双驱进给系统的动力学建模与同步控制技术研究

发布时间：2020-06-07 16:26

【摘要】：进给系统作为数控装备的基本控制单元和执行部件,其运动控制精度将直接影响装备的工作性能。双驱进给系统在单个自由度方向采用双伺服电机同步运动共同驱动部件运动,能使进给系统获得更好的进给刚性和精度,是先进数控装备的重要研究方向。但是,双轴之间的机械、伺服特性差异,双丝杠传动部分的机械耦合关系、机械系统的谐振特性及其非线性摩擦力都会对双驱同步控制的同步性能和跟随精度产生影响,传统数控系统仅仅通过增加单驱系统带宽或者提高单驱系统抗干扰能力以提高进给精度的方法并不能满足双驱同步控制的要求。因此,本文围绕双驱进给系统的同步控制技术,进行了其动力学建模、同步控制策略和算法以及系统谐振抑制的理论和试验研究。本文主要研究内容如下:(1)建立了基于重心驱动的双驱进给系统混合参数模型,根据系统辨识试验和理论计算得到动力学模型的关键参数,并对进给系统的固有频率和振型进行了预测;通过模态试验检测所研发双驱进给系统的固有特性并与仿真预测结果进行对比,验证了所建立模型的正确性,并通过双驱进给动态特性试验,检测重心移动导致的俯仰误差和扭转误差,进一步验证了动力学模型的有效性;分析了重心移动对系统固有特性和动态特性的影响,为双驱同步控制策略和算法的研究提供理论基础。(2)提出了交叉耦合切换项增益模糊控制的Terminal滑模同步控制(FLTSMC)方法。首先结合交叉耦合控制策略,设计了基于双驱动力学模型的Terminal滑模变结构同步控制算法,采用连续饱和函数和指数趋近律以消减滑模抖振。为解决交叉耦合控制双轴之间实时解耦、互相跟踪导致系统鲁棒性低的问题,设计了考虑同步误差波动峰值的滑模切换项增益模糊控制器,并通过Lyapunov定理验证了整个控制系统的稳定性;基于Matlab和ADAMS进行了多种控制算法的机电联合仿真,对所提出的同步控制策略和算法的同步性能和进给精度进行了仿真对比和分析。(3)针对机械谐振影响双驱进给系统控制性能和带宽的问题,为进一步提高双驱同步控制性能,进行了系统谐振抑制的同步方法研究。分析了双驱进给系统的谐振机理,对系统的转矩差、转速差进行了测试和分析,通过分析双驱进给系统多输入多输出变量之间的频率响应,从而设计了双二阶陷波滤波器进行控制信号的滤波;针对双轴的转矩差、转速差波动和非线性摩擦力,提出了基于状态反馈的双驱进给系统谐振主动衰减方法,并通过仿真和试验验证了所提出谐振抑制(RS)同步方法的有效性。(4)进行了双驱进给系统的同步控制试验。首先通过设计研发的二维双驱进给试验台,将所提出的交叉耦合切换项增益模糊控制的Terminal滑模变结构控制及谐振抑制同步方法(FLTSMC+RS)与交叉耦合PID控制、交叉耦合传统滑模变结构控制(NSMC)进行了对比,对同步误差和跟随误差的最大值、平均值和均方差进行统计分析,验证了所提出同步控制方法的可行性及有效性。然后提出了双驱进给线性位移的检测方案,采用激光干涉仪进行双轴线性位移精度的检测试验,试验结果表明:加速度突变或换向过程是引起同步误差以及跟随误差波动的最主要因素;不同大小的恒定进给速度对双驱线性位移的同步和跟随精度没有明显影响,而且相对于俯仰和偏摆角误差,线性位移是影响同步和进给精度的主要因素。最后进行了双丝杠驱动的双夹头进给系统同步控制试验,针对双夹头快进和持续夹紧过程中转矩控制的需求,设计了同步控制算法的硬件配置和软件流程,进一步验证了本文所提出同步控制算法的有效性和抗干扰能力。
【图文】：

图1-1 NMH 6300 双驱进给卧式加工中心 图1-2 XK27 动柱定梁数控龙门铣镗床然而，双驱进给系统的高精度和高稳定性也对其同步控制提出了更高的要求。双驱同步控制性能与双轴的机械、伺服特性差异、双轴机械耦合关系、机械谐振特性和非线性摩擦力等因素有关。即使是相同型号的伺服系统，双轴之间的伺服特性、等效惯量、阻尼等参数可能不同；同样的机械结构，加工装配精度、传动精度、刚度特性和接触特性不同；双驱系统的轴间的强耦合关系难以精确分析，在速度突变或者进给方向变化的场合，为满足高速高精加工的需求，加减速急剧变化以及扰动极易引起双轴驱动力突变，引起电机输出驱动力矩与工作台动态特性的不匹配[16]，导致双驱同步误差产生，甚至造成驱动系统失衡。而且，实际进给过程中，工作台重心的移动也会对双驱进给同步性能产生影响。因此，双驱进给系统在使进给系统获得高精度和高稳定性的同时，也相应对双驱同步性能及其控制技术提出了更高的要求。本文针对双驱进给系统高精度高稳定性的需求，展开双驱同步控制技术的研究。首先针对双驱进给系统的机械伺服特性差异和机械耦合关系，建立了基于重心驱动的双驱进给系统混合参数动力学模型并分析其动力学行为特性；以

图1-1 NMH 6300 双驱进给卧式加工中心 图1-2 XK27 动柱定梁数控龙门铣镗床然而，双驱进给系统的高精度和高稳定性也对其同步控制提出了更高的要求。双驱同步控制性能与双轴的机械、伺服特性差异、双轴机械耦合关系、机械谐振特性和非线性摩擦力等因素有关。即使是相同型号的伺服系统，双轴之间的伺服特性、等效惯量、阻尼等参数可能不同；同样的机械结构，加工装配精度、传动精度、刚度特性和接触特性不同；双驱系统的轴间的强耦合关系难以精确分析，在速度突变或者进给方向变化的场合，为满足高速高精加工的需求，加减速急剧变化以及扰动极易引起双轴驱动力突变，引起电机输出驱动力矩与工作台动态特性的不匹配[16]，导致双驱同步误差产生，，甚至造成驱动系统失衡。而且，实际进给过程中，工作台重心的移动也会对双驱进给同步性能产生影响。因此，双驱进给系统在使进给系统获得高精度和高稳定性的同时，也相应对双驱同步性能及其控制技术提出了更高的要求。本文针对双驱进给系统高精度高稳定性的需求，展开双驱同步控制技术的研究。首先针对双驱进给系统的机械伺服特性差异和机械耦合关系，建立了基于重心驱动的双驱进给系统混合参数动力学模型并分析其动力学行为特性；以
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG659

【参考文献】

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本文编号：2701689