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摘要：两轴伺服转台的主要功能是通过伺服转台的精确跟踪和定位功能以及激光通信系统，确保激光发射轴的准确方向。使用3D建模软件UG对伺服转台执行建模和组装3D模型，并基于多体动力学分析软件ADAMS仿真环境构建伺服转台的机械虚拟原型模型。MATLAB/SIMULINK仿真平台用于构建实时模拟和分析的模拟模型，不仅可以使用该模型指导实际系统参数的调整，而且可以为跟踪伺服运行转台的设计提供可靠的标准。
关键词：两轴伺服转台 UG ADAMS MATLAB/SIMULINK虚拟样机
Abstract：The main function of the two-axis servo turntable is to ensure the correct direction of the laser emission shaft through the precise tracking and positioning function of the servo turntable and the laser communication system. Model and assemble 3D models on servo turntables using 3D modeling software UG， and build mechanical virtual prototype models of servo turntables based on the ADAMS simulation environment of the multi-body dynamics analysis software. The MATLAB/SIMULINK simulation platform is used to build simulation models for real-time simulation and analysis， not only can the model be used to guide the adjustment of actual system parameters， but also can provide a reliable standard for tracking the design of servo running turntables.
Key words：Two axis servo turntable UGADAMSMATLAB/SIMULINK Virtual prototype
0 前言
双轴跟踪控制算法伺服电机设定位置/速度，控制发动机和相应的机械结构，确保转台的二维结构的匹配。双轴伺服电机是利用机械结构和控制算法设计的。与物理样品模型相比，通过直接设计和测试的虚拟模拟和模拟模型，可以充分利用计算机模拟的优势，如：无论是成本低、安全性高，各种快速设计方案等，[1]这对于快速设计和开发二维平台至关重要。本文以两轴伺服转台系统为例，应用UG软件建立二维转台的主要结构部件模型，并进行二维转台整机的虚拟装配。然后利用多体动力学仿真软件Adams的数据接口导入UG虚拟机械模型几何数据建立方位二维转台机械虚拟样机仿真模型，并结合Matlab/Simulink建立包含两轴伺服转台系统控制模型的联合仿真模型，并基于该联合仿真模型进行方位二维转台动态性能仿真研究，以验证该联合仿真技术应用于二维转台总体设计的可行性。
1基于Adams和Matlab/Simulink的联合仿真技术
Adams是目前全球应用最广泛的机械系统动力学分析软件，集建模、解析和视觉化技术为一体，ADOMS软件具有强大的计算功能，具有ADOMS/controls模块，可与Simlink等控制模拟设计软件产生协同效应[2].Matlab/Simlink是一种开放、功能强的模拟工具，是一种线性、非线性、用于模拟连续或分散的系统，它提供了多种模块模型，以用户构图的形式快速构建所有复杂的系统，实现系统模型的构建和模拟研究。
