Sáu bậc tự do (6-DOF) nền tảng chuyển động yêu cầu bộ truyền động tuyến tính servo hiệu suất cao để đạt được chuyển động chính xác, năng động trong tất cả các trục. Hướng dẫn thiết kế kỹ thuật này bao gồm các khía cạnh quan trọng của việc phát triển bộ truyền động tuyến tính servo cho các ứng dụng 6-DOF, bao gồm:
• Yêu cầu động học
• Cấu hình bộ truyền động
• Thiết kế cơ khí
• Tích hợp hệ thống điều khiển
• Tối ưu hóa hiệu suất
|
tham số |
Phạm vi điển hình |
Các yếu tố quan trọng |
|
Khả năng tải trọng |
100kg - 5000kg |
Đánh giá lực truyền động |
|
Vận tốc tối đa |
0,5 - 2 m/s |
Công suất động cơ, bước vít |
|
Tăng tốc |
5 - 20 m/s² |
Mô-men xoắn, quán tính của động cơ |
|
Định vị chính xác |
±0,01 - ±0,1mm |
Độ phân giải của bộ mã hóa |
|
Độ lặp lại |
±0,005 - ±0,05mm |
Phản ứng cơ học |
|
Tần số hoạt động |
50 - 200Hz |
Kiểm soát băng thông |
• Dịch chuyển: Tăng (X), Sway (Y), Heave (Z)
• Xoay: Cuộn (φ), Cao độ (θ), Yaw (ψ)
Cấu hình nền tảng Stewart (Hexapod):
• 6 bộ truyền động tuyến tính sắp xếp song song
• Sàn trên và sàn dưới được kết nối thông qua khớp cầu/khớp vạn năng
• Cung cấp độ cứng và không gian làm việc tối ưu
Cấu hình thay thế:
• Hệ thống phẳng 3-DOF
• Lai song song nối tiếp
A. Lựa chọn cơ chế truyền động:
|
Loại |
Ưu điểm |
Hạn chế |
|
Vít bi |
Hiệu quả cao, độ chính xác |
Tốc độ bị giới hạn bởi vòng tua tới hạn |
|
Vít lăn |
Khả năng chịu tải cao hơn |
Đắt hơn |
|
Truyền động đai |
Khả năng tốc độ cao |
Độ cứng thấp hơn |
|
Động cơ tuyến tính |
Truyền động trực tiếp, động lực học cao nhất |
Quản lý chi phí, nhiệt |
B. Tiêu chí lựa chọn động cơ:
• Yêu cầu mô-men xoắn liên tục
• Mô-men xoắn cực đại để tăng tốc
• Đặc tính tốc độ-mô-men xoắn
• Nhu cầu quản lý nhiệt
C. Hệ thống ổ trục & dẫn hướng:
• Dẫn hướng ổ bi tuần hoàn (độ cứng cao)
• Vòng bi chéo (thiết kế nhỏ gọn)
• Đường ray tuyến tính (ứng dụng hành trình dài)
[PC chủ/Bộ điều khiển chuyển động]
↓
[Vòng điều khiển thời gian thực (1kHz+)]
↓
[Bộ khuếch đại truyền động servo]
↓
[Động cơ truyền động]
↓
[Phản hồi của bộ mã hóa]
↑
[Cảm biến lực/mô-men xoắn (Tùy chọn)]
Bộ giải động học nghịch đảo
♦ Chuyển đổi tư thế nền tảng (X, Y, Z, φ, θ, ψ) thành chiều dài của bộ truyền động
♦ Phải chạy theo thời gian thực (
Tạo hồ sơ chuyển động
♦ Cấu hình tăng tốc đường cong chữ S
♦ Hạn chế giật cho chuyển động mượt mà
Kỹ thuật điều khiển nâng cao:
♦ PID thích ứng có bù ma sát
♦ Điều khiển dự đoán mô hình (MPC)
♦ Kỹ thuật quan sát nhiễu loạn
• Mục tiêu độ cứng kết cấu tối thiểu: 100 N/μm
• Độ cứng của khớp rất quan trọng đối với hiệu suất năng động
• Đề xuất Phân tích phần tử hữu hạn (FEA)
• Mô phỏng động lực học đa vật thể (ADAMS, Simulink)
• Phân tích tần số tự nhiên (mục tiêu >30Hz)
• Phân tích chế độ rung
• Giám sát nhiệt độ cuộn dây động cơ
• Làm mát bằng không khí/chất lỏng cưỡng bức cho chu kỳ hoạt động cao
• Bồi thường tăng trưởng nhiệt
Thông số kỹ thuật của thiết bị truyền động mô phỏng chuyến bay:
► Hành trình: ±300mm
► Tốc độ tối đa: 1,2 m/s
► Lực liên tục: 2000N
► Lực cực đại: 6000N (2 giây)
► Độ phân giải: 0,01mm
► Băng thông: 100Hz (-3dB)
Lựa chọn thành phần:
→ Động cơ: 3kW AC servo (3000 vòng/phút)
→ Dẫn động: Vít bi (bước 16mm)
→ Bộ mã hóa: tuyệt đối 23-bit
→ Vòng bi: Loại con lăn chéo
→ Vỏ: Hợp kim nhôm (7075-T6)
Kiểm tra quan trọng:
→ Phân tích phản hồi từng bước
→ Đáp ứng tần số (Biểu đồ Bode)
→ Đo phản ứng dữ dội
→ Xác minh khả năng chịu tải
→ Kiểm tra độ bền (10⁷ chu kỳ)
Thiết bị truyền động thông minh tích hợp:
• Giám sát tình trạng tích hợp
• Khả năng tự hiệu chuẩn
Vật liệu nâng cao:
• Cấu trúc sợi carbon
• Vòng bi gốm
Kiểm soát nâng cao AI:
• Bồi thường dựa trên mạng lưới thần kinh
• Thuật toán bảo trì dự đoán
Thiết kế bộ truyền động tuyến tính servo cho nền tảng 6-DOF yêu cầu:
⇒ Phân tích động học và động lực cẩn thận
⇒ Lựa chọn tối ưu linh kiện truyền động
⇒ Triển khai hệ thống kiểm soát mạnh mẽ
⇒ Xác nhận hiệu suất nghiêm ngặt
Phương pháp thiết kế được trình bày đảm bảo sự phát triển của hệ thống chuyển động hiệu suất cao có khả năng đáp ứng các yêu cầu khắt khe của các ứng dụng mô phỏng và chuyển động chính xác hiện đại.
Bạn có muốn khám phá sâu hơn bất kỳ khía cạnh cụ thể nào (ví dụ: kích thước động cơ chi tiết, thuật toán điều khiển hoặc dữ liệu nghiên cứu trường hợp) không? Hãy liên hệ với chúng tôi ngay bây giờ.
