基于加速度传感器反馈的丝杠传动系统接触力控制
南京理工大学科技成果——滚珠丝杠(副)综合性能测量系列装置
南京理工大学科技成果——滚珠丝杠（副）综合性能测量系列装置成果简介：本成果主要用于国内滚珠丝杠（副）生产企业，可对滚珠丝杠（副）的行程误差、摩擦力矩、滚道型面误差以及综合性能进行高精度检测。
通过自主设计高精度机械平台和专用控制软件，集成高精度传感器、数据采集系统及算法和伺服控制系统实现对滚珠丝杠（副）主要精度指标和性能指标的全方位动态测量。
（1）滚珠丝杠（副）行程误差测量：分为基于双频激光的滚珠丝杠（副）行程误差测量和基于长圆光栅尺的滚珠丝杠（副）行程误差测量。
在两种测量方法中，分别采用双频激光和长光栅尺来对滚珠丝杠（副）轴向位移量进行精密检测，同时采用圆光栅对丝杠转角进行高精度检测，并结合数据处理和特定算法来实现对滚珠丝杠（副）行程误差的动态测量。
（2）高速滚珠丝杠（副）综合性能测量：通过相应高精度传感器对高速滚珠丝杠转动过程中的加速度、噪声、温度、湿度、温位移以及定位精度等进行同步数据采集，并控制电机转动来改变滚珠丝杠转动方向、速度、加速度和运动位置，对高速滚珠丝杠（副）的使用性能进行综合测量。
（3）滚珠丝杠（副）滚道型面误差测量：通过光幕式激光传感器对滚珠丝杠外滚道型面轮廓点位置信息进行采样，同时通过长光栅尺和圆光栅获取所采用滚道型面位置信息和转角信息，并结合自主开发的特定算法得到滚珠丝杠型面误差。
通过光谱共焦式激光位移传感器来获得丝杠螺母滚道轮廓点位置信息进行采样，由长光栅尺和圆光栅来确定螺母滚道位置信息和转角信息，可得到丝杠螺母滚道几何参数及误差。
（4）滚珠丝杠（副）摩擦力矩测量：采用工控机通过多功能数字卡和变频器来对主轴回转进行高精度控制，由扭矩传感器和数据采集卡对滚珠丝杠（副）转动中的摩擦力矩进行高精度测量，并经过数据处理与算法计算来进行摩擦力矩的动态测量。
系列装置均有国家专利，应用到行业18家单位，受到行业认可，总体水平处于国内领先、国际先进水平。
其中滚珠丝杠（副）导程误差动态测量装置：该设备是滚珠丝杠生产厂的最主要的测量设备。
滚珠丝杠受力原理
滚珠丝杠受力原理1. 引言滚珠丝杠是一种常用于转换旋转运动为直线运动的机械传动装置。
它由丝杠和螺母组成，其中丝杠上有一定数量的滚珠，螺母上有相应数量的滚道，滚珠在滚道中滚动，通过螺母的移动来实现旋转运动到直线运动的转换。
滚珠丝杠的受力原理是指在滚珠和滚道之间的接触区域，滚珠和滚道之间存在着一定的力学关系。
了解滚珠丝杠的受力原理对于正确选择和使用滚珠丝杠具有重要意义。
本文将详细介绍滚珠丝杠受力原理的基本原理，包括滚珠丝杠的结构、滚珠与滚道之间的接触力分析、滚珠与滚道之间的摩擦力分析等内容。
2. 滚珠丝杠的结构滚珠丝杠主要由丝杠、螺母和滚珠组成。
其中，丝杠是一种带有螺纹的轴，螺母是与丝杠螺纹相配合的零件，滚珠则位于丝杠和螺母之间。
滚珠丝杠的结构如图所示：滚珠丝杠的丝杠和螺母上都有一定数量的滚道，滚道的形状可以是圆弧形、半圆形或V形等。
滚珠在滚道中滚动，通过螺母的移动来实现旋转运动到直线运动的转换。
3. 滚珠与滚道之间的接触力分析在滚珠丝杠中，滚珠与滚道之间存在着接触力。
接触力是指滚珠与滚道之间的力，它是滚珠丝杠传递力的关键。
滚珠与滚道之间的接触力可以通过以下几个方面进行分析：3.1 接触区域滚珠与滚道之间的接触区域是指滚珠与滚道之间实际接触的部分。
