（机械设计及理论专业论文）高速机床伺服进给系统定位精度的控制研究.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g 删 y 18 0 9 i c j i 4 西 r e s e a r c ho n p o s i t i o n i n gp r e c i s i o nc o n t r o lo f s e r v o - a c t u a t e df e e d i n gs y s t e mo fh i g h s p e e d m a c h i n et o o l s c a n d id a t e ：z h ux ia n g d o n g u p e r vis o r ：p r o f z h a n gx u a c a d e m icd e g r e ea p p lle df o r ：m a s t e ro fe n g in e e r in g s p e c i a l i t y ：m e c h a n i c a l e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m i s s i o n ：f e b r u a r y ，2 0 1 0 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：并润寿， 日期：d b l 0 年乡月，j 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 曰在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：并词糸导师( 签字) ：芬渺 日期：d ，o 年弓月，j 日函1 0 年弓月，j 日 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 摘要 现代的数控机床将高效率、高精度和高柔性集中于一体，高速机床进给 系统对位置控制、速度控制、伺服电动机及机械传动等方面都有很高的要求。 现代数控机床的关键技术之一是研究与开发性能优良的伺服进给系统。 本文在研究影响数控机床加工精度主要因素的基础上，针对影响伺服进 给系统定位精度的主要因素进行了分析。 首先，建立了伺服进给系统的数学模型及仿真模型。通过仿真进一步分 析了间隙、刚度、摩擦对进给系统的影响。 其次，在研究了影响进给系统定位精度因素基础上，采用模糊控制与p i d 控制相结合来改进系统定位的快速性和稳定性，设计了相应的模糊控制器， 并基于实验获得摩擦力与速度的关系，采用双模糊控制的方法来提高系统的 相应速度和稳态精度。 最后，基于理论研究和仿真结果，设计并建立了交流进给伺服系统试验 台及其位置检测系统。通过改变系统的负载、位置增益及加减速曲线等控制 参数对系统的重复定位进行试验研究。 本文的研究对高速高精度加工技术水平的提高和增强产品市场竞争力具 有一定的理论和应用价值，同时为更好的解决高速机床定位等技术问题奠定 了基础。 关键词：进给系统；定位精度；伺服控制 p7 y f _ 哈尔滨- 1 ：程大学硕十学位论文 i ii i i a b s t r a c t t h eh i g he f f i c i e n c y , h i g hf l e x i b i l i t ya n dh i g hp r e c i s i o na r ec o n c e n t r a t e di n t h em o d e mc n cm a c h i n e t h ef e e d i n gs y s t e mo fh i g hs p e e dm a c h i n en e e d s h i 曲- p e r f o r m a n c ep o s i t i o nc o n t r o l ，s p e e dc o n t r o l ，p i l o tm o t o ra n dm e c h a n i c a l t r a n s m i s s i o na n ds oo n s oo n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e sf o rt h em o d e mc n c m a c h i n ei sr e s e a r c ha n dd e v e l o p sh i g h - p e r f o r m a n c es e r v o - - a c t u a t e d f e e d i n g s y s t e m o nt h eb a s i so fr e s e a r c ho nt h em a i ni n f l u e n c ef a c t o rt oc n cm a c h i n i n