MVC850B型数控铣床摩擦补偿与伺服优化研究
发布时间：2021-10-28 11:06
随着“工业4.0”概念和“中国制造2025”战略等的提出,先进制造业对数控铣床性能的要求越来越高,如何提升加工精度成为当前提高数控铣床性能的关键问题。数控铣床的进给伺服系统性能影响着加工精度,尤其是定位误差和跟踪误差成为制约加工精度提升的两个主要方面。在进给伺服系统中,间隙误差、摩擦误差和伺服驱动性能是决定进给轴定位精度和系统跟踪精度的关键因素。为提升数控铣床的加工精度和稳定可靠性,本文拟将从误差测量、误差补偿和伺服优化等方面着手研究相关理论方法和实验。主要研究工作包括:（1）基于反向间隙和螺距误差的定位误差补偿策略分析与实验研究。针对定位误差问题,本文以MVC850B数控铣床为实验平台,利用激光干涉仪搭建进给轴定位误差测量补偿系统,通过对反向间隙和螺距误差进行测量分析与补偿实验,以期提高数控铣床进给轴的定位精度。（2）提出基于分数阶滑模控制的进给伺服系统摩擦补偿。针对跟踪误差问题,为补偿影响数控铣床进给伺服系统性能的非线性摩擦以及建立具有良好动态性能的伺服系统,本文考虑到传统摩擦补偿方法对未知建模误差以及抗干扰能力弱的缺陷,通过在传统滑模控制中引入分数阶微积分算子,提出一种分数阶滑模...
【文章来源】：南华大学湖南省
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１数控铣床直线进给轴机械传动装置结构示意图??
?南华大学碩士学位论文???向间隙误差和丝杠螺距误差进行分析与补偿十分必要，这些可以通过调整相应的??参数来实现。??２．１．１数控铣床机械传动装置组成??本章以ＭＶＣ８５０Ｂ型数控铣床为实验平台。常见的数控铣床直线进给机械传??动装置结构如图２．１所示，其中工作平台和滚珠丝杠通过螺母副连接，伺服电机??和丝杠通过联轴器连接，伺服电机的角度命令信息经过滚珠丝杠转换成工作平台??的直线位移信息。在数控铣床机械传动装置中，滚珠丝杠的反向间隙和螺距误差??会直接影响工作平台的定位精度［５４］。在图２．１中，该数控铣床的检测反馈信号是??从伺服电机轴上取得的，转角测量比较容易实现。??平Ａ??线性?１?■??＾?紐！園［￣］ＴＺＴｍＴ】．．ＬＨｕＬ隱???Ｉ?Ｉ?一?：?、?ｉ－??图２．１数控铣床直线进给轴机械传动装置结构示意图??Ｆｉｇ．?２．１?Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ?ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ?ｄｅｖｉｃｅ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｌｉｎｅａｒ?ｆｅｅｄ?ｓｈａｆｔ?ｆｏｒ?ＣＮＣ?ｍｉｌｌｉｎｇ?ｍａｃｈｉｎｅ??２．?１．２反向间隙误差??反向间隙是指机械传动改变方向时，工作平台并没有发生实际运动，而伺服??电动机空转运行。由于制造装配的磨损以及工作中的碰撞磨损，机械传动装置的??丝杠螺母副与滚珠丝杠之间存在着间隙。当丝杠在伺服电动机的作用下产生运动??时，丝杠要经过一段空隙才能作用于丝杠螺母副。在这段时间里，工作平台不会??发生运动，仍然保持位置不变，从而使得工作平台的实际位移值和理论设定值不??一致，最终对零件的加工精度产生影响。反向间隙的产生如图２．２所示［５５］。??丝枉蟪母副（工作台）??滚珠丝杠
。由于制造和装配的误差，使得滚珠丝杠存在着一定的螺距误差，导致轴线??上部件的直线位移也存在着误差，不能到达预定的位置，从而影响定位精度。螺??距误差主要有累计误差、周期误差、随机误差等。累计误差是产生螺距误差的主??要原因，是由滚珠丝杠螺距之间间隔不均匀产生的，有累加的性质。周期误差是??因为滚珠丝杠螺纹磨损或安装偏差，使得滚珠丝杠匀速运动时不能产生均匀的正??弦波。随机误差是由于某种突发的因素，导致系统产生误差。组成螺距误差的各??项误差因素最终表现为指令位置与实际位置误差值，如图２．３所示。??Ｅ??４?－??３?－?＼??－１?＇／?＼?／?＼??’?Ｉ?■?■?？?ｒ?＇?？?、??装?０?６０?１２０?１８０?２４０?３００?３６０?ｐ??＾?－１?／??？?？??？．．??－３?＿??指令位置（ｒｃｔｎ）??图２．３螺距误差示意图??Ｆｉｇ．?２．３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｐｉｔｃｈ?ｅｎ＊ｏｒ??２．?１．４反向间隙与螺距误差的计算??测量时，先根据数控铣床轴线的有效行程确定测量目标点个数Ｍ和测量次??数尤，再利用激光干涉仪以双向位移方式对每个目标点４进行测量，如图２．４所??７Ｊｎ?〇??—為＋?４?４——??〇?ｄ：?ｄ－??图２．４轴线位移偏差图??Ｆｉｇ．?２．４?Ｔｈｅ?ｐｏｓｉｔｉｏｎ?ｄｅｖｉａｔｉｏｎ?ｍａｐ?ｆｏｒ?ｔｈｅ?ａｘｉｓ??１３??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于速度箝制算法的数控机床定位精度的测量与补偿研究[J]. 杲颖,夏筱筠,孙维堂. 组合机床与自动化加工技术. 2018(06)
[2]数控机床误差补偿技术的研究现状和发展前景[J]. 范明伟,于晨风. 内燃机与配件. 2018(10)
[3]数控铣床定位精度检测与分析[J]. 曾超,王湘江,冯栋彦. 机械工程师. 2018(02)
[4]五轴数控机床空间定位精度改善方法研究现状[J]. 李杰,谢福贵,刘辛军,梅斌,董泽园. 机械工程学报. 2017(07)
[5]滑模变结构控制的研究综述[J]. 刘永慧. 上海电机学院学报. 2016(02)
[6]基于改进型LuGre模型的自适应滑模摩擦补偿方法[J]. 谭文斌,李醒飞,裘祖荣,向红标,张晨阳. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2015(05)
[7]分数阶微积分在滑模控制中的应用特性[J]. 宋申民,邓立为,陈兴林. 中国惯性技术学报. 2014(04)
[8]数控机床空间误差检测与补偿技术研究[J]. 刘慧玲,张建国. 机械工程师. 2014(04)
[9]数控机床几何误差的辨识研究[J]. 王移风,汪琛琛,曹衍龙,杨将新. 机械设计与制造. 2014(02)
[10]机电伺服系统摩擦补偿的自适应滑模控制[J]. 林雪,王中华,徐谦,刘庆永. 济南大学学报(自然科学版). 2013(02)
博士论文
[1]最优化分数阶信号分析及其应用[D]. 张小志.广东工业大学 2018
[2]考虑铰间间隙的机构动力学特性研究[D]. 白争锋.哈尔滨工业大学 2011
[3]交流伺服系统控制参数自整定策略研究[D]. 陈鹏展.华中科技大学 2010
硕士论文
[1]数控铣床定位误差测量分析与补偿研究[D]. 曾超.南华大学 2018
[2]基于FANUC数控系统的数控车床的伺服系统研究及优化[D]. 黄玉洁.东南大学 2016
[3]数控车床的伺服系统调整技术[D]. 王伟平.大连理工大学 2013
[4]永磁同步电机伺服系统控制器参数自整定技术的研究[D]. 于乐华.山东大学 2012
本文编号：3462725
【文章来源】：南华大学湖南省
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２．１数控铣床直线进给轴机械传动装置结构示意图??
?南华大学碩士学位论文???向间隙误差和丝杠螺距误差进行分析与补偿十分必要，这些可以通过调整相应的??参数来实现。??２．１．１数控铣床机械传动装置组成??本章以ＭＶＣ８５０Ｂ型数控铣床为实验平台。常见的数控铣床直线进给机械传??动装置结构如图２．１所示，其中工作平台和滚珠丝杠通过螺母副连接，伺服电机??和丝杠通过联轴器连接，伺服电机的角度命令信息经过滚珠丝杠转换成工作平台??的直线位移信息。在数控铣床机械传动装置中，滚珠丝杠的反向间隙和螺距误差??会直接影响工作平台的定位精度［５４］。在图２．１中，该数控铣床的检测反馈信号是??从伺服电机轴上取得的，转角测量比较容易实现。??平Ａ??线性?１?■??＾?紐！園［￣］ＴＺＴｍＴ】．．ＬＨｕＬ隱???Ｉ?Ｉ?一?：?、?ｉ－??图２．１数控铣床直线进给轴机械传动装置结构示意图??Ｆｉｇ．?２．１?Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ?ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ?ｄｅｖｉｃｅ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｌｉｎｅａｒ?ｆｅｅｄ?ｓｈａｆｔ?ｆｏｒ?ＣＮＣ?ｍｉｌｌｉｎｇ?ｍａｃｈｉｎｅ??２．?１．２反向间隙误差??反向间隙是指机械传动改变方向时，工作平台并没有发生实际运动，而伺服??电动机空转运行。由于制造装配的磨损以及工作中的碰撞磨损，机械传动装置的??丝杠螺母副与滚珠丝杠之间存在着间隙。当丝杠在伺服电动机的作用下产生运动??时，丝杠要经过一段空隙才能作用于丝杠螺母副。在这段时间里，工作平台不会??发生运动，仍然保持位置不变，从而使得工作平台的实际位移值和理论设定值不??一致，最终对零件的加工精度产生影响。反向间隙的产生如图２．２所示［５５］。??丝枉蟪母副（工作台）??滚珠丝杠