在滚珠丝杠中，滚珠与滚道之间的接触区域主要由滚珠的接触点和滚道的接触线组成。
3.2 接触压力接触压力是指滚珠与滚道之间的压力，它是由外部施加的力在接触区域上产生的。
在滚珠丝杠中，接触压力可以通过以下公式计算：P = F / A其中，P为接触压力，F为施加在滚珠上的力，A为滚珠与滚道之间的接触面积。
3.3 接触力分布滚珠与滚道之间的接触力分布是指接触区域内不同位置的接触力大小分布情况。
在滚珠丝杠中，滚珠与滚道之间的接触力分布不均匀，主要集中在滚珠的接触点和滚道的接触线上。
这是由于滚珠与滚道之间的接触是点对线的接触。
4. 滚珠与滚道之间的摩擦力分析在滚珠丝杠中，滚珠与滚道之间存在着摩擦力。
丝杠传动系统的动力学特性分析与优化
丝杠传动系统的动力学特性分析与优化简介：丝杠传动系统是一种常见的机械传动装置，其主要功能是将旋转运动转换为直线运动，具有传动精度高、承载能力强等优点，在工业生产中得到广泛应用。
然而，由于传动过程中存在一定的摩擦力、惯性力等因素影响，丝杠传动系统在运行过程中往往会出现动力学特性方面的问题，如振动、失稳等。
因此，对丝杠传动系统的动力学特性进行分析和优化是非常重要的。
一、丝杠传动系统的动力学特性分析1. 悬挂负载对系统动力学特性的影响丝杠传动系统通常用于悬挂负载的运动控制，因此负载对系统的动力学特性有着重要的影响。
负载的质量、惯性矩等都会对系统的振动和失稳产生影响，特别是当负载发生快速变化时，系统可能会出现严重的振动问题。
因此，在分析丝杠传动系统的动力学特性时，必须考虑悬挂负载的影响。
2. 摩擦力与传动效率的关系丝杠传动系统在运行过程中会产生一定的摩擦力，摩擦力的大小直接影响传动效率。
摩擦力大会导致能量损失增加，从而降低传动效率，同时也会引起系统的振动和失稳。
因此，在优化丝杠传动系统的动力学特性时，需要考虑减小摩擦力，提高传动效率。
3. 惯性力对系统动力学特性的影响丝杠传动系统在转动过程中会产生惯性力，该力会引起系统的振动。
特别是当系统的质量和加速度较大时，惯性力对系统的影响更为明显。
因此，在分析丝杠传动系统的动力学特性时，必须考虑到惯性力的影响，合理设计系统结构和参数，以减小惯性力的影响。
二、丝杠传动系统的动力学特性优化1. 优化系统结构和参数在设计丝杠传动系统时，优化系统的结构和参数是提高动力学特性的关键。
可以通过选用合适的丝杠螺距、螺母材料等来减小摩擦力，提高传动效率；同时，通过合理选择驱动电机的功率和转速，使得系统的质量和加速度控制在合理范围内，减小惯性力对系统的影响。
2. 引入动力学补偿控制策略为了进一步提高丝杠传动系统的动力学特性，可以引入动力学补偿控制策略。
通过采集和分析传感器的监测数据，实时调整电机的控制信号，以补偿由于负载、摩擦力、惯性力等因素引起的系统振动和失稳。
丝杠动态特性测量控制与数据处理
年
月
日
IV
摘
要
论文题目：丝杠动态特性测量控制与数据处理 学生姓名：周思荣 指导教师：郭俊杰 教授
摘
要
