摘要：為克服機(jī)械結(jié)構(gòu)因素對(duì)光電跟蹤伺服系統(tǒng)性能的不良影響，分析了機(jī)械結(jié)構(gòu)因素對(duì)光電跟蹤伺服系統(tǒng)性能的影響。首先概述了光電跟蹤伺服系統(tǒng)，包括系統(tǒng)組成與工作原理、主要性能指標(biāo)等；接著闡述了光電跟蹤伺服系統(tǒng)性能的必要性，分析機(jī)械結(jié)構(gòu)因素，如機(jī)械傳動(dòng)精度的影響、結(jié)構(gòu)剛度的作用、結(jié)構(gòu)諧振的表現(xiàn)及后果、機(jī)械質(zhì)量對(duì)系統(tǒng)性能的影響；最后簡(jiǎn)述了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與伺服系統(tǒng)性能之間的關(guān)系，并提出了五點(diǎn)消除或減小機(jī)械諧振的措施。

關(guān)鍵詞：機(jī)械結(jié)構(gòu)因素；光電跟蹤伺服系統(tǒng)性能；改善機(jī)械諧振

一、前言

光電跟蹤伺服系統(tǒng)是一種能夠?qū)崟r(shí)跟蹤目標(biāo)并進(jìn)行精確控制的控制系統(tǒng)。其基本原理是通過(guò)光電傳感器獲取目標(biāo)的位置信息，然后將這些信息傳輸給伺服電機(jī)，使其按照預(yù)定的軌跡對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤和操作。光電跟蹤伺服系統(tǒng)的主要組成部分包括：光電傳感器、數(shù)據(jù)處理單元、伺服電機(jī)和控制器等。隨著科技的不斷發(fā)展，光電跟蹤伺服系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人技術(shù)、醫(yī)療設(shè)備等。光電跟蹤伺服系統(tǒng)是現(xiàn)代工業(yè)中不可或缺的設(shè)備之一，其性能直接影響到生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量[1]。然而，由于光電跟蹤伺服系統(tǒng)的復(fù)雜性，其性能受到多種因素的影響，其中之一便是機(jī)械結(jié)構(gòu)因素。本文將詳細(xì)分析機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)光電跟蹤伺服系統(tǒng)性能的影響。

二、光電跟蹤伺服系統(tǒng)概述

（一）系統(tǒng)組成與工作原理

光電跟蹤伺服系統(tǒng)是一種利用光電傳感器對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤和測(cè)量的系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事國(guó)防、天文觀(guān)測(cè)等領(lǐng)域。該系統(tǒng)主要由光電傳感器、信號(hào)處理電路、伺服電機(jī)和控制系統(tǒng)等組成。其工作原理是利用光電傳感器對(duì)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，將目標(biāo)的位置和運(yùn)動(dòng)信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)反饋信號(hào)調(diào)整伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤和測(cè)量。光電跟蹤伺服系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：其一，光學(xué)傳感器，負(fù)責(zé)捕捉目標(biāo)的光信號(hào)，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行處理。其二，信號(hào)處理電路，對(duì)光學(xué)傳感器輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、整形等處理，得到與目標(biāo)位置相對(duì)應(yīng)的信號(hào)。其三，執(zhí)行器，根據(jù)信號(hào)處理電路輸出的指令，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器進(jìn)行精確的位置調(diào)整。其四，傳感器支架，用于安裝和維護(hù)光學(xué)傳感器、信號(hào)處理電路等部件。其五，控制器，根據(jù)預(yù)設(shè)的控制算法和目標(biāo)位置信息，產(chǎn)生控制信號(hào)并輸出到執(zhí)行器。其六，電氣連接件，用于連接各個(gè)部件，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。光電跟蹤伺服系統(tǒng)的工作原理：當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入視場(chǎng)范圍時(shí)，光學(xué)傳感器開(kāi)始捕捉目標(biāo)的光信號(hào)，光學(xué)傳感器將捕捉到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并發(fā)送給信號(hào)處理電路，信號(hào)處理電路對(duì)接收到的電信號(hào)進(jìn)行處理，得到與目標(biāo)位置相對(duì)應(yīng)的信號(hào)?？刂破鞲鶕?jù)預(yù)設(shè)的控制算法和目標(biāo)位置信息，計(jì)算出控制信號(hào)，并輸出到執(zhí)行器，執(zhí)行器根據(jù)接收到的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)機(jī)械裝置進(jìn)行精確的位置調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤。在跟蹤過(guò)程中，控制器根據(jù)目標(biāo)位置信息的反饋，實(shí)時(shí)調(diào)整控制信號(hào)，以保證跟蹤精度和穩(wěn)定性。

