面向高速加工的NURBS曲線插補(bǔ)及直線電機(jī)魯棒控制技術(shù)研究.pdf

1、數(shù)控技術(shù)是現(xiàn)代制造業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù)，集微電子、計(jì)算機(jī)、信息處理、自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制等高新技術(shù)于一體，具有高精度和高效率等特點(diǎn)，對(duì)制造業(yè)實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。數(shù)控加工向高速方向發(fā)展要求數(shù)控系統(tǒng)具有優(yōu)良的數(shù)據(jù)通訊模式、先進(jìn)的插補(bǔ)和伺服控制算法、快速的譯碼及刀補(bǔ)計(jì)算模塊等，其中插補(bǔ)和伺服控制是數(shù)控加工中的核心功能模塊，其性能好壞將直接影響加工精度和加工效率，研究適合高速加工特點(diǎn)的插補(bǔ)和控制算法，對(duì)于提高高速加工數(shù)控系

2、統(tǒng)的性能具有十分重要的意義。本文在分析國(guó)內(nèi)外數(shù)控技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，對(duì)高速數(shù)控加工中的NURBS曲線直接插補(bǔ)技術(shù)及直線電機(jī)魯棒控制技術(shù)進(jìn)行了深入研究，主要包括以下內(nèi)容： 1.考慮進(jìn)給速度和插補(bǔ)精度的關(guān)系，并結(jié)合柔性加減速機(jī)制，提出一種加速度和加加速度約束的平滑自適應(yīng)NURBS(Non-uniform RationalB-spline)曲線插補(bǔ)算法。算法采用2階Taylor展開式進(jìn)行下一插補(bǔ)點(diǎn)的迭代計(jì)算，根據(jù)插補(bǔ)精度要求自

3、適應(yīng)調(diào)整進(jìn)給速度，并在調(diào)整過程中采用加速度與加加速度約束的S型加減速曲線對(duì)進(jìn)給速度重新規(guī)劃，得到平滑的速度過渡曲線。算法保證了穩(wěn)定而高速的進(jìn)給速度，合理的誤差范圍和平滑無(wú)沖擊的進(jìn)給過程，有利于提高加工效率和加工質(zhì)量。 2.進(jìn)給速度和進(jìn)給加速度是數(shù)控加工的重要加工參數(shù)，設(shè)置不當(dāng)則會(huì)影響加工效率或?qū)C(jī)床使用壽命產(chǎn)生影響。本文從機(jī)床加減速能力和插補(bǔ)精度方面考慮，分析高速加工中進(jìn)給運(yùn)動(dòng)應(yīng)滿足的約束條件。將進(jìn)給運(yùn)動(dòng)分解到各運(yùn)動(dòng)軸，根據(jù)機(jī)床

4、進(jìn)給軸的力學(xué)(電機(jī)驅(qū)動(dòng)力/力矩、進(jìn)給系統(tǒng)所受的慣性力及切削力)模型，推導(dǎo)了多軸聯(lián)動(dòng)加工時(shí)進(jìn)給速度、加速度與各進(jìn)給軸驅(qū)動(dòng)能力以及加工路徑幾何特性之間的約束關(guān)系，使得加工過程中機(jī)床各運(yùn)動(dòng)軸的加減速始終處于其加工能力范圍內(nèi)。 3.對(duì)基于“最差狀態(tài)點(diǎn)”進(jìn)行加工的方法加以改進(jìn)，提出滿足插補(bǔ)精度和機(jī)床加減速雙重約束的分段恒定速度自適應(yīng)插補(bǔ)算法。算法根據(jù)加工路徑的曲線信息、機(jī)床加工能力及加工要求確定“最差狀態(tài)點(diǎn)”，并結(jié)合自適應(yīng)插補(bǔ)思想，采用分

5、段高速加工，根據(jù)進(jìn)給約束模型得到不同恒定速度加工段及速度過渡段，并將這些信息存儲(chǔ)在一個(gè)五元的自適應(yīng)Lookup鏈表中，插補(bǔ)過程中通過查找該鏈表確定進(jìn)給參數(shù)。與“最差狀態(tài)點(diǎn)”加工方法相比，該算法能夠在保證加工精度并滿足機(jī)床加減速能力的前提下，充分利用機(jī)床的加工能力，縮短加工時(shí)間，提高加工效率。 4.直線電機(jī)是高速加工數(shù)控設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)之一。由于直線電機(jī)的零傳動(dòng)特性，系統(tǒng)參數(shù)(動(dòng)子質(zhì)量、粘滯摩擦系數(shù)等)變化及外部干擾都將直接影響伺服

6、系統(tǒng)的性能。本文針對(duì)直線電機(jī)伺服控制的特點(diǎn)，將二自由度控制思想與H∞控制算法相結(jié)合，提出了一種“MMC(模型匹配控制)+H∞+MFC(模型跟蹤控制)”的復(fù)合控制器結(jié)構(gòu)，對(duì)輸入和輸出分別設(shè)計(jì)控制器，一方面保證系統(tǒng)對(duì)指令的準(zhǔn)確跟蹤能力，另一方面保證系統(tǒng)對(duì)這些不確定性干擾因素的魯棒性。 在上述研究的基礎(chǔ)上，以實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的直線電機(jī)和工控機(jī)為平臺(tái)構(gòu)建兩軸聯(lián)動(dòng)原型系統(tǒng)，對(duì)提出的NURBS曲線插補(bǔ)算法及直線電機(jī)控制算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。結(jié)果表明