【摘要】：進給系統(tǒng)作為數(shù)控裝備的基本控制單元和執(zhí)行部件,其運動控制精度將直接影響裝備的工作性能。雙驅(qū)進給系統(tǒng)在單個自由度方向采用雙伺服電機同步運動共同驅(qū)動部件運動,能使進給系統(tǒng)獲得更好的進給剛性和精度,是先進數(shù)控裝備的重要研究方向。但是,雙軸之間的機械、伺服特性差異,雙絲杠傳動部分的機械耦合關系、機械系統(tǒng)的諧振特性及其非線性摩擦力都會對雙驅(qū)同步控制的同步性能和跟隨精度產(chǎn)生影響,傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)僅僅通過增加單驅(qū)系統(tǒng)帶寬或者提高單驅(qū)系統(tǒng)抗干擾能力以提高進給精度的方法并不能滿足雙驅(qū)同步控制的要求。因此,本文圍繞雙驅(qū)進給系統(tǒng)的同步控制技術,進行了其動力學建模、同步控制策略和算法以及系統(tǒng)諧振抑制的理論和試驗研究。本文主要研究內(nèi)容如下:(1)建立了基于重心驅(qū)動的雙驅(qū)進給系統(tǒng)混合參數(shù)模型,根據(jù)系統(tǒng)辨識試驗和理論計算得到動力學模型的關鍵參數(shù),并對進給系統(tǒng)的固有頻率和振型進行了預測;通過模態(tài)試驗檢測所研發(fā)雙驅(qū)進給系統(tǒng)的固有特性并與仿真預測結(jié)果進行對比,驗證了所建立模型的正確性,并通過雙驅(qū)進給動態(tài)特性試驗,檢測重心移動導致的俯仰誤差和扭轉(zhuǎn)誤差,進一步驗證了動力學模型的有效性;分析了重心移動對系統(tǒng)固有特性和動態(tài)特性的影響,為雙驅(qū)同步控制策略和算法的研究提供理論基礎。(2)提出了交叉耦合切換項增益模糊控制的Terminal滑模同步控制(FLTSMC)方法。首先結(jié)合交叉耦合控制策略,設計了基于雙驅(qū)動力學模型的Terminal滑模變結(jié)構同步控制算法,采用連續(xù)飽和函數(shù)和指數(shù)趨近律以消減滑模抖振。為解決交叉耦合控制雙軸之間實時解耦、互相跟蹤導致系統(tǒng)魯棒性低的問題,設計了考慮同步誤差波動峰值的滑模切換項增益模糊控制器,并通過Lyapunov定理驗證了整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性;基于Matlab和ADAMS進行了多種控制算法的機電聯(lián)合仿真,對所提出的同步控制策略和算法的同步性能和進給精度進行了仿真對比和分析。(3)針對機械諧振影響雙驅(qū)進給系統(tǒng)控制性能和帶寬的問題,為進一步提高雙驅(qū)同步控制性能,進行了系統(tǒng)諧振抑制的同步方法研究。分析了雙驅(qū)進給系統(tǒng)的諧振機理,對系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩差、轉(zhuǎn)速差進行了測試和分析,通過分析雙驅(qū)進給系統(tǒng)多輸入多輸出變量之間的頻率響應,從而設計了雙二階陷波濾波器進行控制信號的濾波;針對雙軸的轉(zhuǎn)矩差、轉(zhuǎn)速差波動和非線性摩擦力,提出了基于狀態(tài)反饋的雙驅(qū)進給系統(tǒng)諧振主動衰減方法,并通過仿真和試驗驗證了所提出諧振抑制(RS)同步方法的有效性。(4)進行了雙驅(qū)進給系統(tǒng)的同步控制試驗。首先通過設計研發(fā)的二維雙驅(qū)進給試驗臺,將所提出的交叉耦合切換項增益模糊控制的Terminal滑模變結(jié)構控制及諧振抑制同步方法(FLTSMC+RS)與交叉耦合PID控制、交叉耦合傳統(tǒng)滑模變結(jié)構控制(NSMC)進行了對比,對同步誤差和跟隨誤差的最大值、平均值和均方差進行統(tǒng)計分析,驗證了所提出同步控制方法的可行性及有效性。然后提出了雙驅(qū)進給線性位移的檢測方案,采用激光干涉儀進行雙軸線性位移精度的檢測試驗,試驗結(jié)果表明:加速度突變或換向過程是引起同步誤差以及跟隨誤差波動的最主要因素;不同大小的恒定進給速度對雙驅(qū)線性位移的同步和跟隨精度沒有明顯影響,而且相對于俯仰和偏擺角誤差,線性位移是影響同步和進給精度的主要因素。最后進行了雙絲杠驅(qū)動的雙夾頭進給系統(tǒng)同步控制試驗,針對雙夾頭快進和持續(xù)夾緊過程中轉(zhuǎn)矩控制的需求,設計了同步控制算法的硬件配置和軟件流程,進一步驗證了本文所提出同步控制算法的有效性和抗干擾能力。
【圖文】：

