滾珠絲杠進給系統(tǒng)自適應(yīng)建模理論與方法研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代加工制造業(yè)的發(fā)展，特別是高速、高精加工的發(fā)展，對數(shù)控機床進給系統(tǒng)的動態(tài)性能提出了更高要求，同時直線電機驅(qū)動和并聯(lián)虛擬軸驅(qū)動等形式的進給系統(tǒng)出現(xiàn)，對傳統(tǒng)的以“伺服電機+滾珠絲杠”驅(qū)動形式的進給系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)。本文在分析了現(xiàn)有進給系統(tǒng)優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上指出，由于滾珠絲杠進給系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)和加工工藝成熟，成本低，工作可靠，具有對外力和慣量變化不敏感等優(yōu)點，如果在對其機械傳動機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計并獲得其相對精確的低階數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，選擇適當(dāng)?shù)乃?/p>

2、服控制方式，配置合理的伺服參數(shù)來進一步提高它的動態(tài)性能，滾珠絲杠進給系統(tǒng)仍是高速高精數(shù)控機床進給系統(tǒng)的一種理想選擇。
　　 適宜的數(shù)學(xué)模型是進行系統(tǒng)分析和設(shè)計的基礎(chǔ)，是預(yù)測其工作行為的關(guān)鍵。由于滾珠絲杠進給系統(tǒng)是一個復(fù)雜的機電一體化系統(tǒng)，通過理論建模方法得出的數(shù)學(xué)模型的階數(shù)一般較高，不便于進行系統(tǒng)分析和系統(tǒng)設(shè)計，模型降階方法雖然可以實現(xiàn)對已有模型降階，然而模型降階后會降低其精度，不利于高精度系統(tǒng)的分析和設(shè)計;而模態(tài)分析則存在激勵

3、困難、試驗結(jié)果的可信度有賴于試驗人員的技術(shù)水平和經(jīng)驗、誤差較大的不足。因此，利用理論建模和模態(tài)分析的方法很難獲得滾珠絲杠進給系統(tǒng)不同工況下的精確數(shù)學(xué)模型。
　　 本文圍繞如何獲得工況下滾珠絲杠進給系統(tǒng)相對精確的低階數(shù)學(xué)模型，提出了一套基于Lyapunov穩(wěn)定性理論的模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)的建模方法，并對其建模理論和方法進行了深入研究，主要研究內(nèi)容如下:
　　 1.對現(xiàn)有滾珠絲杠進給系統(tǒng)的理論建模和模態(tài)分析方法進行了分析，找出

4、了相關(guān)方面存在的問題。分析指出:理論建模方法得出的滾珠絲杠進給系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型階數(shù)一般偏高，不便于進行系統(tǒng)分析，而模型降階方法較少考慮實際的工程因素;實驗建模方法存在施加激勵困難，實驗結(jié)果可信度不高等問題，因此選擇或設(shè)計合適的建模方法，獲取在工況下與原有系統(tǒng)匹配良好的低階數(shù)學(xué)模型對系統(tǒng)分析和控制器設(shè)計具有重要的意義。
　　 2.對滾珠絲杠進給系統(tǒng)機械傳動機構(gòu)和伺服控制系統(tǒng)各組成部分的結(jié)構(gòu)特點進行了分析，用分布參數(shù)建模方法描述細長滾珠

5、絲杠副的傳遞子系統(tǒng)，推導(dǎo)出了包括滾珠絲杠受扭轉(zhuǎn)載荷作用下絲杠扭矩到角速度的傳遞函數(shù)和滾珠絲杠受軸向載荷作用下絲杠輸入端應(yīng)力到速度的傳遞函數(shù)，對滾珠絲杠和絲杠螺母的受力和變形進行了分析;建立了速度檢測及控制單元、位置檢測及控制單元、交流伺服電機等環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型，為分析、優(yōu)化和改進滾珠絲杠進給系統(tǒng)的機械傳動機構(gòu)，合理配置伺服參數(shù)，提高動態(tài)性能奠定了理論基礎(chǔ)。
　　 3.對模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)所涉及到的理論基礎(chǔ)進行了論述，分別研究了被控

6、對象相對階為1和2時的模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)的控制器結(jié)構(gòu)和自適應(yīng)律，并對其設(shè)計步驟和控制算法進行了分析。
　　 4.論述了基于模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)的建模原理，對基于模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)的仿真建模和實驗建模進行了研究，主要包括以下內(nèi)容:
　　 對基于模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)的建模原理進行了研究，以被控對象相對階數(shù)等于1為例，推導(dǎo)出了被控對象的模型表達式;
　　 研究了基于模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)的仿真建模方法，利用MATLAB/Sim

7、u1ik建立了模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)的仿真模型，并以獲得滾珠絲杠進給系統(tǒng)高階理論模型的等效二階模型為例，驗證了該方法的有效性。
　　 研究了基于模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)的實驗建模方法，建立了基于標準以太網(wǎng)實時同步運動控制平臺EtherMAC(Ethernet for Manufacture AutomationControl)的模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)實驗平臺，并以獲得伺服電動機系統(tǒng)的等效二階模型為例，驗證了該方法的有效性。
　　 5.

8、基于模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)實驗平臺，研究了獲得工況下滾珠絲杠進給系統(tǒng)低階等效數(shù)學(xué)模型的方法。把滾珠絲杠伺服進給系統(tǒng)看作整體并作為模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)的被控對象，以光柵尺的反饋數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)的輸出，結(jié)合滾珠絲杠進給系統(tǒng)的特點和控制要求，選動態(tài)品質(zhì)優(yōu)良的二階模型作為參考模型，通過試驗使可調(diào)系統(tǒng)和參考模型達到匹配，然后推導(dǎo)出了滾珠絲杠伺服進給系統(tǒng)的二階模型。
　　 6.對滾珠絲杠模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)的響應(yīng)性能指標及影響因素進行了分析，從機械傳動

9、機構(gòu)和控制系統(tǒng)兩方面研究了提高進給系統(tǒng)動態(tài)性能的有效措施。在機械傳動機構(gòu)方面，運用拉格朗日方程建立了滾珠絲杠進給系統(tǒng)的動力學(xué)模型，借助MATLAB軟件的特征值求解函數(shù)eig()對固有頻率進行了求解，定量分析了工作臺質(zhì)量、各部件剛度和工作臺位置變化對進給系統(tǒng)軸向一階固有頻率的影響;在控制系統(tǒng)方面，研究了參考模型、自適應(yīng)增益和可調(diào)參數(shù)初值對滾珠絲杠進給系統(tǒng)動態(tài)性能的影響，并給出了相應(yīng)的解決措施。
　　 課題的研究工作，為獲得工況下滾