二维转台联合模拟属于与机械动力学和控制系统相关联的联合模拟[3]，ADAMS/VIEW主要用于系统动力学模型的构建。我们利用adams/control和matlab信息分析了仿真软件的控制模块，包括与三维装配模型的约束关系。adams/view模块提供了一个机械系统模型，并求解了运动系统方程。matlab软件提供了模拟软件的模型。控制系统控制系统基于通过求解方程结合合理步长实现数据相互作用并基于机电一体化机械系统和控制系统的协作模拟的虚拟样品。
伺服转台的运动学和动力学仿真必须在Adams中完成，因此需要将简化的3D模型引入Adams。方法是将文件以Parsold格式保存在Soliworks中，然后将其导入Adams，需要编辑从Adams导入的组件，以定义其惯性矩，质量，材料和其他相关属性。这样虚拟原型和真实原型將具有相同或相似的物理属性，以更好地模拟系统。为了模拟二维伺服转台的运动学和动力学，需要为导入的Adams模型定义约束和驱动器[4]，如图3所示。
在定义好各个约束后，方位轴和俯仰轴的各个零件之间便具有确定的约束关系，这样可以保证彷真时各个零部件能够有正确的运动。
2二维转台虚拟样机仿真模型
2.1二维转台工作原理
二维方位转台主要由方位电机，伺服控制器，动力伺服控制，方位传感器等组合组成。二维转台设备安装在发射器的转台上，接收控制信号，进行组合位置和速度反馈信号以执行复杂的处理并驱动电机以控制触发器的方位角旋转。根据给定的规则自动跟踪方位角和运动以实现完全瞄准，可以提供精确方向[5]。二维转台的框图如图4所示。
2.2系统组成
二维转台主要由俯仰转台部分，方位转台部分，基座部分和接口切换部分组成。主要功能是实现光轴的精确标记，并确保光线在正常移动过程中准确地进入光学系统。主要技术路线在于，基于对转台形状的初步选择以及对设备及其组件之间的空间关系的有效优化，来开发紧凑的多层结构。 二维转台的总体设计如图5所示。
2.3二维转台结构机械虚拟样机建模
在本文中，我们使用UG 3D建模软件对二维转台的组件进行建模，并生成3D虚拟原型模型组件，例如副车架，轨道平台，发射台，发射管等。整机组装完成，包括起重装置，组装二维转台，并确保零件之间的组装位置正确比例。[6-8]完成转台的组装后，将其导出为* .x_t文件，然后将其导入
Adams MDA中以模拟机械虚拟原型。
在Adams建模环境中，可以通过定义每个零件的材料属性并添加适当的约束，载荷和动量以匹配物理原型装配体的物理关系，来完成Adams机械虚拟原型的构造，约束关系和模拟。虚拟原型模型的每个组件的关系如图6所示。
2.4 二维转台控制系统建模
由于PID结构简单，物理意义清晰，可靠性高而在工业控制广泛应用，因此本文采用PID控制方法来控制发送设备的二维转台[9]。 PID控制意味着使用比例，积分和微分控制。在模拟控制系统中，偏差e（t）是根据设定值r（t）和输出值y（t）的实际反馈而形成的。
根据产生的偏差e（T），引入比例K、积分K和导出的K控制系数，并用相应的线性组合形，实现对被控模型对象的控制，控制律如下：
上述公式表明，比例KP、积分Ki和微分KD控制系数的选取对二维转台动态性能的控制效果有重要影响，也是整个伺服控制系统建模参数调整的重点。
3虚拟样机联合仿真建模分析
为了实现基于Adams和Matlab / Simulink的二维转台仿真，必须配置仿真软件之间的通信接口。设置步骤如下[10-12]：
1）确定Adams二维旋转台虚拟机的状态变量，该模型通过组装设置了驱动系统的输入角速度变量和防卫二维通道的输出角速度变量。
2）使用ADAMS/control插件plant-export确认2D通道模型的控制输入（inpuut）是前面定义的后续驱动系统的可变角速度输入，为了定义Matlab/Simlink模型中控制输入输出的接口将输出信号定义为二维信道在这个方向上的每一个速度输出变量。Adams/Solver选择C++，targetsoft ware选择MATLAB。可以带来MATLAB/Simlink模拟环境的模型输出。
3）Matlab/Simlink模拟环境.利用ADAMS ＼ Sys在MATRAB中处理指令，将ADOMS导出的虚拟变频器模型显示在系统模块中后，根据发射PID控制原理，构建模拟模型，在Simlink环境中研究2D通道动态性能模拟[13-15]，二维通道模拟如图7所示。
以俯仰轴为例，我们用阶跃和正弦信号来测试瞬态响应，用跟踪参数来测试伺服台仿真系统的功能。如图8、图9所示[16-17].