圖1-1 NMH 6300 雙驅(qū)進給臥式加工中心 圖1-2 XK27 動柱定梁數(shù)控龍門銑鏜床然而，雙驅(qū)進給系統(tǒng)的高精度和高穩(wěn)定性也對其同步控制提出了更高的要求。雙驅(qū)同步控制性能與雙軸的機械、伺服特性差異、雙軸機械耦合關系、機械諧振特性和非線性摩擦力等因素有關。即使是相同型號的伺服系統(tǒng)，雙軸之間的伺服特性、等效慣量、阻尼等參數(shù)可能不同；同樣的機械結(jié)構，加工裝配精度、傳動精度、剛度特性和接觸特性不同；雙驅(qū)系統(tǒng)的軸間的強耦合關系難以精確分析，在速度突變或者進給方向變化的場合，為滿足高速高精加工的需求，加減速急劇變化以及擾動極易引起雙軸驅(qū)動力突變，引起電機輸出驅(qū)動力矩與工作臺動態(tài)特性的不匹配[16]，導致雙驅(qū)同步誤差產(chǎn)生，甚至造成驅(qū)動系統(tǒng)失衡。而且，實際進給過程中，工作臺重心的移動也會對雙驅(qū)進給同步性能產(chǎn)生影響。因此，雙驅(qū)進給系統(tǒng)在使進給系統(tǒng)獲得高精度和高穩(wěn)定性的同時，也相應對雙驅(qū)同步性能及其控制技術提出了更高的要求。本文針對雙驅(qū)進給系統(tǒng)高精度高穩(wěn)定性的需求，展開雙驅(qū)同步控制技術的研究。首先針對雙驅(qū)進給系統(tǒng)的機械伺服特性差異和機械耦合關系，建立了基于重心驅(qū)動的雙驅(qū)進給系統(tǒng)混合參數(shù)動力學模型并分析其動力學行為特性；以

圖1-1 NMH 6300 雙驅(qū)進給臥式加工中心 圖1-2 XK27 動柱定梁數(shù)控龍門銑鏜床然而，雙驅(qū)進給系統(tǒng)的高精度和高穩(wěn)定性也對其同步控制提出了更高的要求。雙驅(qū)同步控制性能與雙軸的機械、伺服特性差異、雙軸機械耦合關系、機械諧振特性和非線性摩擦力等因素有關。即使是相同型號的伺服系統(tǒng)，雙軸之間的伺服特性、等效慣量、阻尼等參數(shù)可能不同；同樣的機械結(jié)構，加工裝配精度、傳動精度、剛度特性和接觸特性不同；雙驅(qū)系統(tǒng)的軸間的強耦合關系難以精確分析，在速度突變或者進給方向變化的場合，為滿足高速高精加工的需求，加減速急劇變化以及擾動極易引起雙軸驅(qū)動力突變，引起電機輸出驅(qū)動力矩與工作臺動態(tài)特性的不匹配[16]，導致雙驅(qū)同步誤差產(chǎn)生，，甚至造成驅(qū)動系統(tǒng)失衡。而且，實際進給過程中，工作臺重心的移動也會對雙驅(qū)進給同步性能產(chǎn)生影響。因此，雙驅(qū)進給系統(tǒng)在使進給系統(tǒng)獲得高精度和高穩(wěn)定性的同時，也相應對雙驅(qū)同步性能及其控制技術提出了更高的要求。本文針對雙驅(qū)進給系統(tǒng)高精度高穩(wěn)定性的需求，展開雙驅(qū)同步控制技術的研究。首先針對雙驅(qū)進給系統(tǒng)的機械伺服特性差異和機械耦合關系，建立了基于重心驅(qū)動的雙驅(qū)進給系統(tǒng)混合參數(shù)動力學模型并分析其動力學行為特性；以
【學位授予單位】：武漢理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG659

【參考文獻】

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本文編號：2701689