g p r e c i s i o n ，t h em a i ni n f l u e n c ef a c t o rt op o s i t i o n i n gp r e c i s i o na n dr e s p o n s es p e e do f s e r v o - a c t u a t e df e e d i n gs y s t e ma r ea n a l y z e d f i r s t l y , m a t h e m a t i cm o d e la n ds i m u l a t i o nm o d e lo fs e r v o - a c t u a t e da r eb u i l t ， a n dt h ei n f l u e n c eo fb a c k l a s h ，s t i f f n e s s ，f r i c t i o no ns y s t e mi sa n a l y z e db yt h e s i m u l a t i o n s e c o n d l y , o nt h eb a s i so fr e s e a r c ho nt h ei n f l u e n c ef a c t o rt op o s i t i o n i n g p r e c i s i o no ff e e d i n gs y s t e m ，t h er a p i d i t ya n ds t a b i l i t yo fs y s t e mp o s i t i o n i n g i m p r o v e db yi n t e g r a t i n gf u z z yc o n t r o la n dp i dc o n t r o l ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n g f u z z yc o n t r o l l e ri sd e s i g n e d g e t t i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf r i c t i o np o w e ra n d s p e e df r o mt h ee x p e r i m e n t ，t h ec o r r e s p o n d i n gs p e e da n ds t e a d y s t a t ep r e c i s i o no f t h es y s t e ma r ei n c r e a s e dt h r o u g hd o u b l e - f u z z yc o n t r o lm e t h o d f i n a l l y , b a s e do nt h er e s u l t so ft h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n ds i m u l a t i o na n a l y s i s ，a n a cs e r v o a c t u a t e d f e e d i n gs y s t e m a n di t s p o s i t i o nd e t e c t i n gs y s t e m a r e e s t a b l i s h e d h a v ed o n ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nr e s e t t i n ga b i l i t yo ft h es y s t e mb y c h a n g i n gl o a d ，l o c a t i o ni n c r e m e n ta n da c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o nc u r v ea n d o t h e rc o n t r o lp a r a m e t e r s t h er e s e a r c hh a sac e r t a i nt h e o r ya n da p p l i c a t i o nv a l u ef o ri m p r o v i n gt h el e v e l o fh i g h s p e e da n d h i g l lp r e c i s i o nm a c h i n i n ga n de n h a n c i n g t h em a r k e t c o m p e t i t i v e n e s s o fp r o d u c t s a tt h es a m et i m e ，t h ef