。由于制造和装配的误差，使得滚珠丝杠存在着一定的螺距误差，导致轴线??上部件的直线位移也存在着误差，不能到达预定的位置，从而影响定位精度。螺??距误差主要有累计误差、周期误差、随机误差等。累计误差是产生螺距误差的主??要原因，是由滚珠丝杠螺距之间间隔不均匀产生的，有累加的性质。周期误差是??因为滚珠丝杠螺纹磨损或安装偏差，使得滚珠丝杠匀速运动时不能产生均匀的正??弦波。随机误差是由于某种突发的因素，导致系统产生误差。组成螺距误差的各??项误差因素最终表现为指令位置与实际位置误差值，如图２．３所示。??Ｅ??４?－??３?－?＼??－１?＇／?＼?／?＼??’?Ｉ?■?■?？?ｒ?＇?？?、??装?０?６０?１２０?１８０?２４０?３００?３６０?ｐ??＾?－１?／??？?？??？．．??－３?＿??指令位置（ｒｃｔｎ）??图２．３螺距误差示意图??Ｆｉｇ．?２．３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｐｉｔｃｈ?ｅｎ＊ｏｒ??２．?１．４反向间隙与螺距误差的计算??测量时，先根据数控铣床轴线的有效行程确定测量目标点个数Ｍ和测量次??数尤，再利用激光干涉仪以双向位移方式对每个目标点４进行测量，如图２．４所??７Ｊｎ?〇??—為＋?４?４——??〇?ｄ：?ｄ－??图２．４轴线位移偏差图??Ｆｉｇ．?２．４?Ｔｈｅ?ｐｏｓｉｔｉｏｎ?ｄｅｖｉａｔｉｏｎ?ｍａｐ?ｆｏｒ?ｔｈｅ?ａｘｉｓ??１３??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于速度箝制算法的数控机床定位精度的测量与补偿研究[J]. 杲颖,夏筱筠,孙维堂. 组合机床与自动化加工技术. 2018(06)
[2]数控机床误差补偿技术的研究现状和发展前景[J]. 范明伟,于晨风. 内燃机与配件. 2018(10)
[3]数控铣床定位精度检测与分析[J]. 曾超,王湘江,冯栋彦. 机械工程师. 2018(02)
[4]五轴数控机床空间定位精度改善方法研究现状[J]. 李杰,谢福贵,刘辛军,梅斌,董泽园. 机械工程学报. 2017(07)
[5]滑模变结构控制的研究综述[J]. 刘永慧. 上海电机学院学报. 2016(02)
[6]基于改进型LuGre模型的自适应滑模摩擦补偿方法[J]. 谭文斌,李醒飞,裘祖荣,向红标,张晨阳. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2015(05)
[7]分数阶微积分在滑模控制中的应用特性[J]. 宋申民,邓立为,陈兴林. 中国惯性技术学报. 2014(04)
[8]数控机床空间误差检测与补偿技术研究[J]. 刘慧玲,张建国. 机械工程师. 2014(04)
[9]数控机床几何误差的辨识研究[J]. 王移风,汪琛琛,曹衍龙,杨将新. 机械设计与制造. 2014(02)
[10]机电伺服系统摩擦补偿的自适应滑模控制[J]. 林雪,王中华,徐谦,刘庆永. 济南大学学报(自然科学版). 2013(02)
博士论文
[1]最优化分数阶信号分析及其应用[D]. 张小志.广东工业大学 2018
[2]考虑铰间间隙的机构动力学特性研究[D]. 白争锋.哈尔滨工业大学 2011
[3]交流伺服系统控制参数自整定策略研究[D]. 陈鹏展.华中科技大学 2010
硕士论文
[1]数控铣床定位误差测量分析与补偿研究[D]. 曾超.南华大学 2018
[2]基于FANUC数控系统的数控车床的伺服系统研究及优化[D]. 黄玉洁.东南大学 2016
[3]数控车床的伺服系统调整技术[D]. 王伟平.大连理工大学 2013
[4]永磁同步电机伺服系统控制器参数自整定技术的研究[D]. 于乐华.山东大学 2012
本文编号：3462725
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