（控制理论与控制工程专业论文）数控机床进给系统的Hlt∞gt鲁棒速度控制器设计.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 数控机床的出现为较好地解决复杂、小批量、精密、多变的零件加工问题，提供了 一种有效的自动化加工手段。目前，数控机床伺服迸给系统普遍采用p i d 控制方法，其 优点是算法简便、易于实现，但存在鲁棒稳定性问题。如何提高系统鲁棒性是伺服进给 系统的控制中一个重要课题。战控制作为一种鲁棒性设计方法，它能弥补现代控制理论 对数学模型的过分依赖，在设计过程中既考虑了对象模型不确定性，又兼顾了系统的瞬 态性能及抗扰性能，并能将系统的鲁棒稳定性和系统性能要求转化为比范数意义下的 最优问题或h 。标准问题。 半个世纪以来，数控机床进给系统主要采用“旋转电机+ 滚珠丝杠”的传动方式， 但中间传动环节的存在使得传动系统刚度降低、鲁棒性变差，并使系统的响应速度、位 移响应都变慢，严重地限制了切削速度和加工精度的提高，革除中间传动与变换环节势 在必行。这就使得一种崭新的迸给传动方式直线伺服电机驱动系统应运而生。 本文根据高速数控机床进给运动的具体要求，对数控机床进给系统中存在的不确定 性进行了分析，以永磁直线同步电机( p m l s m ) 为被控对象，重点研究了系统的鲁棒性能。 在p m l s m 速度伺服系统中，为保证对干扰有良好的动态抑制作用且无静态扰动误差， 同时使系统具有鲁棒稳定性，本文提出了采用h 。鲁捧控制器设计中的加权混合灵敏度 的鲁棒性设计方法，通过求解标准k 控制问题设计了具有强鲁棒性的速度控制器：为 了改善速度控制系统的抗扰性能，本文还提出了采用h 。负载扰动观测器的鲁棒控制方 案，该观测器可以自动保证观测结构的鲁棒稳定性，并将估计结果反馈回来抵消实际的 负载扰动，以达到减小扰动灵敏度的目的。仿真结果表明，本文提出的控制箢略具有鲁 棒性强、响应灵敏、波动小及运行稳定的优点，该控制器对模型参数摄动具有良好的静 动态特性和较强的鲁棒性，对负载扰动亦有很强的抑制能力，满足了精密加工要求。 关键词：永磁直线同步电机，数控机床，鲁棒控制，加权混合灵敏度，扰动观测器 数控机床进给系统的叱鲁棒速度控制器设计 h 。r o b u s tv e l o c i t yc o n t r o l l e rd e s i g no f n u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o l i nt h ef e e d i n gs y s t e m a b s t r a c t t h ea p p e a ro f n u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o lp r o v i d e sak i n do f e f f e c t i v ea u t o m a t i z a t i o n p r o c e s s i n gm e a n sf o rp r e f e r a b l ys o l v i n gc o m p l e x ，s m a l lb a t c h ，p r e c i s i o na n dv a r i a t i o n a lp a r t p r o c e s sp r o b l e m a tp r e s e n t ，n u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o ls e r v of e e d i n gs y s t e mg e n e r a l l y a d o p t sp i dc o n t r o lm e t h o d ，i t ss a - o n g p o i n ti ss i m p l ea r i t h m e t i ca n de a s yt oa c h i e v e ，b u tt h e r e e x i s t sr o b u s ts t a b i l i t yp r o b l e m h o we n h r n c er o b u s t n e s so f s y s t e mi si m p o r t a n tt a s ki nc o n t r o l o f $ e l - v of e e d i n gs y s t e m i - lc o n t r o la sr o b u s t n e s sd e s i g nm e t h o dc a no f f s e tt h a tm o d e m c o n t r o lt h e o r yd e p e n d so nm a t hm o d e l ，a n di nd e s i g np r o c e s sa sw e l lc o n s i d e r si n c e r t i t u d eo f p l a nm o d e la si n