o u n d a t i o no fs o l v i n g p o s i t i o n i n gp r o b l e mo fh i g hs p e e dm a c h i n e si se s t a b l i s h e d k e y w o r d s ：f e e d i n gs y s t e m ；p o s i t i o n i n gp r e c i s i o n ；s e r v oc o n t r o l 抄 f 哈尔滨f t 稗火学硕十学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 高速机床发展现状及趋势1 1 2 高速机床进给系统的发展状况2 1 3 影响高速机床定位精度因素的国内外研究现状5 1 4 课题研究的目的和意义8 1 5 课题的主要研究内容9 第2 章影响进给系统定位精度主要因素分析1 0 2 1 反向间隙对进给系统定位精度的影响1 0 2 2 刚度对进给系统定位精度的影响1 1 2 3 摩擦对进给系统定位精度的影响1 2 2 4 加减速对进给系统定位精度的影响1 3 2 5 系统增益对进给系统的影响1 4 2 6 本章小结1 5 第3 章伺服进给系统模型的建立与仿真分析1 6 3 1 伺服进给系统力学模型建立1 6 3 2 伺服进给系统仿真模型建立1 9 3 3 反向间隙对进给系统定位精度影响的仿真分析2 2 3 4 系统刚度对进给系统定位精度影响的仿真分析2 4 3 5 摩擦对进给系统定位精度影响的仿真分析2 5 3 6 本章小结2 6 第4 章伺服进给系统智能控制的研究。2 8 4 1 常规p i d 控制。2 8 4 2 模糊控制3 0 4 3 模糊p i d 控制原理3 0 4 4 模糊p i d 控制器的设计3 1 4 4 1p i d 最初参数的确定3 2 4 4 2 模糊控制器的设计。3 3 4 5 进给系统的模糊p i d 控制3 6 k - i 哈尔滨工稃人学硕+ 学位论文 4 6 本章小结3 7 第5 章伺服进给系统试验台试验3 8 5 1 伺服进给控制试验系统的组成3 8 5 2 伺服进给系统的试验方法及电路图。4 1 5 3 伺服进给系统特性试验4 2 5 3 1 位置增益对系统定位精度的影响4 2 5 3 2 加减速曲线对系统定位精度的影响4 5 5 3 3 负载的变化对系统定位精度的影响4 7 5 3 4 摩擦对系统定位精度的影响5 0 5 4 基于智能控制的摩擦补偿5 2 5 5 本章小结5 3 结论5 4 参考文献5 5 附录a 试验台总装配图6 0 附录b 电机架装配图。6 1 附录c 套筒装配图6 2 附录d 支架装配图6 3 致谢6 4 个人简历6 5 - p ，l 哈尔滨t 程大学硕士学何论文 第1 章绪论 现代机械制造业的发展对机械制造装备的进给速度和加工精度提出了越 来越高的要求。对于高速机床而言，不但要求机床具有转速高、刚度大等特点， 而且还要求机床进给系统具有高的进给速度和定位精度，以适应现代化加工 的要求。对于高速机床来说，机床主轴的最高转速、进给速度和定位精度是 机床的重要技术指标。因此，研究影响机床进给系统定位的主要因素，如何 正确、合理地配置系统参数，减小定位误差以实现高速进给的同时又具有较 高的定位精度具有一定的理论和现实意义。 1 1 高速机床发展现状及趋势 集三高即集高速度、高精度、 s p e e dm a c h i n i n g ，h s m ) 的主要特征， 高刚度于一身是现代高速加工( h i g h 不但要求机床有极高的主轴转速，而 且要求有很高的进给速度和加速度。一般来说进给速度大于3 0 m m i n ，加速 度可达到1 9 ( 9 8 m s 2 ) 。随着工业新技术的发展，高速机床加工的各项参数 都向着高速化的方向发展，其高速化发展历程见表1 1 。现今，各国都把高 速加工当作重要的工业发展目标。高速加工领域生产大型多坐标高速加工机 床的公司主要有：日本m a z a k 公司、法国f o r e s t l i n e 公司、美国c i n c i n n a t i 公司、j o b s 公司、德国c h i r o n w e r k e 公司等n 吲。 表1 1 数控机床高速化发展历程 速度特征6 0 年代7 0 年代 8 0 年代9 0 年代 2 1 世纪初 主轴转速 ( r m i n ) 1 0 0 0 。2 0 0 02 0 0 0 - 4 0 0 02 0 0 0 6 0 0 04 0 0 0 - 1 0 0 0 01 0 0 0 0 4 0 0 0 0 进给速度 ( m m i n ) 2 55 - 1 01 0 1 51 5 4 02 0 - 1 2 0 加速度( g ) 0 1 0 20 2 - 0 40 3 0 60 5 1 0 5 - 2 换刀时间( s ) 1 5 3 0 1 0 1 55 1 02 50 6 - 2 在实现高速高精度加工的同时，把原来普通数控机床难以达到的对加工 精度、表面质量、以及生产效率等更高的要求变成了现实，这是继c n c 技术 之后，高速高精度数控加工带给机械制造业的又一次革命性变化。