通过联合仿真分析，可以看出，通过响应阶跃信号动作从起始位置抬起，可以在很短的响应时间内将俯仰轴稳定在命令的目标位置，从而达到快速且准确的位置控制目的[18- 19]。该点也可以在Adams仿真动画中看到，并且俯仰轴从其原始位置快速旋转到给定位置，并且在该位置上基本保持稳定。同时，当仿真曲线上给出的指令是正弦信号时，阶跃轴只需要很小的延迟就可以紧跟给定的正弦指令，具有良好的跟踪特性[20]。
方位轴使用相同的控制方法来实现对相应关节位置的精确控制。根据2轴执行器的位置以及每个关节的位置和角度之间的转换比，可以精确地控制执行器的位置，从而可以快速准确地确定位置，并同时还具有较好的轨迹跟踪特性。
4 结论
为了提高二维转台总体设计的效率并缩短设计和开发周期，本文基于Adams建模平台和Matlab / Simulink进行了研究。用于构建二维转台的技术的联合数字虚拟样机的机器和控制。主要创新是转台机械虚拟样机的快速仿真技术，包括仿真方法，控制连接的仿真技术，转台数字数据采集虚拟样机的二维模型，以及二维转台的数字虚拟原型的协同仿真方法。进行了建模和分析。本文所编制的二维仿真模型对研究新型控制算法的应用和进一步改善系统特性具有非常积极的参考价值。
参考文献
[1]董袖青. 双轴精密伺服转台的性能测试与分析[D].长安大学，2018
[2]崔宁豪，张倩，李国丽.基于切换系统理论的伺服转台摩擦建模与补偿[J].微电机，2019，52（10）：55-59+91.
[3]张德成，杨松.高精度伺服转台扰动力矩补偿的一种重复自适应控制方法[J].自动化技术与应用，2010，29（10）：32-36.
[4]许波，李正明，殷春芳.精密转台伺服控制系统的研究[J].自动化技术与应用，2004（10）：16-18.
[5]張嵩. 双轴伺服转台控制系统设计及实现[D].哈尔滨工业大学，2009.
[6]崔宁豪. 双轴跟踪转台伺服控制系统的建模及控制方法研究[D].安徽大学，2020.
[7]???， ???. Optimal Tuning of a Ballscrew Driven Biaxial Servo System using a Disturbance Observer. 2011， 20（5）：589-597.
[8]Algorithms; Findings from Harbin Engineering University Has Provided New Data on Algorithms （Acceleration Harmonics Identification for an Electro-Hydraulic Servo Shaking Table Based on a Nonlinear Adaptive Algorithm）. 2018， [9]谢锐勇. 双轴视觉伺服云台系统设计与实现[D].华南理工大学，2019.
[10]王瑜. 基于ARM和FPGA的四轴伺服驱动系统的设计[D].山东大学，2019.
[11]刘英磊. 多轴伺服张力控制系统的设计及研究[D].辽宁工业大学，2019.
[12]吴飞，刘潇，高尚，詹洁.二轴伺服系统轮廓误差的控制研究[J].组合机床与自动化加工技术，2017（05）：81-84
[13]Liu Bin， Zhou Min. Design of Automatic Control System for NDT Device. 2012， 17：68-73.
[14]Ke Yu Li， Fu Qing Tian， Jue Wang. Adaptive Backstepping Sliding Mode Control of Electro-Optical Tracking Servo Turntable. 2014， 3227：1597-1600.
[15]Xiao Yang， Dun Lu， Sanli Liu， et al. Modeling and analysis of steady-state vibration induced by backlash in servo rotary table. 2015， 10（1）：43-47.
[16]Yan Min Wu， Jun Jie Wang， Guang Zhao Cui， et al. Implementation of Turntable Servo Control System Based on Fuzzy Self-Tuning PID. 2012， 1518：1101-1105.
[17]Qian Zhang， Qunjing Wang， Cui Ninghao. Identification and control of the motor-drive servo turntable with the switched friction model. 2020， 14（5）：843-849.
[18]林森，于寧.双轴转台运动控制系统[J].中国科技信息，2018（24）：91-92.
[19]赵金强. 多轴伺服系统的时间最优速度规划研究[D].哈尔滨工业大学，2019
[20]赵继强. 多轴伺服系统的协调控制策略研究[D].福州大学，2017.
