數(shù)控機床直線電驅(qū)進給系統(tǒng)控制技術(shù)及動態(tài)特性研究.pdf

1、高速切削技術(shù)及多功能復(fù)合加工中心的迅猛發(fā)展要求數(shù)控機床進給系統(tǒng)具有高剛度、高精度、高速度和高響應(yīng)能力,而傳統(tǒng)滾珠絲桿進給系統(tǒng)無法滿足這種高性能進給要求。直線電動機可以實現(xiàn)高速直接驅(qū)動,避免了滾珠絲桿傳動中的反向間隙、慣性、摩擦力和剛度不足等缺點,可獲得高速、高精度運行并具有極好的穩(wěn)定和動態(tài)性能,直線電動機直接驅(qū)動進給系統(tǒng)是當前國際上公認的最有前途的數(shù)控機床高性能進給系統(tǒng)。
　　 數(shù)控機床直線電驅(qū)進給系統(tǒng)的高性能運行完全依賴于高性

2、能的直線伺服控制技術(shù),機械傳動結(jié)構(gòu)的簡化必然增加直線電驅(qū)進給系統(tǒng)電氣控制的難度,直線電驅(qū)進給系統(tǒng)的“零傳動”方式使得各種擾動不經(jīng)過任何中間環(huán)節(jié)的衰減而直接作用于直線電動機,影響了進給系統(tǒng)的性能；同時,直線電動機存在端部效應(yīng)、推力波動、齒槽效應(yīng)等非線性因素,這也增加了控制的難度。為充分發(fā)揮直線電動機在數(shù)控機床進給系統(tǒng)中的優(yōu)勢,必須對直線電驅(qū)進給系統(tǒng)的動態(tài)特性進行深入的理論和試驗研究,從控制和補償?shù)慕嵌忍岢鲞m合于直線伺服系統(tǒng)實時控制的有效方

3、法。
　　 論文圍繞數(shù)控機床直線電驅(qū)進給系統(tǒng)的控制技術(shù)及其動態(tài)特性展開研究,保證直線電驅(qū)進給系統(tǒng)的各種動靜態(tài)性能指標,提高直線電驅(qū)進給系統(tǒng)的動態(tài)剛度和抗干擾能力,充分滿足高性能數(shù)控機床進給系統(tǒng)的要求。論文主要研究內(nèi)容如下:
　　 (1)簡要介紹了直線電動機基本結(jié)構(gòu)及工作原理,建立了直線電驅(qū)進給系統(tǒng)數(shù)學模型和傳遞函數(shù),對直線電驅(qū)進給系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)進行分析,并與傳統(tǒng)滾珠絲桿傳動方式進行了比較,指出直線電驅(qū)進給系統(tǒng)的優(yōu)點及控制

4、難點；分析總結(jié)了數(shù)控機床直線進給伺服系統(tǒng)工作過程中存在的非線性及不確定性擾動因素。
　　 (2)構(gòu)建了直線電驅(qū)進給系統(tǒng)的三閉環(huán)控制結(jié)構(gòu),根據(jù)工程設(shè)計方法設(shè)計了電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的PID數(shù)字控制,并進行了仿真和試驗。重點研究了基于極點配置算法的直線電驅(qū)進給系統(tǒng),詳細介紹了極點配置控制器設(shè)計的基本原理及設(shè)計方法,具體給出了極點配置自適應(yīng)算法的計算機實現(xiàn)方法,并通過仿真分析驗證了控制器的有效性,最后通過試驗比較了PID控制和極點配

5、置兩種算法的性能特點。
　　 (3)針對直線電驅(qū)進給系統(tǒng)的非線性、不確定性和動態(tài)復(fù)雜性的特點,引入具有非線性逼近能力、自適應(yīng)自學習能力的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能控制算法,設(shè)計出基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的直線伺服控制系統(tǒng)。設(shè)計出具有局部逼近快速反應(yīng)的CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制器,控制過程和在線學習過程同時進行,充分滿足伺服控制實時性要求；引入具有動態(tài)遞歸特性的Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),其“部分遞歸,全局前饋”的結(jié)構(gòu)兼顧前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點,具有適應(yīng)時變特性的能力

6、,充分利用Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)存儲的歷史控制信息,提高了直線電驅(qū)進給系統(tǒng)的動態(tài)抗干擾能力和系統(tǒng)的控制精度；對Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的存儲方式進行優(yōu)化,創(chuàng)新性的提出具有稀疏存儲功能的改進Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),進一步提高網(wǎng)絡(luò)的泛化能力和響應(yīng)速度,并通過仿真驗證了此算法的可行性和有效性；針對直線電驅(qū)進給系統(tǒng)運動過程中存在的各種非線性干擾,提出基于前饋和反饋的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)合補償?shù)目刂葡到y(tǒng),不必對擾動力進行辨識和計算,因而無需過分依賴擾動力的精確數(shù)學模型,

7、在同一網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中不僅對擾動力進行反饋補償,而且對給定信號進行預(yù)測前饋補償,提高了直線電驅(qū)進給系統(tǒng)的控制性能。
　　 (4)構(gòu)建直線伺服系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)；詳細介紹了直線伺服控制器的硬件設(shè)計,主要包括驅(qū)動單元、檢測單元和控制單元；根據(jù)矢量控制原理設(shè)計了伺服控制器的軟件結(jié)構(gòu),對設(shè)計中存在的關(guān)鍵問題進行了探討；并對所設(shè)計的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的直線伺服控制器樣機進行了調(diào)試試驗。
　　 (5)構(gòu)建了數(shù)控機床直線電驅(qū)進給系統(tǒng)試驗平臺,詳細介