s t a n t a n e o u sp e r f o r m a n c ea n dd i s t u r b a n c ec h a r a c t e r i s t i co fs y s t e m ，a n dc a l l t r a n s l a t e sr o b u s ts t a b i l i t ya n dp e r f o r m a n c er e q u e s to fs y s t e mi n t oi - lo p t i m i z a t i o np r o b l e m a n ds t a n d a r dp r o b l e m t h em o d ed r i v eo f “r o t a t i o nm o t o r + b a l l - s c r e w a r em o s t l ya d o p t e di nn u m e r i c a lc o n t r o l m a c h i n et o o li nt h ef e e d i n gs y s t e mi nr e s e n th a l fc e n t u r y ，b u tt h ee x i s t e n c eo fm i d d l ed r i v e t a c h em a k e st h ed r i v es y s t e mh a v el o ws t i f f n e s s ，b a dr o b u s t n e s s ，a n da l s om a k e st h es y s t e m h a v es l o wr e s p o n s ev e l o c i t ya n dd i s p l a c e m e n tr e s p o n s e t h ei m p r o v e m to fc u t t i n gv e l o c i t y a n dp r o c e s s i n gp r e c i s i o na r es e r i o u s l yr e s t r i c t e d ，t h em i d d l ed r i v ea n dt r a n s f o r mt a c h em u s t b ea v o i d e d i tb r i n g sak i n do fn e w n e s s f e e d i n gd r i v em o d e ，w h i c hn a m e dl i n e a rs e l v om o t o r d r i v es y s t e m a c c o r d i n gt ot h ed e t a i l e dr e q u i r e m e n t si nh i 曲s p e e dm a c h i n et o o lf e e d i n gm o t i o n ， u n c e r t a i n t i e so fn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o la r ea n a l y s e di nt h i s p a p e r t w oa s p e c t s m a t t e r so fp m l s ms e r v os y s t e mh a v eb e e nr e s e a r c h e di nt h i st h e s i s i np m l s m v e l o c i t y s e r v os y s t e m i no r d e rt og n s u r et h es y s t e mh a v ew e l ld y n a m i cr e j e c t i o nf o rd i s t u r b a n c ea n d h a v en os t a t i cd i s t u r b a n c ee r r o r , a n da l s om a k et h es y s t e mh a v er o b u s ts t a b i l i t y t h e r o b u s t n e s sd e s i g nm e t h o do fa d o p p t i n gw e i g h t i n gm i x e ds e n s i t i v eo fh 。