依托于大创项目：机载高精度两轴伺服转台结构设计与控制系统联合仿真项目选题来源：教师科研课题的子项目项目编号：202010183700
吉林大学 仪器科学与电气工程学院 长春 130061
关键词：两轴伺服转台 UG ADAMS MATLAB/SIMULINK虚拟样机
Abstract：The main function of the two-axis servo turntable is to ensure the correct direction of the laser emission shaft through the precise tracking and positioning function of the servo turntable and the laser communication system. Model and assemble 3D models on servo turntables using 3D modeling software UG， and build mechanical virtual prototype models of servo turntables based on the ADAMS simulation environment of the multi-body dynamics analysis software. The MATLAB/SIMULINK simulation platform is used to build simulation models for real-time simulation and analysis， not only can the model be used to guide the adjustment of actual system parameters， but also can provide a reliable standard for tracking the design of servo running turntables.
Key words：Two axis servo turntable UGADAMSMATLAB/SIMULINK Virtual prototype
0 前言
双轴跟踪控制算法伺服电机设定位置/速度，控制发动机和相应的机械结构，确保转台的二维结构的匹配。双轴伺服电机是利用机械结构和控制算法设计的。与物理样品模型相比，通过直接设计和测试的虚拟模拟和模拟模型，可以充分利用计算机模拟的优势，如：无论是成本低、安全性高，各种快速设计方案等，[1]这对于快速设计和开发二维平台至关重要。本文以两轴伺服转台系统为例，应用UG软件建立二维转台的主要结构部件模型，并进行二维转台整机的虚拟装配。然后利用多体动力学仿真软件Adams的数据接口导入UG虚拟机械模型几何数据建立方位二维转台机械虚拟样机仿真模型，并结合Matlab/Simulink建立包含两轴伺服转台系统控制模型的联合仿真模型，并基于该联合仿真模型进行方位二维转台动态性能仿真研究，以验证该联合仿真技术应用于二维转台总体设计的可行性。
1基于Adams和Matlab/Simulink的联合仿真技术
Adams是目前全球应用最广泛的机械系统动力学分析软件，集建模、解析和视觉化技术为一体，ADOMS软件具有强大的计算功能，具有ADOMS/controls模块，可与Simlink等控制模拟设计软件产生协同效应[2].Matlab/Simlink是一种开放、功能强的模拟工具，是一种线性、非线性、用于模拟连续或分散的系统，它提供了多种模块模型，以用户构图的形式快速构建所有复杂的系统，实现系统模型的构建和模拟研究。
二维转台联合模拟属于与机械动力学和控制系统相关联的联合模拟[3]，ADAMS/VIEW主要用于系统动力学模型的构建。我们利用adams/control和matlab信息分析了仿真软件的控制模块，包括与三维装配模型的约束关系。adams/view模块提供了一个机械系统模型，并求解了运动系统方程。matlab软件提供了模拟软件的模型。控制系统控制系统基于通过求解方程结合合理步长实现数据相互作用并基于机电一体化机械系统和控制系统的协作模拟的虚拟样品。
