發(fā)布時間：2020-04-07 07:15

【摘要】：在“中國制造2025”的潮流下,國內(nèi)制造業(yè)正朝著高速高精高自動化的方向發(fā)展,直線電機以其獨有的優(yōu)勢,逐漸取代傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)電機+滾珠絲杠”的結(jié)構(gòu),并正被廣泛應(yīng)用于高檔數(shù)控機床、包裝和碼垛機器人、拾取和放置機器人、光刻機等行業(yè)。直線電機驅(qū)動的二維平面運動是數(shù)控機床為代表的自動化生產(chǎn)制造設(shè)備實現(xiàn)定位和進給的最基本的運動之一,其最重要的性能指標是輪廓精度。本文以二維XY直線電機工作臺作為實驗平臺,對單軸位置跟蹤性能和雙軸輪廓控制性能兩方面進行了研究,意在設(shè)計一種可以有效提高系統(tǒng)輪廓精度和自適應(yīng)性能的輪廓誤差控制方案。首先,本文闡述了課題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和研究意義,介紹了二維XY直線電機平臺的軟硬件結(jié)構(gòu)和工作原理;其次,分析了模糊控制和雞群優(yōu)化算法理論,為直線電機單軸伺服系統(tǒng)設(shè)計了位置環(huán)控制器;再次,分析并建立了實時輪廓誤差估算模型,采用變增益模糊交叉耦合控制,實現(xiàn)對輪廓誤差的實時補償,提高二維工作臺的輪廓精度;最后,針對本文所提出的單軸控制策略和雙軸控制方案,分別在給定條件下進行對比實驗驗證,為多軸直線電機伺服系統(tǒng)的輪廓誤差控制提供新思路。本文的主要研究成果有以下幾點:(1)針對二維XY直線電機平臺各單軸伺服系統(tǒng)的控制,在傳統(tǒng)PID控制的基礎(chǔ)上,設(shè)計了基于改進雞群優(yōu)化算法的模糊PID控制器(ICSO-Fuzzy-PID),并通過仿真和實驗驗證了所提出的ICSO-Fuzzy-PID控制在單軸跟蹤性能、自適應(yīng)性和魯棒性等方面都優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制;(2)研究二維XY直線電機平臺的輪廓誤差控制算法,在各單軸采用ICSO-Fuzzy-PID控制策略的基礎(chǔ)上,設(shè)計了變增益模糊交叉耦合控制器(CCC-Fuzzy-PID),并將其應(yīng)用于多軸直線電機伺服系統(tǒng)的輪廓誤差控制中;(3)結(jié)合仿真分析和實驗測試方法,驗證了本文所提出的ICSO-Fuzzy-PID和CCC-Fuzzy-PID控制方法,可有效降低二維XY直線電機平臺的輪廓誤差,從而有效提高系統(tǒng)的輪廓精度。
【圖文】：

策略的控制精度是建立在已知被控對象的精確數(shù)學(xué)模型之上，而在實際工業(yè)應(yīng)用中，外界環(huán)境的變化是無法避免的，幾乎不可能建立直線電機的精確數(shù)學(xué)模型，所以當直線電機應(yīng)用在不確定的環(huán)境中，傳統(tǒng) PID 控制方法已經(jīng)不能很好地滿足直線電機高精度的要求。在第二章的內(nèi)容里，本文建立了永磁同步直線電機系統(tǒng)的簡化數(shù)學(xué)模型，，并分析了影響直線電機運行效果的諸多主要因素。本章將對直線電機實驗平臺的基本結(jié)構(gòu)和工作原理進行探究，同時為了方便課題的后續(xù)研究，根據(jù)實驗平臺的實際情況，在 Matlab/Simulink 中搭建各單軸伺服系統(tǒng)的仿真模型，并對各軸的控制效果進行了仿真分析。 3.1直線電機實驗平臺結(jié)構(gòu)研究3.1.1實驗平臺總體結(jié)構(gòu)本文所研究的直線電機實驗平臺是一套高速高精度直線電機龍門系統(tǒng)。該系統(tǒng)為三軸聯(lián)動，其中X、Y軸為永磁同步直線電機，行程分別為750mm和1000mm；Z 軸為交流伺服電機，通過配置行程為 200mm 的 KK86 模組（滾珠絲杠）安裝在 X 軸電機上，具體實物圖如圖 3.1 所示。

具有較強的計算處理能力，良好的閉環(huán)控制能力，而且提供開的運動控制卡庫函數(shù)，可自定義伺服算法控制電機、支持復(fù)雜運動關(guān)系算法及行開發(fā)平臺的控制界面等特性。PMAC 運動控制卡連接著型號為 DTC-8B 的轉(zhuǎn)板，以便控制 X、Y 軸永磁同步直線電機及 Z 軸交流伺服電機；平臺的末端檢裝置采用的是英國 Renishaw 公司生產(chǎn)的型號為 RGH22Y 的直線光柵尺，分辨為 0.1um，正常讀數(shù)的最大允許速度為 4m/s；驅(qū)動器選用的是以色列 MEGA-FAB公司生產(chǎn)的 D1 型 MD-36-S 產(chǎn)品，頻率范圍在 47~63HZ；X 軸的直線導(dǎo)軌與滑是來自臺灣 HIWIN 公司的具有自潤滑性能的 QHH15H1026Z-1082+QH15 產(chǎn)品Y 軸采用的是與 X 軸同公司的另一種型號為 QHH20H1026Z-5068+QH20 的直導(dǎo)軌與滑塊；X 軸永磁同步直線電機來自臺灣 HIWIN，型號為 LMCB6，行程750mm；Y 軸永磁同步直線電機來自臺灣 HIWIN，型號為 LMCC8，行程1000mm；極限開關(guān)應(yīng)用的是日本 OMRON 的型號為 EE-SX674 的產(chǎn)品；同時包括一臺 PC 上位機，一個工業(yè)電氣控制柜。 本實驗平臺所用軟件為 PMAC 配套的 PEWIN32PRO2 ，軟件界面如圖 3.2所示。
【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM359.4;TP273

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