另外，高 速高精度进给系统研究也被国家高科技发展计划( 8 6 3 ) 列为先进制造与自动 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 化技术领域机器人技术主题发展战略中的一项前沿探索性课题。 中国数控机床展览会中( c c m t 2 0 0 6 ) 将主轴转速在1 0 0 0 0 r m i n 一 1 5 0 0 0 r m i n 的机床定位为准高速范围；将主轴转速在1 5 0 0 0 r m i n 以上的机 床定位为高速范围；直线运动重复定位精度( i s 0 2 3 0 - 2 ：1 9 9 7 ) 立式、卧式数 控机床0 0 0 4 m m ，龙门式数控机床4 0 o l o m m 定位为高精度加工中心。宁江 机床集团制造的n j 一5 删c 4 0 五轴联动加工中心为立式结构，其主轴转速达 2 4 0 0 0 r m i n ，直线轴的快移速度达4 0 0 0 0 m m m i n ，该中心采用了框中框结构， 确保机床的高动态刚性，并采用直线光栅尺实现全闭环控制，其中x 轴采用 双光栅尺检测，使机床定位精度为0 0 0 4 m m ，重复定位精度0 0 0 2 m m ，这个高 速、高精度的加工中心广泛适用于叶片、叶轮和复杂曲面零件的高速加工。 自贡长征机床有限责任公司制造的k v c p l 0 5 0 b 1 四坐标精密立式加工中心， 主轴转速达8 0 0 0 r m i n ，x 方向行程1 0 5 0 m m 、y 方向行程5 1 0 m m 、z 方向行程 6 0 0 m m ，定位精度( i s 0 2 3 0 - 2 ：1 9 9 7 ) 为0 0 0 8 m m ，重复定位精度为 ( i s 0 2 3 0 2 ：1 9 9 7 ) 0 0 0 4 m m ，采用半闭环控制，2 n - r 精度为0 0 0 8 m m 。对于 采用滑动导轨、半闭环机床，其重复定位精度达到了线性导轨、全闭环机床 的水平，而且大大降低了高精度机床对使用环境的要求。在我国真正作到高 速、高精度的加工机床和单位只有极少部分，和国外数控机床尚有一定差距。 国外同类高精度数控机床的定位精度重复定位精度( i s 0 2 3 0 - 2 ) 大多为 0 0 0 4 0 0 0 2 m m ，我国研发的机床如要将重复定位精度提高一倍，还需要一定 时期的努力。所以高速高精度加工始终是各研发单位努力和追求的目标“吲。 1 2 高速机床进给系统的发展状况 为了实现材料切削过程的高速化，高速数控机床必须同时具有高速主轴 系统和高速进给系统。为了实现高速进给，除可采用经过改进的滚珠丝杠以 外，还可以采用“直线电机 和“并联虚拟轴机构 等这些新型的高速进给 方式。从结构、性能到总体布局，三者之间都有很大的差别，构成了三种截 然不同的高速进给系统。为保证零件的加工精度、表面质量和刀具的耐用度， 正如高速加工的切削速度是常规切削速度的1 0 倍左右一样，进给速度也必须 相应提高1 0 倍左右，达到6 0 m m i n 以上，甚至高达1 2 0 m m i n 。在滚珠丝杠 驱动方式下其极限值约为进给速度6 0 m m i n 和加速度1 9 ，而使用直线电机后 2 哈尔滨工程大学硕十学位论文 可达到1 6 0 m m i n 和2 5 9 以上，定位精度可高达0 5 - - 0 0 5 岬口吲。 1 直线电机 由德国e x c e l l o 公司于1 9 9 3 年首次开发成功的h s c - 2 4 0 型高速加工中 心，采用德国i n d r a m a t 开发的感应式直线电机，其最高主轴转速为 2 4 0 0 0 r m i n ，工作台最大进给速度达到6 0 m m i n ；意大利v i g o l z o n e 公司生 产的三轴直线电机的高速卧式加工中心，三轴进给速度均可达到7 0 m m i n ， 加速度达到1 9 ；美国i n g e r s o l l 公司采用美国a n o r a d 公司生产的永磁式直 线电机h v m - 8 0 0 型高速加工中心，其迸给速度达7 6 2 m m i n ，进给加速度达 卜1 5 9 ；德国西门子公司研制的直线电机，最大进给速度可达2 0 0 m m i n ，加 速度可达2 5 9 。 最近美国c i n c i n n a t i 机床公司采用直线电机作为进给驱动系统为航空 航天工业成功的开发了s u p e rm a c h 大型高速加工中心，其x 轴的行程长达4 6 m ， 进给速度达6 0 m m i n ，快速行程达l o o m m i n ，加速度2 9 ，主轴最高转速 6 0 0 0 0 r m i n ，主电机功率8 0 k w ，生产效率极高。 