直线电机驱动的数控机床XY工作台轮廓误差控制系统设计
本文关键词：直线电机驱动的数控机床XY工作台轮廓误差控制系统设计，由笔耕文化传播整理发布。
【摘要】：在数控机床向着高速高精发展的潮流下，直线电机以其独有的速度和精度优势开始运用于数控机床，并开始逐步取代旋转电机加滚珠丝杠这一传统的伺服机构。直线电机驱动的XY工作台是数控机床中实现平面定位和进给的最基本的机构之一，在数控镗、铣、钻床以及各种加工中心中广泛应用。 数控机床XY工作台的轮廓精度是其最重要的指标，本文研究的目的是设计工作台的控制系统对其进行轮廓控制。在直线电动机驱动的XY工作台运行的过程中，，有多种因素会影响直线电机伺服系统的运行，并影响到工作台运行的轮廓精度。如载荷变化、振动、摩擦、切削力变化等，此外在不同的加工过程中，工作台承载的工件质量不同，而质量的变化会使得直线电机伺服控制系统的控制效果下降，并最终影响工作台的轮廓精度。这些因素都是在设计轮廓控制系统过程中要考虑的问题。 首先，本文介绍了直线电机驱动的数控机床XY工作台的常见控制方法，以及这些控制方法在国内外的现状和发展前景，阐述了数控机床XY工作台的基本结构以及工作原理。分析并选择了适合本文的轮廓控制系统结构。 其次，分析了轮廓控制系统的结构以及设计要求，建立了轮廓误差模型，然后本文在高速高精要求下，建立了永磁同步直线电动机驱动的数控机床XY工作台的数学模型；根据直线电机XY工作台的特点，对工作台的单轴速度控制器和位置控制器进行设计。 在设计控制器的过程中，本文研究了广泛应用的PID控制在系统质量发生变化时的控制效果，并针对工作台在不同工况下质量会发生变化这一特点设计控制器。 第一，在速度控制环节采用模糊控制，在位置控制环节采用非线性PID控制，并根据研究对象的特点对其进行改进，相比传统PID控制能更好的应对质量变化； 第二，在XY工作台轮廓控制上，采用实时轮廓误差估计模型计算出伺服进给系统的轮廓误差，使用交叉耦合控制器来分配XY轴的补偿量，实现对轮廓误差的实时补偿，提高工作台的轮廓精度。 最后使用MATLAB/simulink完成了直线电机XY工作台控制系统的建模与仿真。理论推导和仿真结果表明，模糊控制器、变参数非线性PID控制器运用于XY工作台单轴控制，能在不同工况下当系统质量发生变化时保持良好的控制效果。交叉耦合控制相比两轴独立控制，能更有效的提高工作台的轮廓精度。
【关键词】：XY工作台 直线电机伺服系统 质量变化 模糊控制 非线性PID控制 轮廓控制
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TG659
【目录】：
- 摘要5-7
- ABSTRACT7-12
- 第一章 绪论12-20
- 1.1 研究目的和意义12-14
- 1.2 国内外现状14-18
- 1.2.1 数控机床 XY 工作台轮廓控制研究现状14-15
- 1.2.2 数控机床直线电机伺服系统发展现状15-16
- 1.2.3 数控机床直线电机控制方法发展现状16-18
- 1.3 本文研究思路及方法18-20
- 第二章 数控机床 XY 工作台伺服系统基本结构和运行原理20-27
- 2.1 数控机床基本结构及其工作原理20-21
- 2.1.1 数控机床的工作原理21
- 2.2 数控机床伺服系统基本结构21-24
- 2.2.1 旋转电机+滚珠丝杠伺服系统结构22-23
- 2.2.2 直线电机伺服系统基本结构23-24
- 2.3 直线电机伺服系统在机床中的应用24-26
- 2.3.1 单轴直线电机伺服系统25
- 2.3.2 两轴平行直线电机伺服系统25
- 2.3.3 XY 结构直线电机伺服系统25-26
- 2.4 本章小结26-27
- 第三章 数控机床 XY 工作台轮廓控制方法27-38
- 3.1 XY 工作台轮廓误差定义及其模型27-31
- 3.1.1 轮廓误差的定义27-28
- 3.1.2 直线轮廓误差28-29
- 3.1.3 圆轮廓误差29-30
- 3.1.4 任意曲线轮廓误差30-31
- 3.2 两轴独立轮廓控制31-32
- 3.3 交叉耦合轮廓控制32-35
- 3.3.1 交叉耦合轮廓控制的发展33-34
- 3.3.2 含速度调节的交叉耦合轮廓控制系统结构34-35
- 3.3.3 常用的交叉耦合轮廓控制系统结构35
- 3.4 XY 工作台轮廓控制系统结构的选择35-37
- 3.4.1 交叉耦合轮廓控制器的设计规划36
- 3.4.2 单轴控制系统设计规划36-37
- 3.5 本章小结37-38
- 第四章 直线电机伺服系统的数学模型及模型影响因素分析38-47
- 4.1 单轴直线电机伺服系统模型的建立建模38-43
- 4.1.1 直线电机运行原理38-39
- 4.1.2 直线电机数学模型39-43
- 4.2 控制系统及外部扰动43-44
- 4.3 工作台运动部件质量变化对其响应性能的影响分析44-46
- 4.3.1 直线电机伺服系统的固有频率45
- 4.3.2 第一次达到稳态的时间45-46
- 4.3.3 最大超调量分析46
- 4.4 本章小结46-47
- 第五章 单轴伺服控制系统的设计47-76
- 5.1 数控机床直线电机伺服系统控制系统结构47-48
- 5.1.1 两环结构47-48
- 5.1.2 三环结构48
- 5.2 单轴直线电机伺服系统速度环控制器设计48-62
- 5.2.1 速度环 PID 控制理论49
- 5.2.2 运动部件质量编号对速度环 PID 控制器的影响分析49-54
- 5.2.3 速度环控制器的选择54-55
- 5.2.4 速度环模糊控制器设计与分析55-62
- 5.3 单轴直线电机伺服系统位置环控制器设计62-75
- 5.3.1 系统运动部件质量变化对 PID 位置控制器的影响分析63-64
- 5.3.2 位置环控制器的选择64-66
- 5.3.3 位置环非线性 PID 控制器的设计66-67
- 5.3.4 系统运动部件质量变化对非线性 PID 位置控制器的影响分析67-69
- 5.3.5 变参数非线性 PID 控制的设计69-72
- 5.3.6 非线性 PID 控制器参数的线性拟合72-73
- 5.3.7 自适应变参数非线性 PID 仿真分析73-75
- 5.4 本章小结75-76
- 第六章 轮廓控制器的设计76-83
- 6.1 两轴独立轮廓控制性能研究76-77
- 6.1.1 XY 轴独立控制时的轮廓误差仿真76-77
- 6.2 交叉耦合轮廓控制器的设计77-81
- 6.2.1 交叉耦合控制理论77-78
- 6.2.2 变增益交叉耦合控制78-79
- 6.2.3 变增益交叉耦合轮廓控制器设计79-81
- 6.3 XY 轴轮廓控制时的轮廓误差仿真81-82
- 6.4 本章小结82-83
- 第七章 结论与展望83-85
- 7.1 结论83-84
- 7.2 展望84-85
- 致谢85-86
- 参考文献86-90
【参考文献】
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