滚珠丝杠副在现代工业中有着广泛的应用，尤其是在机床上的应用。作为传动零 部件，其精度直接影响机床的传动精度，从而影响机床的加工精度。目前，国内外的 滚珠丝杠加工精度已经提高到很高的水平，可以满足低速下的精确传动。但是，数控 机床的高速化、高精密化为滚珠丝杠副高速状态下的动态性能提出了较高要求。随着 滚珠丝杠的高速化，丝杠副出现温度、噪声上升，定位精度下降，使用寿命缩短等现 象。因此，有必要对丝杠副的动态性能进行检测，以研究其产生机理并寻找其消除方 法。目前，国外滚珠丝杠副检测技术已相当成熟，国内起步较晚，检测技术相对落后。 因此，研究丝杠动态特性测量设备及方法有着重要的实际意义。 本文针对丝杠动态性能测量系统进行了需求分析，确定了需要测试的丝杠动态性 能指标为：定位精度及重复定位精度，反向间隙，温升及噪声，摩擦力矩。并针对这 些指标，设计了一台丝杠动态特性检测仪，其测量长度为 300——2000mm。可以完成负 载情况下的定位精度及重复定位精度，反向间隙，温升及噪声，摩擦力矩等动态特性 的测量。设计并搭建了该丝杠动态特性检测仪的控制系统。并在此基础上，设计并实 施了实验，测量了一个丝杠副的动态特性，完成了数据处理及对该丝杠副的动态特性 进行了评估。
毕业设计(论文)进行地点：
交大机械学院
课题的背景、意义及培养目标 本课题来源于国家高档数控机床重大专项。 丝杠是重要的传动部件,影响机床的定位精度与加 工速度。采用新直线电机动态加载与转台 CNC 控制，测量与研究分析丝杠付在实际运行中受到外 部轴向载荷作用下的轴向动态变形量。研究它与导程误差、丝杠受轴向力后滚珠与螺纹滚道面的 接触变形、温度变化引起的变形、以及支承、螺母座的刚度等的据处理与精度评价。 本课题拟研发基于直线电机动态加载与转台电机运动控制。开发温度，压力，转矩数据采集接 口与数据处理与数据管理软件包。此项课题涉及计算控制，计算机接口，数据库，统计分析等多 个相关领域，学生在完成题目的过程中，综合应用已学知识分析问题解决问题过程中，学习独立 从事科学研究的基本方法。 学生在完成题目的过程中，不仅了计算机测控的一般原理，而且在综合应用已学知识分析 问题解决问题过程中，开发出相应的软件系统。提高学习独立从事科学研究与工程开发的能力。
基于micro850 PLC的丝杠运动控制实验(速度控制)
基于micro850的丝杠运动控制实验一（速度控制）一、实验设备：PC计算机一台ABmicro850 48QWB PLC 一台Powerflex525变频器一台丝杆装置一台二、实验目的：1.熟悉CCW软件的使用2.学会PF525变频器的基本使用以及频率调节3.学习EB8000软件的基本使用4.学习HMI与PLC之间的通讯三、实验内容：四、原理：五、实验要求：1.丝杆能够进行基本的正反转，启动，停止操作2.丝杆能够进行加减速操作3.HMI与PLC之间通讯，能够实现从HMI中写入电机的频率，以及对丝杆整个系统的控制。
五：系统设计：Micro850PLC与计算机之间采用以太网的通讯方式，525变频器与PLC之间同样采用以太网的通讯方式，HMI触摸屏与PLC采用的是串口RS485-2W的通讯方式。
系统功能：1.当按下系统启动按钮（star）后，丝杆以20HZ的频率在左右两个光电传感器（DI:10和DI:11）之间来回运动2.当按下自动模式选择按钮时，丝杆进入自动模式，（即每5S之后，电机的频率会增加10HZ,直到电机的频率达到50HZ，且5S之后，电机频率降到了原来的20HZ,以此实现循环）直至手动模式按下或系统停止按钮按下才能够停止此动作。
3.当按下手动模式后，可以通过HMI触摸屏改写频率（0~60hz），从而使电机频率发生变化，实现丝杆的加减速运动。