（二）主要性能指標(biāo)

光電跟蹤伺服系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)包括跟蹤精度、跟蹤速度、跟蹤范圍、穩(wěn)定性、可靠性、噪聲性能等。其中，跟蹤精度是指系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)位置的測(cè)量精度，通常用角度誤差或距離誤差表示。跟蹤速度是指系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度，通常用角速度或線(xiàn)速度表示。跟蹤范圍是指系統(tǒng)能夠跟蹤的目標(biāo)范圍。穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中保持穩(wěn)定的能力。系統(tǒng)的可靠性直接關(guān)系到其在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)，光電跟蹤伺服系統(tǒng)需要具備高可靠性，以應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜環(huán)境和工況條件下的挑戰(zhàn)。噪聲性能是衡量系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲大小和影響的重要指標(biāo)，光電跟蹤伺服系統(tǒng)應(yīng)具備較低的噪聲性能，以減少對(duì)周?chē)h(huán)境和設(shè)備的干擾。

三、分析光電跟蹤伺服系統(tǒng)性能的必要性

在對(duì)光電跟蹤伺服系統(tǒng)性能進(jìn)行分析時(shí)，需要關(guān)注執(zhí)行電機(jī)與控制對(duì)象之間的機(jī)械傳動(dòng)部分。在這個(gè)過(guò)程中，假設(shè)傳動(dòng)裝置是絕對(duì)剛性的，即忽略其彈性扭轉(zhuǎn)變形。然而，當(dāng)控制對(duì)象的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，或者系統(tǒng)跟蹤角加速度較高，同時(shí)傳動(dòng)裝置的剛度也較大的情況下，這種簡(jiǎn)化的假設(shè)就不再適用。在這種情況下，傳動(dòng)軸的彈性扭轉(zhuǎn)變形將成為一個(gè)不容忽視的因素，由于這種變形會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)傳遞特性中出現(xiàn)較高的諧振峰，進(jìn)而引發(fā)機(jī)械諧振。機(jī)械諧振會(huì)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能產(chǎn)生不利影響，嚴(yán)重時(shí)甚至可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，以及在某些特定諧振頻率下?lián)p壞精密的光電傳感器和耦合軸系。機(jī)械諧振的形成是由多種因素共同決定的，包括轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、傳動(dòng)裝置的材料、結(jié)構(gòu)以及尺寸等。傳動(dòng)裝置的剛性越差，其諧振頻率就越低。反之，剛性越好，諧振頻率就越高。通常，伺服系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)裝置都存在一個(gè)或多個(gè)諧振頻率。若這些諧振頻率低于系統(tǒng)的帶寬，那么它們將對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響，導(dǎo)致系統(tǒng)易于損壞[2]。

四、機(jī)械結(jié)構(gòu)因素分析

（一）機(jī)械傳動(dòng)精度的影響

機(jī)械傳動(dòng)在機(jī)械系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色，對(duì)于光電跟蹤伺服系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其性能直接受到機(jī)械傳動(dòng)精度的制約。機(jī)械傳動(dòng)精度不僅影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性，還直接關(guān)系到系統(tǒng)的精確度和可靠性。首先，機(jī)械傳動(dòng)精度直接影響光電跟蹤的準(zhǔn)確性。精確的機(jī)械傳動(dòng)能夠確保傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的精確對(duì)應(yīng)和同步，從而保證系統(tǒng)的跟蹤精度。如果機(jī)械傳動(dòng)存在誤差或不穩(wěn)定，將會(huì)導(dǎo)致跟蹤誤差的出現(xiàn)，進(jìn)而影響系統(tǒng)的性能和精度。其次，機(jī)械傳動(dòng)精度還影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。在高速運(yùn)轉(zhuǎn)或高負(fù)載情況下，若機(jī)械傳動(dòng)存在摩擦、卡滯或振動(dòng)等問(wèn)題，將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢或穩(wěn)定性下降，不僅會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，還可能對(duì)設(shè)備的壽命和可靠性造成影響。