速度高、加速度大、定位精度高、承载能力强是采用直线电机驱动进给 系统的显著特点，是实现高速、大行程、高精度机床理想的进给系统，有望 成为2 1 世纪高速数控机床进给系统的基本方式，有良好的应用发展前景。但 同时其成本较高，要求必须有高性能和高灵敏度的伺服驱动系统，中小型企 业很难达到这些条件。同时存在着发热、隔磁、结构轻化等急需解决的问题， 还有待进一步的研究和开发n 。 2 滚珠丝杠进给系统 现在进给系统的主要驱动装置仍是采用交流伺服电机驱动的滚珠丝杠系 统，其进给速度可达4 0 6 0 m m i n ，加速度可以达到1 9 ，定位精度可达2 0 5 0 岬。 日本已经研制出实现超高速、高刚度以及高承载能力的滚珠丝杠，其进给速 度高达l o o m m i n 。与直线电机相比，高速化的滚珠丝杠传动能够大幅度降 低生产成本。由于担心大导程滚珠丝杠副驱动对加工中心精度的影响，以往 在设计时取导程p h $ 1 0 m m ，随着科学技术的进步，在1 9 9 9 年日本国际机床展 览会上展示的大部分高速加工中心都使用大导程滚珠丝杠副。如日本马扎克 公司研制的f f 6 6 0 机床上所使用的滚珠丝杠副，机床进给速度可达9 0 m m i n ， 加速度达1 5 9 。可见采取如1 6 3 2 m m 大导程、加强滚珠循环部分零件、多头 3 l 、 哈尔滨：i ：程人学硕+ 学位论文 螺纹以增加有效圈数、改进滚道形状等有效的改进措施，可以提高滚珠丝杠 副的驱动速度。高速机床采用滚珠丝杠运动特性指标的发展历程如表1 2 所 示1 2 啪1 。 表1 2 滚珠丝杠高速化的发展历程 一般进给速度最大进给速度将来发展目标 应用范围 ( m m i n )( m m in )( m m in ) 综合加工中心 3 0 4 06 08 0 1 0 0 自动化及半自动机床 6 0 8 01 2 01 5 0 2 0 0 滚珠丝杠还是目前高速加工机床的主要进给系统，所以工程师们所研究 的主要问题仍然是对于高速状态下提高精度的滚珠丝杠进给系统的研究。而 在进给系统的传动过程中，影响伺服系统定位精度、跟踪精度动态性能提高 的主要问题就是各部件之间存在的间隙、摩擦和弹性变形对机械伺服系统造 成的不良影响。因此，近年来许多科学工作者都愈来愈关注和致力于研究间 隙、摩擦和弹性变形( 刚度) 等因素对进给伺服系统动态特性的影响，同时采 取各种有效的方法减少、抑制或消除这些不利因素的影响n 8 1 。 3 并联虚拟轴机构 并联虚拟轴机构是近年来出现的一种全新概念的机床进给机构。1 9 6 4 年 英国人s t e w a r d 设计并获得专利的六杆结构是其基本原理建立的基础( 称之 为s t e w a r d 平台) 。我们把具有这种进给机构的机床称之为“并联运动学机床 ( p a r a l l e lk i n e m a t i cm a c h i n e ，p k m ) 。1 9 9 4 年在芝加哥国际机床博览会上， 由美国g i d d i n g s & l e w i s 公司和英国g e o d e t i c 公司首次展出的由这种机构实 现多坐标进给运动的数控机床和加工中心被认为是机床结构的重大革命，引 起国际机床界的轰动。近1 0 年来，这种机床在国内外发展较快，并已应用于 生产。 这种虚拟轴机构作为机床实现高速进给的一个很有发前途的进给驱动部 件，受到国内外相关研究者和研发部门的普遍关注，但由于该机构在研发应 用的过程中存在的问题比较多，解决起来也比较困难。因此，虚拟轴机床要 被相关领域接受和应用生产尚需时日n h 。 4 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 1 3 影响高速机床定位精度因素的国内外研究现状 随着科学技术的发展，制造技术的进步和产品质量和品种多样化的要求 日益提高，人们对高速机床提出了更高的要求。但是由于机床零件的加工精 度已达到较高的水平，想通过提高机械本体的精度来进一步提高系统的精度 已变得非常困难。与此同时，随着电子技术的进步，特别是伴随着计算机运 算速度的提高，先进的控制算法可以在实际中应用，从而实现控制器的补偿 实时调整系统的参数，可以提高整个系统的性能。因此，研发高速机床进给 伺服系统的控制方法是研究高速机床的关键，也是提高数控设备综合性能的 有效途径。 机械稳定性( 振动) 堡垫墨竺堡苎 堕堕竭 二型口 二堑圈 百丽西磊i r 兰兰竺竺兰兰 堕塑圈 翌嗟 i 蔽爵函i 函 信号处理 伺服拖动 各种保护 专家系统 位置控制 插补类 预补类 图1 1 机床加工精度的影响因素 数控机床的加工精度取决于机械( 结构误差、热变形、刚度等) 和电气( 控 制和跟踪等) 两方面的影响，影响因素如图1 1 所示。数控系统的定位精度是 衡量数控机床性能的一项重要指标，直接影响到数控机床的加工精度。