.2 压电陶瓷作动器的结构 5

2.1.3 压电作动器输出特性 7

2.2 作动器控制器介绍 9

第3章 单自由度振动平台的设计与建模 12

3.1 单自由度振动平台结构说明 12

3.2 柔性铰链设计 13

3.2.1 柔性铰链结构参数 13

3.2.2 柔性铰链的安装形式 14

3.2.3 柔性铰链结构设计与刚度计算 16

3.2.4 柔性铰链刚度测试 18

3.3 单自由度振动台建模 20

3.3.1 单自由度振动台的数学模型 20

3.3.2 实验设计 21

3.3.3 数据处理与分析 23

第4章 基于Matlab的实验台PID参数整定 27

4.1 PID理论 27

4.2 PID参数整定方法 28

4.2.1 Ziegler-Nichols法 28

4.2.2 临界比例度法 29

4.2.3 衰减曲线法 29

4.3 PID参数整定 30

4.3.1 MATLAB/Simulink简介 30

4.3.2 整定方法选择 31

4.3.3 衰减曲线法整定PID参数 31

第5章 Labview控制系统构建与仿真 35

5.1 控制系统整体框架 35

5.2 控制系统硬件 37

5.2.1 NI数据采集器 37

5.2.2 激光位移传感器 38

5.3 控制系统软件 39

5.3.1 整体功能 39

5.3.2 信号采集与发送模块 40

5.3.3 PID控制模块 43

5.3.4 内部循环时间读取模块 44

5.3.5 零位标定模块 45

5.4 Simulation仿真 46

第6章 结论 48

6.1 经济性分析与环境性评价 48

6.1.1经济性分析 48

6.1.2 环境评价 49

6.2 总结与展望 49

附录 单自由度振动平台设计简图 51

参考文献 53

致谢 56

第1章 绪论

1.1 课题研究背景、目的及意义

机器人加工相对与机床加工，有造价低廉、加工区域大，加工位姿灵活等优势，在航海、航空、航天领域的复杂薄壁工件，如轮桨、叶片、航空发动机机匣的加工中受到特别的重视与研究。但工业机器人的各关节轴是通过关节铰连接的，属于开链多杆串联结构，相较于机床而言，其末端刚度很低^[1]。当其加工铝基、钛基复合材料等难加工材料时，切削力与切削扰动都很大，机器人在受到这些扰动激励时容易发生颤振而影响加工质量^[2]。因此，如何对机器人加工过程中的振动进行控制与衰减，成为一个亟待解决的问题。

目前学界对振动的抑制主要有两条思路：一是增加阻尼，二是主动控制。以动力吸振器^[3]为代表的一系列被动阻尼器件往往采用吸收振动能量转化为热量的原理减振，除了发热、易老化等普遍性问题外，大多是针对特定的对象模态设计，进行深度优化^[4]时需要用到主体结构的动力学参数，并且受到材料、空间、阻尼块质量等种种因素的限制，难以适应仪器设备不同工况和参数下的运行需求。与之相对应的，采用控制手段以达到抑制机械振动目的的主动减振技术^[5]，在航空航天、精密仪表、机械工程领域都收到普遍关注，具有很大的实用价值。而作为主动振动控制领域的重要工具——压电作动器自诞生之初，就被应用于航天器外壳在太空欠阻尼情况下的主动抑振领域，继而受到国内外主动振动控制领域的持续关注。