（二）結(jié)構(gòu)剛度的作用

足夠的結(jié)構(gòu)剛度能為系統(tǒng)提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，確保系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中保持穩(wěn)定與精確性，支撐著整個(gè)光電跟蹤伺服系統(tǒng)的高效運(yùn)作。當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度較強(qiáng)時(shí)，可以有效地抵抗外界干擾和內(nèi)部應(yīng)力，減少系統(tǒng)在跟蹤目標(biāo)過(guò)程中的抖動(dòng)與偏差，使系統(tǒng)能夠更準(zhǔn)確地捕捉目標(biāo)的位置和運(yùn)動(dòng)軌跡，從而提升其跟蹤的精度和可靠性。較高的結(jié)構(gòu)剛度能夠維持系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)完整性，避免因長(zhǎng)期運(yùn)行或復(fù)雜環(huán)境下的影響而出現(xiàn)變形或損壞，延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命。然而，若結(jié)構(gòu)剛度不足，將會(huì)引發(fā)一系列問(wèn)題，系統(tǒng)可能會(huì)在運(yùn)行中出現(xiàn)晃動(dòng)、振動(dòng)等不穩(wěn)定現(xiàn)象，直接影響跟蹤的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，甚至可能導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常工作，極大地降低了系統(tǒng)的性能和實(shí)用性。

（三）結(jié)構(gòu)諧振的表現(xiàn)及后果

在光電跟蹤伺服系統(tǒng)中，機(jī)械結(jié)構(gòu)因素起著至關(guān)重要的作用，其中，結(jié)構(gòu)諧振是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一。結(jié)構(gòu)諧振是指系統(tǒng)在受到外部激勵(lì)時(shí)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的共振現(xiàn)象，這種共振現(xiàn)象會(huì)以特定的頻率和振幅表現(xiàn)出來(lái)，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度產(chǎn)生嚴(yán)重影響。結(jié)構(gòu)諧振主要體現(xiàn)在系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的異常振動(dòng)和噪聲，當(dāng)系統(tǒng)受到外部激勵(lì)的頻率接近其固有頻率時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的諧振，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)明顯的振動(dòng)，該振動(dòng)不僅會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部的零部件產(chǎn)生額外的磨損和松動(dòng)，進(jìn)一步影響系統(tǒng)的性能和壽命。結(jié)構(gòu)諧振會(huì)導(dǎo)致光電跟蹤伺服系統(tǒng)的跟蹤精度和響應(yīng)速度下降。因?yàn)橹C振會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生額外的振動(dòng)和漂移，使得系統(tǒng)無(wú)法準(zhǔn)確、快速地跟蹤目標(biāo)。在諧振過(guò)程中，系統(tǒng)的振動(dòng)和漂移會(huì)不斷積累，使得系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性逐漸降低。結(jié)構(gòu)諧振還會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部零部件的松動(dòng)和磨損。長(zhǎng)此以往，這種損壞會(huì)逐漸累積，最終導(dǎo)致系統(tǒng)性能的嚴(yán)重下降，甚至可能引發(fā)安全事故。