r o b u s tc o n t r o l l e r d e s i g ni sp r o p o s e di nt h i sp a p e r , a tt h es a m et i m ev e l o c i t yc o n r o l l l e rw i t hs t r o n gr o b u s t n e s si s d e s i g n e dt h r o u g hs o l v i n gs t a n d a r di - lc o n t r o lp r o b l e ma n dc o n t r o ls c h e m eo fa d o p i n gi - l 沈阳工业大学硕十学位论文 l o a dd i s t u r b a n c eo b s e r v e ri s p r o p o s e di no r d e rt oa c h i e v ea i mo fr e d u c i n gd i s t u r b a n c e s e n s i v i v e t h i so b s e r v e rc a na u t o m a t i c a l l ya s s u r er o b u s ts t a b i l i t yo fo b s e r v a t i o ns t r u c t u r e t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o wt h a tt h i sc o n t r o l s t r a t e g yh a st h ea d v a n t a g e so fs t r o n g r o b u s t n e s s ，s e n s i t i v er e s p o n s e s m a l lu n d u l a t i o na n ds t a b i l i z e dm n t h i sc o n t r o l l e rh a sg o o d d y n a m i ca n ds t a t i cc h a r a c t e r i s t i c sa n ds t r o n gr o b u s t n e s sf o rt h em o d e lp a r a m e t e ru n c e r t a i n t i e s ， a n da l s oh a s s t r o n gr e s t r a i n - a b i l i t yf o rt h el o a du n c e r t a i n t i e s ，i ts a t i s f i e sp r e c i s i o np r o c e s s i n g r e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：p m l s m ，n u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et o o l ，l kr o b u s tc o n t r o l ，w e i g h t i n g m i x e ds e n s i t i v i t y ，d i s t u r b a n c eo b s e r v e r 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：童拉导师签名：社日期：业 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 当今世界上一切制成品无一不是直接或间接由机床所制造的机器或工具器械所制 造的，因此机床又被称为工作母机，其现代化程度直接关联着制造业的现代化程度，而 机床的现代化程度又集中体现在数控机床上，数控机床是工厂自动化的基础，是现代制 造技术的基础，是提高产品质量、提高劳动生产率必不可少的物质手段，它的广泛使用 给机械制造业的生产方式、产业结构、管理方式带来了深刻变化，它的关联效益和辐射 能力更是难以估计；数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，现代 的c a d ，c a m 、f m s 、c i m s 等都是建立在数控技术之上：数控技术是国际技术和商业 贸易的重要构成，工业发达国家把数控机床视为具有高技术附加值、高利润的重要出口 产品，与之相关的世界贸易额逐年增加【1 2 1 。因此，数控技术是关系到国家战略地位和体 现国家综合国力水平的重要基础性技术，其水平高低是衡量一个国家制造业现代化程度 的核心标志。有专家预言：二十一世纪机械制造业的竞争，其实质就是数控技术的竞争。 1 1 课题研究的背景 随着生产和科学技术的发展，机械产品日趋精密、复杂和改型频繁，单件和小批量 产品占到7 0 以上。而且当产品改型时机床与工艺装备均作较大的变换和调整，这就要 求机床具有较强的适应产品变化的能力，数控机床应运而生，并且很快地得到广泛应用。 随着计算机自动控制技术的深入应用，在机械制造中普通机械逐渐被高效率、高精 度、高自动化的数控机械所替代，使得在世界范围内，机械制造业正在发生着显著的， 甚至是根本性的变化。数控技术是集传统的机械制造、计算机、现代控制、传感检测， 信息处理、光机电技术于一体，是现代机械制造技术的基础，因此数控技术的水平和普 及程度已经成为衡量个国家综合国力和工业现代化水平的重要标志1 3 棚。