在高 5 一一一一一一一 一一一一一一一 哈尔滨一r ：程大学硕十学何论文 速加工日益成为主流的今天，伺服系统的定位响应速度也逐渐成为一项十分 重要的性能指标。然而，在大多数情况下，快速性与准确性是矛盾的，需要 折衷处理。伺服进给系统的定位精度是其控制系统的一项重要技术指标呦。2 4 1 。 对于开环和半闭环数控机床来说，其定位精度主要取决于丝杠精度，因 此，数控机床常使用高精度的滚珠丝杠。但是，丝杠总是存在制造误差，加 之长期使用会磨损造成间隙误差。因此，进一步提高机床定位精度的常用方 法之一是对滚珠丝杠的螺距误差进行补偿。山东大学的宋现春、林明星等在 激光反馈螺纹磨床补偿系统中提出了一种误差输入前馈补偿控制方法1 。他 们认为当机床反向运行时，工作台降速和加速过程中，机械传动系统受力方向 改变，受力变形相反，因而会产生微量的传动间隙。因此反向时机床c n c 会指 令伺服系统增加反向移动量来消除间隙，移动量值设定在参数表中，这就是反 向间隙补偿。k a o j y ，c h e n g h e 等认为间隙影响了系统的运动精确性，使 系统产生了静动态轮廓加工误差挣2 7 1 。 进给系统是典型的机电一体化系统，是机床的主要子系统，影响机床的 整体性能在制造成品的精度方面起着重要作用。然而，工作台系统存在的非 线性因素，特别是摩擦使得应用经典p i d 控制策略的系统达不到精度要求， 表现在低速运动中出现稳态误差，爬行现象等，所以摩擦补偿控制技术成为 研究的热点领域。目前，摩擦补偿主要有两类方法：一种是基于模型的摩擦 补偿，另一种是独立于模型的摩擦补偿。对基于模型的补偿来说，在实施补 偿时，如果摩擦模型的参数是离线整定的，这种补偿就是固定补偿( f i x e d c o m p e n s a t i o n ) ；如果摩擦模型的参数是通过在线辨识得到的，这种补偿就是 自适应补偿( a d a p t i v ec o m p e n s a t i o n ) 。在摩擦参数的辩识方面，文献啪啪1 研究了“c o u l o m b 摩擦+ 静摩擦 模型参数的辩识方法，对于全摩擦模型( 包 括静摩擦、c o u l o m b 摩擦、粘滞摩擦以及增加的静摩擦力和摩擦记忆) 参数的 辩识，目前处于起步阶段，仍有很多问题有待于研究。 随着科学技术的发展制造技术的进步，产品质量和品种多样化的要求日 益提高，人们对数控提出了更高的要求。但是由于机床零件的加工制造精度 已达到较高的水平，想通过提高本体的精度来进一步提高系统的精度变得非 常困难。与此同时，随着电子技术的进步，特别是计算机运算速度的提高， 使得先进的控制算法可以在实际中应用，即通过实现控制器的补偿实时调整 6 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 系统的参数，以提高整个系统的性能。因此，研究高速度高精度数控系统的 关键问题是研发高速高精度数控进给伺服系统的控制方法，也是提高数控机 床综合性能的有效途径。 数控机床的定位精度、跟踪精度、最高运动速度等重要指标均与驱动及 位置控制系统的动态与静态性能密不可分。因此，研究与开发高性能的驱动 系统及位置控制系统一直是研究数控机床的关键技术之一。目前，针对各种 现代控制和智能控制策略的研究国内外已经取得了一些成果，生产出的与各 种控制策略相配合的硬件控制器在伺服控制过程中发挥着重要作用。有些学 者将预测控制的思想舢、滑模变结构控制思想2 。3 3 1 、矩阵变换泓1 、神经网 络控制口淌3 、前馈补偿口7 1 等应用于交流位置伺服系统并取得了一定进展。但 是，这些算法与实际应用尚有较大差距，主要表现在： ( 1 ) 受算法计算量等限制，难以满足控制的实时性要求； ( 2 ) 控制理论在参数设计及稳定性分析等方面不完善； ( 3 ) 建模误差对控制品质的限制。 上海交通大学生产系统与控制技术研究所的蒋锐权、吴祖育侧基于神经 元的自学习特性，提出了适用于数控机床位置伺服控制的神经元控制器。算法 的显著特点是不需要系统建模，而且运算简单，但在设计过程中过分依赖参 数。 模糊控制理论是智能控制领域中非常有发展前途的一个分支，其实质是 将基于专家知识的控制策略转换为自动控制的策略，它所依据的原理是模糊 隐含概念和复合推理规则。将其应用于伺服系统控制中，不要求预知精确的 数学模型和系统参数，且能针对系统的非线性等不确定因素有很好的控制效 果耻4 叫。 合肥工业大学葛锁良h 嵋在交流伺服系统的设计中，采用模糊控制器作为 其位置调节器，采用电流快速跟踪控制方案设计电流调节器，对于速度调节 器按i i 型系统设计，并选用p i 型调节器，极大地提高了系统的性能。浙江大 学王瑞明，蒋静坪h 2 1 为提流伺高交服驱动系统控制性能结合模糊逻辑和神经 网络各自的优点，设计了一种在线自适应模糊神经网络控制的交流伺服系统 将系统受控对象输入和跟踪误差作为模糊神经网络控制器的输入。 