數(shù)控機(jī)床直線電驅(qū)進(jìn)給系統(tǒng)控制技術(shù)及動(dòng)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(jī)床進(jìn)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(jìn)給系統(tǒng)無法滿足這種高性能進(jìn)給要求。直線電動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)高速直接驅(qū)動(dòng),避免了滾珠絲桿傳動(dòng)中的反向間隙、慣性、摩擦力和剛度不足等缺點(diǎn),可獲得高速、高精度運(yùn)行并具有極好的穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)性能,直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)是當(dāng)前國際上公認(rèn)的最有前途的數(shù)控機(jī)床高性能進(jìn)給系統(tǒng)。
　　 數(shù)控機(jī)床直線電驅(qū)進(jìn)給系統(tǒng)的高性能運(yùn)行完全依賴于高性

2、能的直線伺服控制技術(shù),機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的簡化必然增加直線電驅(qū)進(jìn)給系統(tǒng)電氣控制的難度,直線電驅(qū)進(jìn)給系統(tǒng)的“零傳動(dòng)”方式使得各種擾動(dòng)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(dòng)機(jī),影響了進(jìn)給系統(tǒng)的性能；同時(shí),直線電動(dòng)機(jī)存在端部效應(yīng)、推力波動(dòng)、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(dòng)機(jī)在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì),必須對(duì)直線電驅(qū)進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行深入的理論和試驗(yàn)研究,從控制和補(bǔ)償?shù)慕嵌忍岢鲞m合于直線伺服系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制的有效方

3、法。
　　 論文圍繞數(shù)控機(jī)床直線電驅(qū)進(jìn)給系統(tǒng)的控制技術(shù)及其動(dòng)態(tài)特性展開研究,保證直線電驅(qū)進(jìn)給系統(tǒng)的各種動(dòng)靜態(tài)性能指標(biāo),提高直線電驅(qū)進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)剛度和抗干擾能力,充分滿足高性能數(shù)控機(jī)床進(jìn)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(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)及工作原理,建立了直線電驅(qū)進(jìn)給系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和傳遞函數(shù),對(duì)直線電驅(qū)進(jìn)給系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析,并與傳統(tǒng)滾珠絲桿傳動(dòng)方式進(jìn)行了比較,指出直線電驅(qū)進(jìn)給系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)及控制

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

5、置兩種算法的性能特點(diǎn)。
　　 (3)針對(duì)直線電驅(qū)進(jìn)給系統(tǒng)的非線性、不確定性和動(dòng)態(tài)復(fù)雜性的特點(diǎn),引入具有非線性逼近能力、自適應(yīng)自學(xué)習(xí)能力的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能控制算法,設(shè)計(jì)出基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的直線伺服控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)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(xué)習(xí)過程同時(shí)進(jìn)行,充分滿足伺服控制實(shí)時(shí)性要求；引入具有動(dòng)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(diǎn),具有適應(yīng)時(shí)變特性的能力

6、,充分利用Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)的歷史控制信息,提高了直線電驅(qū)進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗干擾能力和系統(tǒng)的控制精度；對(duì)Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的存儲(chǔ)方式進(jìn)行優(yōu)化,創(chuàng)新性的提出具有稀疏存儲(chǔ)功能的改進(jìn)Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),進(jìn)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(yàn)證了此算法的可行性和有效性；針對(duì)直線電驅(qū)進(jìn)給系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)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(bǔ)償?shù)目刂葡到y(tǒng),不必對(duì)擾動(dòng)力進(jìn)行辨識(shí)和計(jì)算,因而無需過分依賴擾動(dòng)力的精確數(shù)學(xué)模型,

7、在同一網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中不僅對(duì)擾動(dòng)力進(jìn)行反饋補(bǔ)償,而且對(duì)給定信號(hào)進(jìn)行預(yù)測(cè)前饋補(bǔ)償,提高了直線電驅(qū)進(jìn)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(xì)介紹了直線伺服控制器的硬件設(shè)計(jì),主要包括驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元和控制單元；根據(jù)矢量控制原理設(shè)計(jì)了伺服控制器的軟件結(jié)構(gòu),對(duì)設(shè)計(jì)中存在的關(guān)鍵問題進(jìn)行了探討；并對(duì)所設(shè)計(jì)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的直線伺服控制器樣機(jī)進(jìn)行了調(diào)試試驗(yàn)。
　　 (5)構(gòu)建了數(shù)控機(jī)床直線電驅(qū)進(jìn)給系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái),詳細(xì)介