4.I/O分配输入名称DI：08 编码器A相DI: 09 编码器B相DI:10 右光电传感器DI:11 左光电传感器DI:12 左限位开关DI:13 右限位开关六：CCW编程软件的使用：1.打开CCW软件，双击桌面的。
2.双击添加控制器micro850 2080-LC50-48QWB如图2所示。
图23.此实验中，我们需要用到变频器与PLC的通讯模块，所以在开始编写程序之前，要导入该模块，操作步骤如下所示：如图3，右键单击micro850控制器图标----导入-----导入交换文件。
滚珠丝杠受力原理
滚珠丝杠受力原理滚珠丝杠受力原理滚珠丝杠是一种常见的传动装置，常用于机械设备中进行线性传动。
它的核心是滚珠丝杠原理，即通过滚珠在螺纹圈和螺纹母之间的滚动来实现力的传递。
本文将从浅入深，逐步解释滚珠丝杠受力原理。
1. 滚珠丝杠的构成滚珠丝杠主要由螺纹圈、螺纹母和滚珠组成。
螺纹圈上有一个内螺纹结构，螺纹母套在内螺纹上并与之螺旋牙合。
滚珠分布在螺纹圈和螺纹母之间的滚珠通道内。
2. 滚珠的作用滚珠是滚珠丝杠的关键部件，它与螺纹圈和螺纹母之间形成滚动接触，承受传递力。
由于滚珠的滚动摩擦小于滑动摩擦，因此滚珠丝杠具有较高的效率和较小的摩擦损失。
3. 受力原理滚珠丝杠受力原理可以简述为： - 当螺纹圈相对于螺纹母有相对运动时，滚珠被压入滚珠通道。
- 当外力作用于滚珠丝杠时，滚珠承受这个外力，并使其转化为滚珠与螺纹母之间的压力。
- 由于滚珠处于滚动状态，滚珠与螺纹母之间的滚动摩擦小，从而减小了滚珠丝杠的传动阻力。
4. 存在的问题与解决方法滚珠丝杠虽然具有高效、小摩擦等优点，但也存在一些问题： - 其中之一是滚珠数量有限，滚珠承受的载荷较大时，滚珠与螺纹母之间的接触压力会增大，容易出现磨损和损坏。
解决方法可以是增加滚珠个数或采用更耐磨的材料。
- 另一个问题是滚珠丝杠的精度和刚性较差，容易出现误差。
解决方法可以是提高制造工艺和精度控制，或者采用预加载技术来提高刚度。
5. 应用领域滚珠丝杠广泛应用于各种机械设备，例如： - 工业机械：数控机床、注塑机、搅拌机等。
- 自动化设备：机器人、自动门、自动售货机等。
- 其他领域：航空航天、医疗器械、通信设备等。
6. 结论滚珠丝杠作为一种常见的传动装置，通过滚珠在螺纹圈和螺纹母之间的滚动来实现力的传递。
它具有高效、小摩擦等优点，广泛应用于许多领域。
然而，滚珠丝杠仍然面临一些问题，需要不断改进和完善。
相信随着科技的发展，滚珠丝杠将会在更多领域发挥重要作用。
7. 发展趋势随着工业自动化程度的不断提高，对滚珠丝杠的要求也越来越高。
梯形丝杠 滚珠丝杠 回差-概述说明以及解释
梯形丝杠滚珠丝杠回差-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述部分的内容可以包括以下信息:梯形丝杠和滚珠丝杠是机械传动领域常见的两种丝杠传动方式。
它们被广泛应用于各种机械设备中，如数控机床、自动化生产线等。
然而，两种丝杠传动方式在结构、特点以及应用领域上存在一定的差异。
梯形丝杠是一种基于螺纹副的传动方式，借助螺纹副的相对运动来实现转动运动转化为直线运动。
它的特点是结构简单、制造成本低廉。
梯形丝杠广泛应用于一些负载要求不高、速度要求较低的机械设备中，如手摇绞车、手动提升机等。
然而，由于梯形螺纹副的传动效率较低，摩擦力大，以及回差问题的存在，梯形丝杠在一些高负载、高速度要求的领域受到了限制。