美国的p a t r i c i am e l i n 与o s c a rc a s t i l l o 在文献h 3 1 中提出将模糊控制 7 哈尔滨t 程大学硕七学位论文 应用到步进电机的调速系统中，采用模糊与神经网络相结合的方法州f i s ( a d a p t i v en e u r o f u z z yi n f e r e n c es y s t e m ) 建立s u g e n o 型模糊模型。将此 方法用到机床的闭环控制系统中，仿真试验表明采用此种控制方法能取得很 好的控制效果。 美国哥伦比亚俄亥俄州大学的k r i s h n a s w a m ys r i n i v a s a n 在文献m 3 中提 出采用两个鲁棒自适应控制器对高速机床进行误差补偿。一种将鲁棒控制用 于建立由摩擦引起的误差模型另一个与模糊控制相结合建立了 t a k a g i s u g e n o 模糊控制系统，并通过实验与仿真验证了系统的稳定性。 1 4 课题研究的目的和意义 现代的数控机床将高效率、高精度和高柔性等优点集中于一体。而数控 机床技术水平的提高必须首先依赖于进给和主轴驱动特性的改善及其功能的 扩大。因此，数控机床对伺服进给系统的速度控制、位置控制、机械传动、 伺服电动机等方面都有很高的要求。所以，研究与开发性能优良的伺服进给系 统是现代数控机床的关键技术之一。 数控机床上对零件实现高精度加工和检测的关键是提高机床的定位精 度，减小定位误差。数控系统的定位误差是由多方面因素造成的。首先，滚 珠丝杠导程累计误差是影响系统位置精度的主要因素，此误差沿系统轴向全 程分布且随位移非线性变化，不考虑温度变化的影响，具有相对稳定性。其 次，结构部件的位置和尺寸误差及传动部件的间隙是造成定位误差的不可忽 视的原因。另外，传动与运动部件具有一定的弹性，完全刚性的物质是理想 化的，因此，在外力作用下部件发生的弹性形变也会产生定位误差。在数控 机床的位置控制中摩擦也是引起高速进给机构轮廓运动误差的主要因素之 一。 近年来，对加工精度的要求越来越高，单靠提高机床机械定位精度来提 高加工精度的难度越来越大，因此，需要采用先进的控制算法来提高机床的 加工精度：通过对机床加工过程的误差源分析实时地计算出加工点的空间位 置误差，将该误差量反馈到机床的控制系统中，通过改变坐标驱动量来实现 误差修正，从而提高机床的加工精度。由此可见，分析影响定位精度的因素 和采用先进的控制方法对于提高机床定位精度和进给速度具有重大的意义。 8 哈尔滨：i ：程人学硕+ 学位论文 1 5 课题的主要研究内容 本论文以分析影响高速机床定位精度主要因素为着眼点，围绕其传动系 统和控制方法，主要进行以下三方面工作： ( 1 ) 针对影响进给系统定位的主要因素进行分析；建立伺服进给系统数 学模型，并通过仿真进一步分析反向间隙、系统刚度及摩擦对系统定位精度 的影响。 ( 2 ) 采用模糊p i d 控制改进系统定位的快速性和稳定性，并设计相应的 模糊控制器。通过仿真分析证明模糊控制的响应特性。 ( 3 ) 设计并建立伺服进给系统试验台及其位置检测系统。对影响系统定 位精度的主要因素及相关参数进行试验研究，并将采用双模糊控制方法补偿 摩擦对系统定位精度的影响。 9 哈尔滨t 程大学硕士学付论文 第2 章影响进给系统定位精度主要因素分析 随着高速加工机床的迅速发展，实现高速加工的主要条件之一是进给系 统技术水平的提高。定位精度对数控机床的加工质量有着举足轻重的影响， 且与多个因素有关，如：机械制造误差、丝杠螺距误差、系统刚度、工作台 惯性力的大小、工作台与导轨之间的摩擦情况、控制系统( 控制性能、响应 特性等) 、系统的第一谐振频率等。随着工作进给速度的提高，整个系统遇到 的如间隙、刚度与摩擦等问题，对系统的定位精度影响尤为显著h 5 1 。 2 1 反向间隙对进给系统定位精度的影响 在加工过程中，进给系统的传动链中存在着一定间隙，这就是反向间隙， 这时随着机构的运动方向发生改变，机构会出现一定的空行程，机构处于停 滞状态或失控状态。反向间隙包括静态间隙和动态间隙m 1 。 静态间隙是指机构处于静态力作用时，机构的运动副接触面之间存在一 定的间隙。动态间隙是指机构在运动过程中，由于驱动力的作用，机构的运 动副发生变形而出现的间隙。图2 1 是静态间隙和动态间隙发生的示意图，1 和2 分别代表运动副的两个相对运动部件，6 为间隙。在图2 1 ( b ) 中，当机 构处于相对静止时，由于预紧力的存在是没有间隙的，当部件l 和2 分别作 箭头所示的运动时，所受外力大于预紧力时，将在机构的运动副之间出现间 隙6 ，如果部件1 和2 的运动方向发生改变，可能在运动副中发生碰撞现象。 ( a ) 静态间隙 ( b ) 动态间隙 图2 1反向间隙结构原理 1 0 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 在滚珠丝杠传动的进给机构中，可能出现反向间隙的环节有丝杠副( 螺母 和丝杠之间) 和丝杠支撑轴承。