（四）機(jī)械質(zhì)量對(duì)系統(tǒng)性能的影響

在當(dāng)今科技高速發(fā)展的時(shí)代，機(jī)械系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。機(jī)械系統(tǒng)的性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。機(jī)械結(jié)構(gòu)作為機(jī)械系統(tǒng)的重要組成部分，其質(zhì)量的好壞對(duì)系統(tǒng)性能有著至關(guān)重要的影響。首先，機(jī)械結(jié)構(gòu)的材料選擇對(duì)系統(tǒng)性能有著重要的影響，不同的材料具有不同的物理和力學(xué)性能，如強(qiáng)度、硬度、韌性、耐磨性等。在設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，需要根據(jù)系統(tǒng)的工作環(huán)境、使用要求和性能指標(biāo)等因素來(lái)選擇合適的材料。例如，在高溫、高壓、腐蝕性等惡劣環(huán)境下工作的機(jī)械結(jié)構(gòu)，需要選擇具有耐高溫、耐腐蝕等性能的材料；在高速、高負(fù)荷等條件下工作的機(jī)械結(jié)構(gòu)，需要選擇具有高強(qiáng)度、高硬度等性能的材料。其次，機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)性能也有著重要的影響，合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以提高系統(tǒng)的工作效率和穩(wěn)定性，降低故障率和維修成本。在設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，需要考慮結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、精度等因素。例如，在設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，需要考慮齒輪的模數(shù)、齒數(shù)、齒形等因素，以保證傳動(dòng)的精度和效率；在設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)時(shí)，需要考慮結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和剛性，以保證系統(tǒng)的安全性和可靠性。此外，機(jī)械結(jié)構(gòu)的制造工藝也會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響，制造工藝的好壞直接影響著機(jī)械結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和性能。在制造機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，需要采用先進(jìn)的制造技術(shù)和工藝，如數(shù)控機(jī)床加工、精密鑄造、熱處理等，以提高機(jī)械結(jié)構(gòu)的精度和性能。還需進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制和檢測(cè)，以確保機(jī)械結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和性能符合要求。

五、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與伺服系統(tǒng)性能之間的聯(lián)系

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)伺服機(jī)械結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分及其負(fù)載（如激光測(cè)距儀、紅外跟蹤器、電視跟蹤器等）的合成轉(zhuǎn)動(dòng)效果有著重要的影響，它的大小通常用符號(hào)JL來(lái)表示，是在進(jìn)行伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的一項(xiàng)重要原始參數(shù)。負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不僅與系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)截止頻率w、機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm、大角度調(diào)轉(zhuǎn)時(shí)間td、低速平穩(wěn)跟蹤性能和陣風(fēng)誤差σ2等因素息息相關(guān)，還是評(píng)估和優(yōu)化伺服系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一。

（一）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的定義與計(jì)算

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（I）是描述物體繞某一軸旋轉(zhuǎn)時(shí)所表現(xiàn)出的抵抗改變其旋轉(zhuǎn)方向能力的物理量。它與物體的質(zhì)量、形狀和密度等因素有關(guān)。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式為：I=m×r2，m為質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量，r為質(zhì)點(diǎn)到旋轉(zhuǎn)軸的垂直距離。

（二）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與伺服系統(tǒng)性能的關(guān)系

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與伺服系統(tǒng)的性能有著密切的關(guān)系，主要體現(xiàn)在動(dòng)態(tài)響應(yīng)、穩(wěn)定性、精度等方面。

在光電伺服系統(tǒng)中，動(dòng)態(tài)響應(yīng)是指該系統(tǒng)在接收到輸入指令或外部干擾后，其輸出量隨時(shí)間變化的特性和能力。這一性能對(duì)于光電伺服系統(tǒng)的精確控制、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)至關(guān)重要。負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，系統(tǒng)加速和減速過(guò)程中所需的扭矩就越大，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度變慢，降低系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜工況的適應(yīng)能力，因此小負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是提高伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度的有效途徑之一。

光電伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指該系統(tǒng)在受到外部干擾或輸入指令變化時(shí)，能夠保持其輸出量穩(wěn)定并準(zhǔn)確跟蹤輸入指令的能力。這一性能對(duì)于光電伺服系統(tǒng)的精確控制、可靠性和長(zhǎng)期運(yùn)行具有重要意義。如果負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不匹配，或者負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量過(guò)大，就可能導(dǎo)致系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)抖動(dòng)、共振等不穩(wěn)定現(xiàn)象，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性造成影響，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中需充分考慮轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響。

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)系統(tǒng)的精度也有影響。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢，并且在調(diào)速過(guò)程中產(chǎn)生更大的波動(dòng)，降低了定位精度和穩(wěn)速精度。