数字控制的 对象是多种多样的，但数控机床是最早应用数控技术的控制对象，也是最典型的数控化 设备。数控机床经过几十年的不断实践与发展，在数控编程中所使用的输入代码、准备 功能和辅助功能的代码以及程序格式等方面逐步趋向统一，并已制定出一系列的标准， 这对数控机床的设计、制造、维修、使用以及推广都带来了便利1 6 , 7 1 数控机床进给系统的h 。鲁棒速度控常幡设计 目前，在数控机床上所采用的直线伺服系统，由于消除了由机械运动变换机构所带 来的一系列影响，因而极大地提高了进给系统的快速反应能力和运动精度，所以。近年 来在高档数控机床进给驱动中得到了广泛应用【羽。早在1 9 世纪末与2 0 世纪初就有人从 事直线电机的研究。当时研究直线电机有两个目的，其一想用它来推动织布机上的梭子， 其二想用它作为推动列车的动力，但均未获得成功。在以后很长一段时间内，虽有少量 的研究成果，但都未进入实用阶段。直至5 0 年代中期，随着核动力的发展，需要抽吸 钠钾混合物之类液态金属，于是就产生了作为电磁泵的直线电动机。6 0 年代以来，随着 超高速运输系统的需要，直线电机在这方面的应用受到了极大的重视，许多国家开展了 对直线电机的专题研究，于是直线电机的理论和应用均获得了迅速的发展【9 1 。 直线伺服控制系统的目的就是使被控对象按照预期的目标运行。大部分的控制系统 都是基于反馈原理来进行设计的。在实际控制问题中，由于不确定性的普遍存在，因此 必须考虑不确定性给控制系统带来的影响。这种不确定性可能来自所描述的被控对象的 模型化误差，也可能来自外界扰动的多样性。早期的控制理论例如l q r ( l i n e a rq u a d r a t i c r e g u l a t o r ) 和l q g ( l i n e a rq u a d r a t i cg a u s s i a n ) 等尽管对解决工业大系统的控制问题非常 有效，但是由此设计的控制系统还是不能很好地处理模型不确定性和扰动不确定性的问 题f 1 0 1 。8 0 年代以后，反馈控制理论获得了惊人的发展，已经变得更加严密，更加符合 实际。特别是关于控制系统的鲁棒性研究引起了高度的重视，由此建立起来的鲁棒控制 理论为处理不确定性因素提供了有效的手段。鲁棒控制理论以基于使用状态空间模型的 频率设计方法为主要特征，提出了从根本上解决控制对象模型不确定性和外界扰动不确 定性问题的有效方法，不仅能够用于单输入单输出反馈控制系统的鲁棒性分析和设计， 而且许多实践表明，它可成功地应用到多输入多输出的场合，并能设计出性能更优、鲁 棒性更好的反馈系统i 。 1 2 课题研究的目的、意义及国内外发展动态 1 2 1 课题研究的目的、意义 在机械加工中，数控机床的加工精度最终是由机床上刀具与工件之间的相对位移误 差决定的，在切削过程中，切屑产生了弹性变形及塑性变形，所以就有了弹性变形力和 塑性变形力垂直地作用在前刀面上，同时加工表面也产生了变形，在切深方向的力( 又 一2 沈阳工业大学硕士学位论文 叫吃刀抗力) ，它是车刀离开工件，而车刀的反作用力则使工件变形，由于此力作用在 工件刚度最弱的方向上，容易引起振动及加工误差，所以，此力的大小对加工工件的质 量影响较大，特别是对于轴类零件的加工，工件轴线容易产生弯曲现象，降低了加工质 量【u 】。由此可知，在数控机床中，切削力是十分重要的，它是设计和分析工件变形、工 件刚度不可缺少的数据。切削深度与进给量愈大，则切削力就愈大【1 3 l 。 对数控机床进给系统而言，能够引起工件变形而产生加工误差的切削力是负载扰 动，它主要是通过动子对系统的速度响应产生影响，可造成电机运动速度的波动，从而 导致系统伺服性能下降。因为它的存在将影响进给系统的快速响应特性，从而进一步影 响数控机床的被加工工件的最后尺寸精度、轮廓精度及加工精度，进而将使伺服系统性 能变坏，难以满足高精度微进给的要求。因此，必须采取有效的控制策略予以抵制。 同时，我们也清楚地看到，在数控机床上进给系统采用直线伺服电动机实现直接驱 动，虽然获得了重大好处，但也存在一些困难和问题。采用宣线驱动之后，系统的参数 摄动、端部效应、负载扰动等诸多不确定性因素的影响将直接反映到直线电动机的运动 控制中，而没有任何中间的缓冲过程，因此增加了控制上的困难 1 4 , 1 5 | 。同时，由于直线 电动机进给单元没有任何的中问环节，不可能采用所谓的半闭环控制方式，只能采用全 闭环控制，所以系统的任何变化包括电动机的端部效应、切削力的变化。对伺服系统来 说都是一个外界干扰1 1 6 ”j 。由于没有减速机构的缓冲作用而直接作用到伺服电动机上， 进而影响到控制器，如果调节不好，就会降低伺服系统的性能指标，甚至导致系统的不 稳定。所以要设计出具有强鲁棒性的伺服控制器，以尽快消除内部参数摄动和外界扰动 的影响，显然，这就增加了设计控制器的复杂性和难度。因此，为确保提高机床加工精 度，并使高性能数控机床驱动系统具有更高的精度和更好的控制性能，就需要为永磁直 线伺服电动机提出更高品质的控制方法和设计更高精度的控制策略。因此，永磁直线伺 服电机实现有效的鲁棒控制，对提高直线伺服系统的快速性和精度是至关重要的，因此 需要进行深入细致的研究，这就是本课题研究的目的。 