慢刀伺服車削機床PID參數(shù)優(yōu)化及其刀具路徑規(guī)劃研究.pdf

1、慢刀伺服(Slow Tool Servo，STS)車削技術(shù)不同于傳統(tǒng)車削，是一種新型的精密車削加工方法，通過C、X、 Z三軸聯(lián)動帶動金剛石刀具相對于工件端面在圓柱坐標(biāo)內(nèi)實現(xiàn)螺旋形軌跡的切削運動，主要應(yīng)用于加工各類復(fù)雜曲面。慢刀伺服車削相關(guān)技術(shù)的研究，國外起步較早，并已經(jīng)實現(xiàn)了工業(yè)應(yīng)用;國內(nèi)的相關(guān)研究近些年才剛剛起步，尚處于實驗室研究階段，并未形成工業(yè)加工能力。慢刀伺服車削技術(shù)主要應(yīng)用在國防軍事、空間觀測、光學(xué)測量、民用消費等領(lǐng)域。本文基

2、于自主研發(fā)的慢刀伺服裝置，對慢刀伺服車削相關(guān)技術(shù)開展了相關(guān)研究，具體研究內(nèi)容如下:
　　1)慢刀伺服車削機床控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化。以C軸為例，推導(dǎo)了基于IMAC的帶有速度與加速度前饋的PID控制算法的交流伺服電機進(jìn)給系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。將速度環(huán)簡化為三階振蕩系統(tǒng)，利用階躍響應(yīng)信號進(jìn)行系統(tǒng)辨識，獲得簡化的控制系統(tǒng)框圖。最后用粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行PID參數(shù)優(yōu)化，并通過仿真分析速度前饋和加速度前饋對減小跟蹤誤差的效果。
　　2)復(fù)雜曲面的慢

3、刀伺服車削刀具路徑規(guī)化。在簡要介紹車床結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，分析了曲面的數(shù)學(xué)描述方法，并對擬加工曲面進(jìn)行可加工性判別。分析包括等角度離散、等弧長離散和綜合離散在內(nèi)的三種刀觸點離散方法，并分析各離散方法的優(yōu)缺點;根據(jù)曲面能否用代數(shù)方程表達(dá)，提出了兩種不同的Z向刀具幾何形狀補償方法;選擇IMAC提供的PVT插補作為機床的運動軌跡插值算法。在分析已有的PVT入口參數(shù)生成算法的基礎(chǔ)上提出了三轉(zhuǎn)角法，相關(guān)仿真分析結(jié)果表明本文提出的三轉(zhuǎn)角法可以將插補誤差縮

4、小約一個數(shù)量級。
　　3)漸進(jìn)多焦點曲面的設(shè)計和慢刀伺服車削加工方法研究。首先建立了評價漸進(jìn)多焦點曲面質(zhì)量的泛函，并利用變分差分的方法求解泛函極值，計算出了漸進(jìn)多焦點曲面上的離散點坐標(biāo)?；陔x散點坐標(biāo)數(shù)據(jù)，嘗試?yán)秒pn次均勻B樣條插補和Zernike多項式擬合的方法構(gòu)造完整漸進(jìn)多焦點曲面，結(jié)果表明雙n次均勻B樣條插補效果更好，并且插補精度和B樣條次數(shù)關(guān)系不大，故最終選擇計算更為簡單的雙3次均勻B樣條插補進(jìn)行曲面構(gòu)造。相關(guān)分析表明用

5、該種方法構(gòu)造的漸進(jìn)多焦點曲面的實際光焦度分布和像散分布圖像與理想分布情況吻合度較好。最后對構(gòu)造的完整漸進(jìn)多焦點曲面進(jìn)行刀位點軌跡規(guī)劃和算法誤差分析。
　　4)典型復(fù)雜曲面的慢刀伺服車削加工實驗?；贑＃語言編寫了慢刀伺服車削機床控制軟件，并利用本文第三章的刀具軌跡生成方法，編寫了慢刀伺服車削數(shù)控程序生成軟件，進(jìn)行了環(huán)曲面、漸進(jìn)多焦點曲面和陣列面（球面陣列、正弦陣列面）的慢刀伺服車削加工實驗，通過實驗檢驗了前文相關(guān)理論的正確性和可行