六、改善機(jī)械諧振的方法

（一）提高固有頻率

機(jī)械諧振的產(chǎn)生與系統(tǒng)的固有頻率有關(guān)。當(dāng)系統(tǒng)的固有頻率與外部激勵(lì)頻率相等或相近時(shí)，就會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。因此，選擇合適的材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高系統(tǒng)的固有頻率，是消除或減小機(jī)械諧振的關(guān)鍵[3]。機(jī)械諧振對(duì)光電跟蹤伺服系統(tǒng)的性能具有顯著影響，它可能導(dǎo)致系統(tǒng)在特定頻率下產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，從而降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。為了消除或減小機(jī)械諧振的影響，可以從以下幾個(gè)方面采取措施。首先，提高伺服機(jī)械結(jié)構(gòu)固有頻率是關(guān)鍵措施之一，增加系統(tǒng)的剛度，可以降低共振點(diǎn)，從而避免系統(tǒng)在共振狀態(tài)下工作。具體方法包括優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選用高強(qiáng)度材料、增加阻尼裝置等。例如，在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可采用柔性支撐、懸掛式連接等方式，來(lái)提高結(jié)構(gòu)的剛度和抗振能力。除了提高固有頻率外，還可以采用其他方法來(lái)消除或減小機(jī)械諧振的影響，可通過(guò)濾波器法、極點(diǎn)配置法等方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，從而找出并消除共振點(diǎn)。此外，合理的控制器設(shè)計(jì)也是關(guān)鍵，可引入先進(jìn)的控制算法，如自適應(yīng)控制、模糊控制等，來(lái)改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，減小諧振對(duì)系統(tǒng)的影響?？梢圆捎幂p質(zhì)、高強(qiáng)度的金屬材料制作伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)件，以降低系統(tǒng)的慣性質(zhì)量。同時(shí)，合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的剛度和阻尼特性，使系統(tǒng)在受到外部激勵(lì)時(shí)能夠迅速衰減振動(dòng)能量。

（二）加大機(jī)械阻尼

加大機(jī)械阻尼是消除或減小機(jī)械諧振的有效措施，通過(guò)增加機(jī)械裝置的阻尼元件，可有效抑制機(jī)械部件的振動(dòng)和變形，從而降低機(jī)械諧振對(duì)系統(tǒng)性能的影響。此外，優(yōu)化機(jī)械設(shè)計(jì)、采用高性能材料以及合理布置零件等也是減少機(jī)械諧振的有效方法。在具體實(shí)施過(guò)程中，可以采用以下方法：其一，采用高品質(zhì)的阻尼材料，優(yōu)化機(jī)械阻尼元件的設(shè)計(jì)和制造工藝。其二，對(duì)機(jī)械裝置進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和仿真，以確定最佳的阻尼參數(shù)。其三，在機(jī)械裝配過(guò)程中，嚴(yán)格控制裝配精度和緊固程度，確保阻尼元件能夠充分發(fā)揮作用。

（三）采用串聯(lián)補(bǔ)償

機(jī)械諧振現(xiàn)象更是一個(gè)突出的問(wèn)題，為了有效地消除或減小這種不良影響，其中之一便是采用串聯(lián)補(bǔ)償。巧妙地運(yùn)用串聯(lián)補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ稍谝欢ǔ潭壬险{(diào)整系統(tǒng)的機(jī)械特性，使其更好地適應(yīng)實(shí)際工作需求，這種方式能夠?qū)C(jī)械諧振起到一定的抑制作用，從而優(yōu)化整個(gè)光電跟蹤伺服系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。采用串聯(lián)補(bǔ)償時(shí)，可有針對(duì)性地改變系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性，降低諧振峰值，拓寬系統(tǒng)的帶寬，不僅有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度，還能使其在面對(duì)各種復(fù)雜工況時(shí)更加可靠地運(yùn)行，進(jìn)而保證光電跟蹤的精確性和準(zhǔn)確性。