伺服转台的运动学和动力学仿真必须在Adams中完成，因此需要将简化的3D模型引入Adams。方法是将文件以Parsold格式保存在Soliworks中，然后将其导入Adams，需要编辑从Adams导入的组件，以定义其惯性矩，质量，材料和其他相关属性。这样虚拟原型和真实原型將具有相同或相似的物理属性，以更好地模拟系统。为了模拟二维伺服转台的运动学和动力学，需要为导入的Adams模型定义约束和驱动器[4]，如图3所示。
在定义好各个约束后，方位轴和俯仰轴的各个零件之间便具有确定的约束关系，这样可以保证彷真时各个零部件能够有正确的运动。
2二维转台虚拟样机仿真模型
2.1二维转台工作原理
二维方位转台主要由方位电机，伺服控制器，动力伺服控制，方位传感器等组合组成。二维转台设备安装在发射器的转台上，接收控制信号，进行组合位置和速度反馈信号以执行复杂的处理并驱动电机以控制触发器的方位角旋转。根据给定的规则自动跟踪方位角和运动以实现完全瞄准，可以提供精确方向[5]。二维转台的框图如图4所示。
2.2系统组成
二维转台主要由俯仰转台部分，方位转台部分，基座部分和接口切换部分组成。主要功能是实现光轴的精确标记，并确保光线在正常移动过程中准确地进入光学系统。主要技术路线在于，基于对转台形状的初步选择以及对设备及其组件之间的空间关系的有效优化，来开发紧凑的多层结构。 二维转台的总体设计如图5所示。
2.3二维转台结构机械虚拟样机建模
在本文中，我们使用UG 3D建模软件对二维转台的组件进行建模，并生成3D虚拟原型模型组件，例如副车架，轨道平台，发射台，发射管等。整机组装完成，包括起重装置，组装二维转台，并确保零件之间的组装位置正确比例。[6-8]完成转台的组装后，将其导出为* .x_t文件，然后将其导入
Adams MDA中以模拟机械虚拟原型。
在Adams建模环境中，可以通过定义每个零件的材料属性并添加适当的约束，载荷和动量以匹配物理原型装配体的物理关系，来完成Adams机械虚拟原型的构造，约束关系和模拟。虚拟原型模型的每个组件的关系如图6所示。
2.4 二维转台控制系统建模
由于PID结构简单，物理意义清晰，可靠性高而在工业控制广泛应用，因此本文采用PID控制方法来控制发送设备的二维转台[9]。 PID控制意味着使用比例，积分和微分控制。在模拟控制系统中，偏差e（t）是根据设定值r（t）和输出值y（t）的实际反馈而形成的。
根据产生的偏差e（T），引入比例K、积分K和导出的K控制系数，并用相应的线性组合形，实现对被控模型对象的控制，控制律如下：
上述公式表明，比例KP、积分Ki和微分KD控制系数的选取对二维转台动态性能的控制效果有重要影响，也是整个伺服控制系统建模参数调整的重点。
3虚拟样机联合仿真建模分析
为了实现基于Adams和Matlab / Simulink的二维转台仿真，必须配置仿真软件之间的通信接口。设置步骤如下[10-12]：
1）确定Adams二维旋转台虚拟机的状态变量，该模型通过组装设置了驱动系统的输入角速度变量和防卫二维通道的输出角速度变量。
2）使用ADAMS/control插件plant-export确认2D通道模型的控制输入（inpuut）是前面定义的后续驱动系统的可变角速度输入，为了定义Matlab/Simlink模型中控制输入输出的接口将输出信号定义为二维信道在这个方向上的每一个速度输出变量。Adams/Solver选择C++，targetsoft ware选择MATLAB。可以带来MATLAB/Simlink模拟环境的模型输出。
3）Matlab/Simlink模拟环境.利用ADAMS ＼ Sys在MATRAB中处理指令，将ADOMS导出的虚拟变频器模型显示在系统模块中后，根据发射PID控制原理，构建模拟模型，在Simlink环境中研究2D通道动态性能模拟[13-15]，二维通道模拟如图7所示。
以俯仰轴为例，我们用阶跃和正弦信号来测试瞬态响应，用跟踪参数来测试伺服台仿真系统的功能。如图8、图9所示[16-17].