相对于梯形丝杠，滚珠丝杠采用滚珠副来实现转动运动向直线运动的转化。
滚珠副的使用可以大大降低传动中的摩擦阻力，提高传动效率，并且滚珠丝杠还具有较高的刚性和定位精度。
因此，滚珠丝杠广泛应用于要求精确定位、高速运动的机械设备中，如数控机床、自动化生产线等。
然而，有一个共同的问题是梯形丝杠和滚珠丝杠都存在着回差问题。
回差是指在转动运动向直线运动转化的过程中，由于传动副的轴向间隙或滚珠的滚动精度导致的误差。
回差问题会影响机械设备的定位精度和运动平稳性，对于一些高精度、高稳定性要求的应用领域尤为重要。
因此，本文将重点分析梯形丝杠和滚珠丝杠的特点以及回差问题，并提出解决回差问题的方法和改进建议。
通过对比分析，我们可以更好地了解两种丝杠传动方式的优劣势，为机械设备的选型和设计提供参考依据。
在实际应用中，需要根据具体的要求和条件选择合适的丝杠传动方式，并采取相应措施来降低回差对系统性能的影响，以满足不同应用领域的需求。
文章结构部分的内容可以按照以下方式编写：1.2 文章结构文章将按照以下结构展开：引言部分将提供大致的背景介绍，介绍梯形丝杠、滚珠丝杠以及回差的基本概念和目的。
正文部分将分为三个主要部分：梯形丝杠、滚珠丝杠和回差。
在每个主要部分中，我们将详细介绍其定义、特点和应用。
基于PLC的滚珠丝杆运动控制系统
装备技术数码世界 P.260基于PLC的滚珠丝杆运动控制系统尚磊 张可菊* 沈阳工学院信息与控制学院摘要：随着微电子技术、计算机技术和软件技术的迅速发展，数控机床的控制系统日益趋向于小型化和多功能化，具备完善的自诊断功能；可靠性也大大提高。
数控系统本身将普遍实现自动编程PLC (可编程控制器) 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
关键词：可编程控制器 数控系统 数字运算1 引言滚珠丝杆是将角位移转化为线位移，或将线位移转化为角位移的理想产品，可以使传动和定位在同一零件上得到实现。
另外，滚珠丝杠不但能作定位，传动零件，还可以起到定位的作用。
由于使用滚珠作为其传递运动的媒介，使得滑动运动变为滚动运动，从而大大减少了摩擦作用，提高了传动的效率。
滚珠丝杠有效率高、精度高、微给进、使用寿命长等特点，因此，它成为了工具机械和精密机械上最常使用的传动元件。
2 系统工作原理运动控制通常是指在复杂条件下，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动。
一般表现为直接对电动机的控制，使其完成位置、速度及加速度等实时控制过程，使运动部件按照预期的轨迹和规定的运动参数完成相应的动作。
运动控制系统是以机械运动的驱动设备——电动机作为控制对象，以控制器为核心，以电力电子、功率变换装置为执行机构，在自动控制理论指导下组成的电气传动控制系统。
这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，对被控机械实现精确的位置、速度、加速度、转矩或力控制，以及这些被控量的综合控制。
基于PMAC2型运动控制器的滚珠丝杆运动运动系统是由三相电源、变压器、接触器等电子设备和上位计算机、PMAC2运动控制卡型控制器、驱动器、电机、滚珠丝杆、编码器、接近开关以及光栅尺等机械器件组成的。
