激光微织构加工机床伺服传动控制系统研究

发布时间：2020-12-30 08:41

　　针对激光表面微织构加工过程中,机床的瞬时速度与瞬时加速度高,定位误差与重复定位误差难以控制,激光微织构加工工艺精度无法保证的问题,建立机床伺服系统的动力学模型,基于模型设计了控制系统的误差补偿方案,提出一种速度与加速度复合前馈补偿PID控制策略。为了说明所提出的位置精度补偿方法的优越性,对补偿前后的PID控制效果进行对比实验,结果显示,系统的位置误差由补偿前的4μm降低至1μm以内,重复定位精度提高50%。实验结果表明,该控制策略能够有效减小激光微织构加工系统的位置误差,具有更高的位置跟踪精度和重复定位精度,满足系统对高精度定位的需求,为表面微织构形貌性能研究提供了更精密的机床伺服控制策略和更高的激光表面微织构加工精度。 

【文章来源】：现代电子技术. 2020年15期 北大核心

【文章页数】：5 页

【部分图文】：

激光加工系统结构示意图

通过对滚珠丝杠伺服传动系统的结构分析可知，系统一般由机械传动结构和伺服控制系统两大部分组成。其机械传动结构如图2所示，滚珠丝杠的两端由轴承支撑，一端与伺服电机相连，电机驱动滚珠丝杠旋转，再由滚珠丝杠螺母带动滑块和工作台沿直线导轨副运动，将传动部件旋转运动转化为工作台的直线运动。光栅尺检测工作台实时位置，反馈信号用于伺服系统位置跟踪。根据对该机械传动结构的计算分析，设定系统轴向总刚度保持不变为ki，不考虑由滚珠丝杠扭转变形和库伦摩擦对滑块轴向位移的影响。对滚珠丝杠伺服系统机械结构进行受力分析，得到传动部分的数学模型可表示为：

考虑到传统PID控制的反馈控制环节存在延时问题，造成控制失效或滞后，本文提出了复合前馈补偿的PID控制方式，旨在引入前馈控制作用于系统的前向通道上削弱或消除由于延时对系统产生的影响[8]。考虑到在激光加工过程中，通常会根据加工要求预知控制对象的运动轨迹、速度和加速度的变化，因此，本文选择采用速度与加速度复合前馈补偿方式对输入信号进行补偿。该前馈控制方式不仅能降低系统跟踪误差，还能在保障系统快速性的同时，提高控制器的轨迹跟踪精度和系统的控制精度。前馈补偿PID控制器的原理框图如图3所示。图3中：U(s)为系统输入信号；E(s)为跟踪误差信号；Kvff和Kaff分别为速度和加速的前馈增益；GPID(s)为PID控制器传递函数；G(s)为系统的开环函数。因此，速度与加速度复合前馈补偿PID系统的传递函数可表示为：

【参考文献】：
期刊论文
[1]基于Ritz级数的滚珠丝杠驱动系统建模与振动研究[J]. 钱荣荣,骆敏舟,赵江海,李涛,李露.  系统仿真学报. 2017(10)
[2]考虑负载重心变化的双驱进给系统不同步误差分析[J]. 谢黎明,杨晓瑛,靳岚.  现代制造工程. 2016(01)
[3]滚珠丝杠进给系统混合建模及其振动时变性分析[J]. 董亮,汤文成,刘立.  振动与冲击. 2013(20)
[4]大导程滚珠丝杠进给系统动力学建模研究[J]. 张文凯,郑晓果,汤清双,李鹏,白维正.  科学技术与工程. 2013(29)
[5]滚珠丝杠进给系统仿真建模[J]. 王永强,张承瑞.  振动与冲击. 2013(03)

硕士论文
[1]数控机床进给系统动力学建模与参数辨识方法的研究[D]. 田连刚.东北大学 2014
[2]基于PMAC的永磁交流伺服驱动系统控制及仿真研究[D]. 张雪英.太原理工大学 2014



本文编号：2947348