静态间隙的消除通常采用预紧法，即在运动副 的接触面上施加预紧力，使得在运动过程中机构的运动副始终保持接触状态， 达到消除静态间隙的目的。当机构的运动副处于动态间隙状态时，机构输出 部分的运动是失控的，在反向时表现更明显。因此，间隙的存在将影响对机 构运动的控制精度。因此对于高速高精度机床的进给机构，必须采取措施消 除反向间隙。 2 2 刚度对进给系统定位精度的影响 在伺服传动系统中的各种传动件，比如轴、轴承、支架、齿轮、丝杠螺 母等，在负载作用下都会产生压、拉、扭、弯等弹性变形，从而使传动中产 生失动现象。失动是用来表示命令位置没有达到的情况，造成失动的主要因 素是间隙和弹性变形，失动量的大小在开环系统中直接影响到控制精度。在 闭环系统中，过大的失动会引起系统的不稳定。为减小失动量，每一个构件 以及它们的接触面都应具有足够的刚度，它们对固有频率和定位精度等均有 较大的影响，所以它们也是伺服系统静态设计必不可少的组成部分。在高速 进给过程中由于速度、加速度都比较大，系统在传递驱动力过程中，因为传 动系统各部分刚度不同，所以将使一些刚度相对较小的部件发生弹性变形。 进给系统的刚度主要包括两部分：一部分是机械系统的机械刚度，另一部分 是伺服系统的伺服刚度。 机械刚度反映了机械元件抵抗变形的能力，即指机床弹性体产生单位变 形量时所需要的作用力。如果这个作用力是静态力，则我们把该力和变形关 系所决定的刚度，称为静刚度。如果这个作用力是交变力，则该力和变形关 系所决定的刚度，我们称之为动刚度。可用下列公式表示机械刚度的定义： k r = 惫( 2 - 1 ) 式中：e 作用力，n 缸变形量，m 在伺服系统中，假定位置偏差检测器输出为零，在负载力的作用下，伺 服电动机就会停止在某个位置。如在电动机上施加一个与原来负载力方向相 哈尔滨t ：程大学硕十学位论文 反的附加力时，伺服电动机的停止位置将随之发生变化。如果取消施加的附 加力，系统又恢复到原来的停止位置。通常我们将伺服系统具有弹簧那样的 刚性特性称为伺服刚度。伺服刚度s 可用式( 2 - 2 ) 表示。 瓯一石f ( 2 - 2 ) 式中：f 负载力，n 缸位置偏差，m 伺服刚度和结构刚度是两个不同的概念，它是衡量伺服系统抵抗负载干 扰、消除位置偏差的一种能力。 同机械刚度一样，伺服刚度也有动刚度和静刚度之分。f 为静力( 恒定 的外负载力) 时，伺服刚度为伺服静刚度，显然，当外负载不变时，伺服刚度 越大，则伺服静刚度误差越小。f 为交变力时，伺服刚度为伺服动刚度。动 刚度的大小随时间而变，与外负载交变频率有关。 在实际工作中驱动装置会存在着一定变形，这些变形包括各构件本身的 弹性变形、各构件的塑性变形以及各构件之间的接触形变，这些变形是影响 高速高精度加工定位精度的重要因素。 2 3 摩擦对进给系统定位精度的影响 随着高新技术的不断应用与发展，人们对数控技术的要求越来越高，如 要求数控系统能保证精确的轨迹跟踪( 包括低速跟踪和高速跟踪) 、精密定位、 滑速度反转等，以获得更高的加工精度。而机床进给和加工系统中普遍存在 的非线性摩擦等问题一直困扰着众多的机械和自动控制界的学者。机床爬行 就是由非线性摩擦引起的一种现象，是由摩擦力特性引起的一种自激振动， 其表现为精密数控机床的工作台、溜板等移动部件，在作低速( 微小进给量) 进给运动时，虽然主动件作匀速运动，但从动件却常常出现走走停停或时快 时慢的现象，这将严重影响机床的定位精度以及被! j n - r _ 零件的加工精度、表 面粗糙度，甚至不能进行正常的工作。这种摩擦不仅会使系统产生爬行( 粘一 滑) 和振荡，还会导致系统产生稳态跟踪误差。非线性摩擦是引起高速、高精 度数控进给伺服机构轮廓运动误差的主要因素之一，这在机器人、c n c 机床 的位置控制中的影响尤显严重。 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 摩擦( 通常指外摩擦) 是两个相互接触的固体在外载荷作用下所形成的真 实接触区内作相对切向移动时所发生的能量散逸过程h 。根据移动方式的不 同，摩擦可分为滑动摩擦和滚动摩擦。在滚珠丝杠传动的进给机构中，通常 工作台和导轨之间是滑动摩擦。进给机构传动链中的相对运动均是由滚珠在 滚道中的滚动来传递的( 丝杠副以及丝杠两端的支撑轴承的转动) 。 摩擦力的大小主要与工作台的相对速度、接触面的润滑状况和负载大小 等有关，普遍存在于定位控制、低速和速度变向的伺服运动控制系统中，而 且可能随着工作台的位置和时间随机变化。摩擦环节给系统的定位精度和加 工性能带来了不良影响：静摩擦或s t r i b e c k 负斜率效应的存在不仅会使系统 产生爬行现象或低速运行的跳动，还会导致系统产生稳态跟踪误差，不能保 证系统的平稳运行。 2 4 加减速对进给系统定位精度的影响 ( 1 ) 工作台受较大加速度时摩擦引起的定位误差 一般来说，工作台的弹性变形相对较小，与驱动装置的弹性变形相比较 可以忽略不