三相电源380V经过变压器变压分别给电动机、驱动器和控制电路供电，接近开关对工作台的行程位置进行限位控制；上位计算机进行系统管理、任务协调和人机交互，运动控制器的主要任务是根据作业的要求和传感器件的信号进行必要的逻辑／数学运算，将分析、计算所得出的运动命令以数字脉冲信号或模拟量的形式送到驱动器中，为电机驱动装置提供正确的控制信号。
基于micro850PLC的丝杠运动（位移控制）
基于micro850PLC的丝杠运动（位移控制）基于micro850的丝杠运动控制实验⼆（位移控制）⼀、实验设备：PC计算机⼀台ABmicro850 48QWB PLC ⼀台Powerflex525变频器⼀台丝杆装置⼀台⼆、实验⽬的：1.熟悉CCW软件的使⽤2.熟悉PF525变频器的基本使⽤3.熟悉EB8000软件的基本使⽤4.熟悉HMI与PLC之间的通讯5.学习编码器的原理，以及⾼速计数模块的使⽤三、实验内容：四、原理：1.编码器与丝杆上的电机同轴连接，当电机运⾏时，带动编码器同步旋转，编码器在旋转时，AB相会产⽣⾼速脉冲，该脉冲接⼊PLC，通过⾼速计数器，实现对脉冲的计数。
此次实验采⽤的是,400BM编码器，即在使⽤单倍计数的模式下，电机旋转⼀圈，则计400个数。
2.通过编码器计数累加值的⼤⼩，即可反应丝杆上滑块的位移情况，从⽽控制滑块的位移。
五、实验要求：1.丝杆能够进⾏基本的正反转，启动，停⽌操作2.HMI与PLC之间通讯，能够实现HMI对丝杆整个系统的控制。
3.丝杆能够进⾏定位移动。
4.HMI上能够反应当前滑块的位置。
五：系统设计：Micro850PLC与计算机之间采⽤以太⽹的通讯⽅式，525变频器与PLC之间同样采⽤以太⽹的通讯⽅式，HMI触摸屏与PLC采⽤的是串⼝RS485-2W的通讯⽅式。
系统功能：1.当按下系统启动按钮（star）后，系统⾃动检测，滑块是否处于初始位置，若否，则滑块需要归位到初始点。
2.当系统按下停⽌按钮stop后，系统⾃动停⽌，滑块归位。
3.HMI界⾯上设计4个测试按钮,其功能分别为：左移10CM, 左移20CM，右移10CM右移20CM4.HMI能够⾃定义对滑块进⾏控制，以规定的频率，⽅向，以及位移的距离运动。
例如：给定30HZ的频率，让滑块向左运动25CM。
5.I/O分配6.六、CCW编程软件的使⽤(请参考丝杆的运动控制实验⼀以及Micro850的基本指令实验)七、HMI的通讯，以及EB8000的使⽤（请参考丝杆运动控制实验⼀）⼋、CCW变频器模块的使⽤。
基于加速反馈的柔性关节机械臂接触力控制
第３卷 ０ ８ 第１期
２ ０ ０ ２年 １ ０月
机 械 工 程 学 报
ＣＨＩ ＥＳ ＯＵＲＮＡ Ｌ ＥＣＨＡＮＩ Ｎ Ｊ ＯＦ Ｍ ＣＡＬ ＥＮ Ｇ Ｉ ＥＥＲＩ Ｇ Ｎ Ｎ
Ｖ１８ ｏ ０ ｏ３ ． Ｎ． １
的 建 模 思 想 ，建 立 了柔 性 关 节 机 械 臂 、传 感 器 和 环 境 的 系 统 模 型 。 并 进 一 步 分 析 了环 境 刚 度 、传 感 器 刚度 和 柔 性 关 节 刚度 之 间在 不 同情 况 下 柔 性 关 节机
