高速滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性與控制技術(shù)研究.pdf

1、機(jī)床的精度和速度決定了加工工件的表面質(zhì)量和機(jī)床的生產(chǎn)效率。由于滾珠絲杠具有高剛度和高精度的特性，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床中。進(jìn)給系統(tǒng)工作臺(tái)在高加速度條件下的快速移動(dòng)易激發(fā)系統(tǒng)振動(dòng)，軸扭耦合振動(dòng)是在滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)中最主要的振動(dòng)形式，且振動(dòng)特性隨機(jī)床加工過(guò)程改變。軸扭耦合振動(dòng)限制了系統(tǒng)伺服帶寬，從而降低機(jī)床在高速跟蹤下的定位和跟蹤精度。滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的時(shí)變性主要是由結(jié)構(gòu)柔性，加工過(guò)程中的工作臺(tái)質(zhì)量變動(dòng)和位置變化而造成的。機(jī)床控

2、制系統(tǒng)的目標(biāo)包括最小化跟蹤誤差，最大化伺服帶寬和抑制結(jié)構(gòu)振動(dòng)。此外，控制算法需對(duì)時(shí)變參數(shù)和未建模動(dòng)態(tài)特性具有魯棒性，從而實(shí)現(xiàn)高精密加工。本研究的主要目標(biāo)即針對(duì)上述問(wèn)題，研究滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性和控制算法，實(shí)現(xiàn)高帶寬控制并補(bǔ)償由加工過(guò)程引起的時(shí)變動(dòng)力學(xué)特性，從而保證高速高加速度情況下工作臺(tái)的跟蹤精度。
　　為研究滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性，提出一種混合建模方法。該方法將滾珠絲杠作為連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，包含軸向、扭轉(zhuǎn)和彎曲振動(dòng)。通過(guò)

3、拉格朗日方法和Ritz級(jí)數(shù)方法建立旋轉(zhuǎn)絲杠在承受移動(dòng)載荷條件下的動(dòng)力學(xué)方程，并推導(dǎo)在不同邊界條件下的基函數(shù)表達(dá)式。分析了不同參數(shù)影響下（工作臺(tái)質(zhì)量、位置、導(dǎo)程和預(yù)緊力）對(duì)滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)的影響。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的正確性。
　　為研究系統(tǒng)的伺服控制方法，設(shè)計(jì)并搭建兩套滾珠絲杠進(jìn)給設(shè)備。通過(guò)時(shí)域和頻域的系統(tǒng)辨識(shí)方法辨識(shí)系統(tǒng)參數(shù)。采用無(wú)偏最小二乘估計(jì)方法得到系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼，并通過(guò)卡爾曼濾波精確辨識(shí)系統(tǒng)的摩擦模型。采用正弦掃

4、頻測(cè)試方法獲得系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)。采用峰值法和最小二乘法，得到滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)軸扭耦合振動(dòng)的傳遞函數(shù)和狀態(tài)空間表達(dá)。辨識(shí)方法分別應(yīng)用在兩套實(shí)驗(yàn)設(shè)備上，并針對(duì)不同的位置和質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)將辨識(shí)得到的傳遞函數(shù)和狀態(tài)空間模型的頻響函數(shù)曲線與實(shí)驗(yàn)值比較，驗(yàn)證模型的正確性。
　　針對(duì)剛體滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)，設(shè)計(jì)自適應(yīng)反演滑?？刂破?，提出陷波濾波器抑制系統(tǒng)的軸向和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，螺距和摩擦補(bǔ)償?shù)韧ㄓ玫难a(bǔ)償方法。分別在實(shí)驗(yàn)設(shè)備Ⅱ和Ⅲ上，與帶有速度和加

5、速度前饋的PPI控制器進(jìn)行比較，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證自適應(yīng)反演滑?？刂凭哂懈叩木群蛯?duì)于工作臺(tái)質(zhì)量變動(dòng)的魯棒性。
　　進(jìn)一步提出包含時(shí)變不確定性和未知邊界干擾的柔性滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)模型。采用振動(dòng)補(bǔ)償自適應(yīng)反演滑?？刂品椒▽?shí)現(xiàn)振動(dòng)抑制。時(shí)變不確定性和干擾采用傅里葉級(jí)數(shù)表示，并通過(guò)函數(shù)估計(jì)方法更新傅里葉級(jí)數(shù)系統(tǒng)。通過(guò)李雅普諾夫方法證明了閉環(huán)系統(tǒng)的收斂和穩(wěn)定性。根據(jù)帶有非最小相位零點(diǎn)的柔性滾珠絲杠狀態(tài)空間模型，設(shè)計(jì)帶有最小跟蹤誤差前饋的自適應(yīng)

6、反演滑?？刂品椒ǎ行У囊种平Y(jié)構(gòu)振動(dòng)獲得高跟蹤精度。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)表明該方法在時(shí)變參數(shù)不確定性和干擾存在條件下能夠有效的改善跟蹤精度和帶寬。
　　針對(duì)滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)時(shí)變的動(dòng)力學(xué)特性，設(shè)計(jì)了基于多參數(shù)增益調(diào)度方法的H∞回路整形控制器。H∞回路整形方法通過(guò)一系列的補(bǔ)償器權(quán)衡系統(tǒng)性能和魯棒性。首先建立固定參數(shù)的線性時(shí)不變系統(tǒng)，進(jìn)而對(duì)其狀態(tài)空間模型插值，通過(guò)求解最小二乘問(wèn)題獲得時(shí)變控制器。假設(shè)參數(shù)變化率是有界的，采用多參數(shù)LPV系統(tǒng)穩(wěn)定