通过联合仿真分析，可以看出，通过响应阶跃信号动作从起始位置抬起，可以在很短的响应时间内将俯仰轴稳定在命令的目标位置，从而达到快速且准确的位置控制目的[18- 19]。该点也可以在Adams仿真动画中看到，并且俯仰轴从其原始位置快速旋转到给定位置，并且在该位置上基本保持稳定。同时，当仿真曲线上给出的指令是正弦信号时，阶跃轴只需要很小的延迟就可以紧跟给定的正弦指令，具有良好的跟踪特性[20]。
方位轴使用相同的控制方法来实现对相应关节位置的精确控制。根据2轴执行器的位置以及每个关节的位置和角度之间的转换比，可以精确地控制执行器的位置，从而可以快速准确地确定位置，并同时还具有较好的轨迹跟踪特性。
4 结论
为了提高二维转台总体设计的效率并缩短设计和开发周期，本文基于Adams建模平台和Matlab / Simulink进行了研究。用于构建二维转台的技术的联合数字虚拟样机的机器和控制。主要创新是转台机械虚拟样机的快速仿真技术，包括仿真方法，控制连接的仿真技术，转台数字数据采集虚拟样机的二维模型，以及二维转台的数字虚拟原型的协同仿真方法。进行了建模和分析。本文所编制的二维仿真模型对研究新型控制算法的应用和进一步改善系统特性具有非常积极的参考价值。
参考文献
[1]董袖青. 双轴精密伺服转台的性能测试与分析[D].长安大学，2018
[2]崔宁豪，张倩，李国丽.基于切换系统理论的伺服转台摩擦建模与补偿[J].微电机，2019，52（10）：55-59+91.
[3]张德成，杨松.高精度伺服转台扰动力矩补偿的一种重复自适应控制方法[J].自动化技术与应用，2010，29（10）：32-36.
[4]许波，李正明，殷春芳.精密转台伺服控制系统的研究[J].自动化技术与应用，2004（10）：16-18.
[5]張嵩. 双轴伺服转台控制系统设计及实现[D].哈尔滨工业大学，2009.
[6]崔宁豪. 双轴跟踪转台伺服控制系统的建模及控制方法研究[D].安徽大学，2020.
[7]???， ???. Optimal Tuning of a Ballscrew Driven Biaxial Servo System using a Disturbance Observer. 2011， 20（5）：589-597.
[8]Algorithms; Findings from Harbin Engineering University Has Provided New Data on Algorithms （Acceleration Harmonics Identification for an Electro-Hydraulic Servo Shaking Table Based on a Nonlinear Adaptive Algorithm）. 2018， [9]谢锐勇. 双轴视觉伺服云台系统设计与实现[D].华南理工大学，2019.
[10]王瑜. 基于ARM和FPGA的四轴伺服驱动系统的设计[D].山东大学，2019.
[11]刘英磊. 多轴伺服张力控制系统的设计及研究[D].辽宁工业大学，2019.
[12]吴飞，刘潇，高尚，詹洁.二轴伺服系统轮廓误差的控制研究[J].组合机床与自动化加工技术，2017（05）：81-84
[13]Liu Bin， Zhou Min. Design of Automatic Control System for NDT Device. 2012， 17：68-73.
[14]Ke Yu Li， Fu Qing Tian， Jue Wang. Adaptive Backstepping Sliding Mode Control of Electro-Optical Tracking Servo Turntable. 2014， 3227：1597-1600.
[15]Xiao Yang， Dun Lu， Sanli Liu， et al. Modeling and analysis of steady-state vibration induced by backlash in servo rotary table. 2015， 10（1）：43-47.
[16]Yan Min Wu， Jun Jie Wang， Guang Zhao Cui， et al. Implementation of Turntable Servo Control System Based on Fuzzy Self-Tuning PID. 2012， 1518：1101-1105.
[17]Qian Zhang， Qunjing Wang， Cui Ninghao. Identification and control of the motor-drive servo turntable with the switched friction model. 2020， 14（5）：843-849.
[18]林森，于寧.双轴转台运动控制系统[J].中国科技信息，2018（24）：91-92.
[19]赵金强. 多轴伺服系统的时间最优速度规划研究[D].哈尔滨工业大学，2019
[20]赵继强. 多轴伺服系统的协调控制策略研究[D].福州大学，2017.
依托于大创项目：机载高精度两轴伺服转台结构设计与控制系统联合仿真项目选题来源：教师科研课题的子项目项目编号：202010183700
吉林大学 仪器科学与电气工程学院 长春 130061