械 臂 接 触 力 控 制 系 统 所 表 现 出来 的特 性 。 图 ２ 给 出 了谐 波 （ 性 关 节 ） 柔 、力 传 感 器 和 环 境 之 间 的 模 型 。Ｊ 、ｍ 分 别 是 谐 波 系 统 连 杆 的 转 动 惯 量 及 环 境 ｏ 质 量 ， ｛ ， ） ｛ ， ） ｛ ， ） 别 是 谐 波 齿 、 、 分 轮 、 力 传 感 器 和 环 境 的刚 度 及 阻尼 系 数 。 、 分 别 是 谐 波 传 动 系 统 的 输 出 力 矩 及 力 传 感 器 的 测 量 力 ，且 ＝ｋｘ＋ ｆ ＋ｍ。 。 图 ２的模 型 中 、 之 间 的 关 系 可 以表 示 为
将 要 出现 冲 击 力 的 严 重 问题 。 因 为 通 常 的接 触 速 度
不 为零 ， 动 力 学 存 在 不 连 续 性 ， 会 导 致 过 大 的冲 撞 力 ， 在 接 触 点 ／ 力 控 制 将 产 生 震 荡 甚 至 导 致 系 统 面
的不 稳 定 ［。 ”
机 器 人 基 本 的力 控 制算 法 分 类 基 于 以下 几 种 关
系 ： 位 置 ／ 度 和 力 之 间 的 关 系 ， 或 采 用 直 接 力 反 速
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关键词
丝杠传动 ， 接触力控制 ， 加速度反馈 ， 主动阻尼 ， 振 动控制
引 言
机器人 的接触 力 控制 比位 置控制 复 杂 ， 器人 机 从 自由空间 到约束 空 间 因为接触 速度 不 为零 ， 力 动 学存 在不 连续 性 ， 导 致过 大的 冲击力 ， 会 在接 触点 ／ 面 的力控 制可 能使 一个 稳定 的 系统 出现振 荡 （ 即高 频振 动 ） 现象 ， 甚至 导致 系统 的不稳 定 ， 接触 力特 性
态特性是不 同的， 并且存在冲击 、 高频振 动甚 至不稳 定 ， 以及稳态 力跟踪 阶段 的扰 动引起 的不稳定 问题 ，提
出用加速度传感器反馈来增加 系统力控制 的阻尼 ， 抑制在力控制 的接 触过 渡过程和力 维持跟踪 过程 中因为
碰撞和外部扰动等原 因产生 的高频振动 ， 克服单纯速度反馈控制 带宽 比较 窄的局 限性 ， 加系统 的稳 定性． 增
１ 丝杠传动系统接触力控制建模与控制分析
本 小节 对丝 杠传 动系 统接 触力 控 制进 行 建模 ，
２０ － － ０ ７ ３ ４收到第 ｌ ， ０ － － 收 到修改稿． ０ ０ 稿 ２ ７０ ２ ０ ４ ７ 国家 自 然科学基金 （ ００ ０ ０ 、 ６４ ４ ２ ） 国家 自然科学基金空天飞行器重大研究计划 （０ ００ ４ 和广东 省 自 ９５５１ ） 然科 学基金 （ ５０ ４ ９ 资助项 目 ０ ０６ ９ ）
程实 现从 自由空间运 动状 态 到力控 制状 态 的平 滑 、
加 速 度反馈 控 制 增 加 直接 驱 动手 的接 触 力 控 制 的 主动 阻尼 ， 抑制 接触 力过 渡过 程及 稳态 力 跟 踪过 程 的震 荡． 文针 对 丝 杠 驱 动 系统 的接 触 力 控 制 ， 本 提 出利用 较宽 频 带 的加 速 度 传 感 器 反 馈 控 制 增 加 系
用加 速度 的敏 感 性 和 加 速 度 闭 环 的 高反 馈 增 益 来 抑制 扰动 和关 节 耦合 ． Ｌ Ｘ ，． ． ｎ ２３提 出 Ｗ． ． ｕ Ｊ Ｄ Ｈａ ＿ ］ －
