數字化制造體系支持技術
在以基于模型定義(Model based Definition, MBD)為核心的數字化工藝設計和產品制造模式下,由三維設計數模分別派生出的三維工藝數模、工裝數模和檢驗數模成為機器人作業規劃和離線編程的依據,因此基于三維數模的作業規劃、基于輕量化模型的裝配過程可視化、基于MBD 的數字化檢測和基于MBD 的集成數據管理功能*。此外,未來的機器人離線編程和控制系統需要更加開放,包括支持標準三維數據格式、提供標準化的數據訪問接口、與制造信息化系統互聯等。
伴隨著這些關鍵技術的突破和進步,未來的航空制造機器人將向智能化、柔性化、靈巧化、協作化的方向發展,以適應航空制造業日新月異的發展和不斷涌現的新需求:
1、智能化
現有工業機器人需要通過人工示教或離線編程才能執行作業。提高定位標定、作業規劃和碰撞檢測的智能程度,以縮短生產準備時間,是未來工業機器人的一個重要發展方向,人們甚至希望未來的機器人能夠對自身的行為進行實時規劃和控制,獨立自主地完成工作,而不是僅僅局限于動作重復。
2、柔性化
傳統工業機器人追求速度和精度,其重量大、體積大、功耗大、剛性大,但在某些特殊場合下,具有關節力反饋能力和關節柔性的輕質機器人因其自重小、低功耗、較高負載/ 自重比和具備柔順控制能力等特點更具優勢。
3、靈巧化
航空制造經常需要在復雜、隱蔽的產品空間內部進行作業,比如飛機壁板內部的監測、標準件緊固及密封,以及進氣道的測量、安裝、噴涂、檢驗等,關節式冗余自由度機器人因其工作空間大、靈活性高等特點而呈現出良好前景。
在行走機構方面,工業機器***網信禁止詞語多采用軌道結構,占用工作空間和地面大,廠房投入和維護成本高。在輪式或履帶式移動平臺上安裝工業機器人,從而達到圍繞零件移動制造的目的不失為一種更經濟的辦法。利用真空吸附裝置等實現工件表面攀附的爬行機器人也值得關注。
4、協作化
雙臂或多臂機器人越來越受到國內外眾多科研機構的高度重視,ABB、KUKA、YASKAWA等機器人制造商紛紛開展了相關產品的研制,目前已經有利用雙臂協調機器人進行航空復合材料自動鋪放的報道。
另外,盡管機器人技術的發展日新月異,但畢竟不可能*取代人,將機器人集成到生產中,使機器人與人并肩工作,消除人機之間的防護隔離,將人從簡單枯燥的工作中解放出來,進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、奧地利、西班牙等國家在歐盟第七框架計劃“未來工廠”項目的資助下聯合發起VALERI 計劃,其目的就是實現機器人*識別和人機協同操作??湛鸵苍谄滹w機組裝的未來探索(FUTURASSY)項目中做出了大膽嘗試,將日本川田工業株式會社研制的人型雙臂機器人應用于A380方向舵組裝工作站,與普通人類員工一起進行鉚接工作。
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簡化電流控制創造*FOC效能
直流馬達控制很簡單,因為其所有受控的量都是穩定狀態的直流電(DC)值,而且電流相位/角度受機械換向器的控制;但在PMSM領域中,要如何才能實現磁場定向控制技術?
二、DC值/角度控制
首先,須知道轉子的位置,其常常與A相有關。我們可使用位置感測器(如解析器)或相對位置感測器(如編碼器),并處理所謂的「對齊」。對齊過程中, 將轉子與A相軸線對齊,如此一來A相軸線與直軸(勵磁分量所在軸)就對齊。在這種狀態中,轉子位置設為0;亦即,構建靜態電壓向量,令所需的電壓在d軸, 位置設為0,這導致定子磁場吸引轉子,并將直軸與A相軸線對齊。三相量可通過Clarke變換轉換成等效的二相量。接著,再透過Park變換將兩相靜止參 照系中的量轉換成兩相旋轉坐標系中的直流量,這期間要用到轉子位置。
轉子的電氣位置是轉子的機械位置再乘以極對數pp。經過一系列控制之后,I/O板 A16B-1211-0170設計人員應當在馬達端子上生成三相交流電壓,因此所需/生成電壓的直流值應當通過反Park/Clarke變換進行轉換。
三、幅值控制
所有變數現在都是直流值,可以輕松控制,但是要如何控制它們的幅值呢?對于幅值控制,建議使用級聯結構的PI控制器,且可以像直流馬達那樣控制許多狀態量,如相電流(扭矩環)、轉速和位置。
四、FOC步驟
首先,須測量馬達的相電流,并使用Clarke變換將它們轉換為兩相系統,及計算轉子位置角;接著,再使用Park變換將定子電流轉換為d、q坐標系統 上;此時,定子電流扭矩(isq)分量和磁通量(isd)生成分量由控制器單獨控制;zui后,透過逆向Park變換,輸出定子電壓空間向量從d、q坐標系轉 換回兩相靜止坐標系,并使用空間向量調制,生成三相輸出電壓。
五、無感測器控制
設計人員需要轉子的位置資訊,才能高效地控制永磁同步馬達,然而在一些應用中于傳動軸上安裝轉子位置感測器,會降低整個系統的耐用性和可靠性。因此,設計人員的目標不是使用這個機械感測器直接測量位置,而是利用一些間接的技術估算轉子位置。
低速時,須高頻率注入或開環啟動(效率不高)等特殊技術來啟動馬達并使之達到某一個轉速,在這個轉速下對于反電動勢觀測器來說,反電動勢已足夠。通常,5%的基本速度足以使無感測器模式正常運行。
中/高速時,使用d/q參照系中的反電動勢觀測器。內部脈寬調變(PWM)頻率和控制環路頻率必需夠高,才能獲得合理數量的相電流和直流母線電壓的樣 本。反電動勢觀測器的計算要求乘累加、除法、正弦/余弦(sin/cos)、開方等數學計算,適合使用基于安謀(ARM)內核的KinetisMCU 或PowerArchitecture系列的數位訊號控制器(DSC)。
六、弱磁控制
超過馬達額定轉速的作業要求,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,可實施弱磁演算法。負的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大扭矩會相對地降低。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子磁場的效果,這降低了反電動勢電壓,允許更高的定子電流流入馬達。
七、PMSM/MCU相輔相成提升工業機器人自由度
機器人已開始在工廠自動化處理中發揮著重要作用,其代替工人進行焊接、涂裝、裝配等可藉由機器人達到更經濟、快速和準確完成標準的常規作業。以下將從馬達控制角度介紹系統描述和需求。
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6M主板 A20B-0008-0200
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6M底板 A20B-1004-0590
6MI/O板 A20B-0008-0640
6MI/O板 A20B-0007-0040
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3M主板 A20B-0009-0930
15M底板 A16B-1212-0360
11M主板 A16B-1010-0321
10M主板 A16B-1010-0041(A02B-0076-K001/A16B-1211-0850)
0M記憶板 A16B-1212-0210
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