（四）調(diào)整負(fù)載/機(jī)電轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比

負(fù)載/機(jī)電轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比反映了負(fù)載對(duì)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的慣性負(fù)載與電機(jī)自身慣性負(fù)載之間的關(guān)系，是光電伺服系統(tǒng)中一個(gè)重要的參數(shù)。改善機(jī)械諧振，優(yōu)化光電伺服系統(tǒng)性能也可以采用調(diào)整負(fù)載/機(jī)電轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比的方法。主要可從減小負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、增加電機(jī)慣量、調(diào)整齒輪比三方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是指負(fù)載對(duì)象在旋轉(zhuǎn)時(shí)抵抗改變其轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的性質(zhì)，即負(fù)載越大，需要消耗更多的能量去旋轉(zhuǎn)。減少負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可采用輕量化設(shè)計(jì)、使用輕質(zhì)材料等方法，減少負(fù)載的質(zhì)量，從而降低負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，同時(shí)優(yōu)化傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)，減少傳動(dòng)過(guò)程中的能量損失和摩擦阻力，提高傳動(dòng)效率。

電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量則是指電機(jī)自身的慣性負(fù)載，即電機(jī)在改變其轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)向時(shí)所需克服的慣性阻力。增加電機(jī)慣量可通過(guò)選擇具有較大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的電機(jī)、增加飛輪等慣量元件等方法，來(lái)改善機(jī)械諧振。

齒輪比是伺服電機(jī)輸出軸與負(fù)載之間通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)裝置（如齒輪、皮帶等）連接的傳動(dòng)比，直接關(guān)系到伺服電機(jī)的輸出特性和運(yùn)動(dòng)控制效果。通過(guò)提高傳動(dòng)系統(tǒng)中的齒輪比，可以減小從負(fù)載側(cè)到電機(jī)側(cè)的視在慣量。

（五）狀態(tài)反饋設(shè)計(jì)

在伺服系統(tǒng)中，狀態(tài)反饋是控制算法中的重要組成部分，合理設(shè)計(jì)狀態(tài)反饋環(huán)節(jié)，可削弱或消除機(jī)械諧振的影響。在狀態(tài)反饋回路中引入阻尼元件，如電阻、電容等，可以消耗部分振動(dòng)能量，從而減小諧振幅度。調(diào)整系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的特性，如增加開(kāi)環(huán)截止頻率，可以降低諧振峰值。利用自適應(yīng)控制算法，如LQG控制器等，可以實(shí)時(shí)調(diào)整控制參數(shù)，以適應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)的變化，從而消除或減小機(jī)械諧振的影響。采用補(bǔ)償技術(shù)、濾波技術(shù)等手段，對(duì)系統(tǒng)的非線(xiàn)性進(jìn)行補(bǔ)償和抑制。例如，在伺服電機(jī)軸上安裝可變電阻器或電位器，通過(guò)改變電機(jī)的電阻值來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的調(diào)節(jié)，或者采用光纖光柵、磁柵等傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)位置、速度等信息的高精度測(cè)量和補(bǔ)償[4]。

七、結(jié)語(yǔ)

光電跟蹤伺服系統(tǒng)是一種廣泛應(yīng)用于精確制導(dǎo)、自動(dòng)控制等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，機(jī)械結(jié)構(gòu)因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響不容忽視。本文探討了機(jī)械結(jié)構(gòu)因素如何影響光電跟蹤伺服系統(tǒng)的性能，并提出相應(yīng)的優(yōu)化措施，主要從如何消除或減小機(jī)械諧振的措施方面進(jìn)行探討，包括提高伺服機(jī)械結(jié)構(gòu)固有頻率、加大機(jī)械阻尼、采用串聯(lián)補(bǔ)償、調(diào)整負(fù)載/機(jī)電轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比、采用狀態(tài)反饋設(shè)計(jì)等方面，以期通過(guò)上述措施，提高系統(tǒng)的性能，滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

參考文獻(xiàn)

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[2]馬經(jīng)帥，于洵，劉曉宇，等.高精度光電跟蹤系統(tǒng)中伺服穩(wěn)定控制算法研究[J].應(yīng)用光學(xué)，2021，42（04）：597-607.

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[4]姚行杰.起重機(jī)械結(jié)構(gòu)焊接變形的因素及控制分析[J].中國(guó)設(shè)備工程，2020（19）：150-151.

作者單位：南京模擬技術(shù)研究所

責(zé)任編輯：王穎振、楊惠娟