以及稳 定地 力 跟 踪过 程 由 于外 部 扰 动 引起 的 高频 振动 ， 主要 采用 主动 阻尼策 略 和被动 阻 尼策 略来 稳 定 系统 ． 然无源 阻尼 手段 有助 于有 源 阻尼 发挥 作 虽 用， 但也 会 降低 机 器人 的位 置 控 制 刚 度 ， 响 位 置 影 精 度 ． ｌ ＿提 出采 用 不 连 续 控 制 策 略 ， 验 研 究 Ｍｉｓ ｌ５ 实 结果 表 明 ， 由于 在发 生 接 触 时 控 制 策 略 存 在跃 变 ， 引起 闭环 系统 性质 的不 连续 变化 ， 表现 在 接触 过 渡 过程 阶段 出现 了严 重 的振 荡 ． 因此 ， 接 触 过 渡 过 在
算 问题 ．
近年来 ， 随着 传感 器技 术 的发 展 以及加 速度 反 馈 在其 它控 制领 域 的成 功 应用 ， 速度 反馈 在 机器 加 人控 制 中 的应 用 逐 渐 受 到 了人 们 的 重 视 ．Ｓｕｅ— ｔｄｎ ｎ ［。 加 速 度反 馈 与 Ｌ 控 制 及 前馈 补 偿 策 略相 ｙ１将 。 Ｑ 结合 ， 出 了基 于加 速 度 反 馈 的鲁 棒 控 制 策 略 ， 提 利
统 的 主动 阻尼 ， 收 掉接 触 冲撞 的所 有 能 量 ， 现 吸 实 由 自由运 动 状 态 到 力 控 制 状 态 的 平 滑 、 定 的过 稳
稳定 的过 渡 ， 免 振 荡 现 象及 大 的力 冲撞 ； 量 减 避 尽 小力 的从接 触开 始 到稳定接 触 过渡过 程 时 间． 由于 机器人接 触 的多样 性 ， 及动 力学 建模 过程 中不 可 避
取决 于初始 接触 速度 及 环境 刚度 ¨ ． 机器人 基本 的力 控 制 中为 了抑 制力 接 触 过 程
同特点 是在 “ 渡过 程 ” 过 中主 要 是 依靠 速 度 及 力 反
馈信 息 ， 稳定 控制 系统 ， 善力 控制性 能 ． 其 缺点 改 但 是速 度环 的带 宽 窄 ， 导致 以速度反 馈 作为 阻 尼 时接 触力 控制 的能 量 消 耗 慢 ， 统 将 震 荡． 进 的力 控 系 先 制算 法 Ｊ如鲁 棒力 控制 和 自适 应 力控 制 以及力 控 ， 制 学 习算 法等 ， 于算 法 相 对 复 杂 ， 带 来 实 时 计 由 会
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第 ５卷第 ４期 ２０ ０ ７年 ｌ ２月
１７ －５ ３ ２０ ／ ５４ ３０ ６２６ ５ ／ ０ ７０ （） ７ － ／ ６
动 力 学 与 控 制 学 报
Ｊ ＲＮＡＬ ＯＦ ＤＹＮ ＯＵ ＡＭ［ Ｓ ＡＮＤ Ｃ Ｃ ＯＮＴ ＯＬ Ｒ
渡， 避免 高频 振 动 现 象及 大 的力 冲击 ， 量减 小 力 尽 的接 触 过 渡 过 程 时 间． 行 的 理 论 分 析 和 实 验 研 进 究， 结果 表明 提 出方 法 的可行 性 ．
免的建模误差或不确定性的影响， 在对其进行控制
时， 必须 恰 当设 计 控 制 器 ， 系统 具 有 较 好 的 鲁 棒 使 性 ． 器 人力控 制 方法 主要有 Ｊ刚度控 制 、 机 ： 阻抗 控 制 、 合位 置／ 控 制 、 混 力 积分 直 接 力 控 制 等 方 法 ， 共
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基 于加 速 度 传 感 器反 馈 的 丝杠 传 动 系统
接触 力 控 制 木
邱 志成
（ 南理工大学机械学院 ， 州 华 广 ５ ０４ １６ １
摘要
针对丝杠传动 系统从 自由空 问运 动过渡到约束空间力控制过程 中， 接触不 同环境刚度 时接触 力的动