直线伺服电机控制系统，严格来说是一个非线性系统，并不断受到来自外部扰动和 自身参数变化摄动的影响，在实际运行中存在着诸多影响伺服系统性能的不确定性因 素，因此，本课题的研究站在更高层次上。进一步深入认识这一被控对象，采用新理论 数控机床进给系统的h q l 鲁 搴速度控锚器设计 和新方法，并与直线交流伺服系统的动态过程相结合，建立了更为缜密适用的数学模型。 本文在研究直线电机结构、数学模型及控制系统建造的基础上，着重研究了现代控制策 略在直线电机伺服系统中的应用，从而考虑更多的摄动与扰动等不确定因素对进给运动 的影响。并力图将以上控制策略应用于实际控制系统之中在数控机床上付诸应用，进 而能真正提高系统的控制性能。 发展任何一种控制理论的最终目的都是为了实际运用。随着鲁棒控制理论向着工程 应用方面的发展，利用它来控制先进制造工业过程中广泛存在的时滞问题引起了控制界 的关注，时滞系统的鲁棒控制成为新的研究热点【1 8 9 1 。同时，关于鲁棒控制理论应用于 数控机床领域的研究也是极具有挑战性的课题，可以说，这项研究必将完善和提高我国 交流伺服系统理论，将能有助于开发出精度更高、伺服性能更好的直线交流伺服系统， 有助于提高我国高精度数控机床的制造水平，推动数控技术的发展，其社会效益和经济 效益都将是显著的，这就是本课题研究的意义。 1 2 2 国内外发展动态 由于微电子技术和计算机技术的不断发展，数控机床的数控系统也随着不断更新， 发展非常迅速。从1 9 4 9 年美国帕森公司首先提出机床数字控制的概念到1 9 5 2 年美国麻 省理工学院研制出电子管和继电器的机床数控装置，标志着第一代数控系统的诞生。随 后经历了晶体管、集成电路、小型计算机到微型计算机数控系统的发展，目前硬件数控 系统己被计算机数控系统所代替，计算机数控系统( c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 简称 c n c ，c n c 系统是由计算机承担数控中的命令发生器和控制器的数控系统 2 0 1 。 目前，国际上最大的数控系统生产厂是日本f a n u c 公司，一年生产5 万套以上数 控系统，占世界市场约4 0 左右；其次是德国的西门子公司约占1 5 以上，再次是德国 海德汉尔、西班牙发格、法国的n u m 和日本的三菱、安川掣引1 。 工业发达国家把数控机床视为高技术附加值、高利润的重要出口产品，世界贸易额 逐年增加。日本由于数控技术的高速发展使其制造业迅速崛起，美国要挽回其失去的地 位，欧洲要适应市场竞争的需求，从而以数控技术为主要标志的现代制造技术成了美国、 日本和欧洲等工业国家竞争的焦点1 2 2 1 。中国政府也己经充分意识到发展数控技术的重要 性，把发展数控技术作为振兴机械工业的重中之重。 4 - 沈阳工业大学硬士学位论文 近年来，我国机床行业已向航天工业、造船业、冶金设备制造、大型发电设备制造 等重要用户提供了一批高质量的数控机床。北京第一机床厂研制成功的五坐标数控螺旋 桨铣床，可用于加工直径6 m 的1 0 万吨级远洋轮用的螺旋桨叶面：武汉重型机床厂为加 工3 0 万千瓦水轮发电机组提供了最大加工直径1 6 m 、加工精度0 0 2 r a m 的数控立车等 我国从1 9 5 8 年开始研制数控系统技术，到1 9 6 6 年研制成功晶体管数控系统，1 9 7 2 年又研制出集成电路数控系统，但由于国产元器件不配套，加之工艺和技术还不够成熟， 因此没有进行大规模生产。从1 9 8 5 年以后，我国的数控机床，在引进消化国外技术 的基础上，进行了大量的开发工作，尤其是进入上个世纪9 0 年代，我国数控系统的各 方面研究力量在集中优势、突破关键、以我为主、发展产业的原则基础上，逐步形成了 以航天数控集团、机电集团、华中数控、蓝天数控等国有企业，在关键技术上己达到国 际先进水平，数控机床可供品种己超过3 0 0 种1 2 3 】。 随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，特别是微处理器广泛应用于控制领域， 推动着数控机床的飞速发展，使数控机床向着高精、高速、高效、多轴联动、柔性化、 误差补偿、联网、安全、智能化等方向发展。速度、精度和效率是机械制造技术的关键 性能指标。由于采用了高速c p u 芯片、魁s c 芯片、多c p u 控制系统、电主轴融合技 术以及商分辨率检测元件，智能控制器、自动识别技术，数字信号处理器( d s p ) 构成的 交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高精、高 速、高效化己大大提高【2 4 j 。 目前，国外对直线电动机的研究已取得很多成果，由于永磁直线交流电动机具有许 多优点，因而成为高精度伺服系统执行机构的最佳选择。目前，世界各主要运动控制产 品供应商，如s i e m e n s 、k o l l m o r g e n 、a n o a r d 、y o k o g a w a 、n s k 等均推出了各自的永 磁直线同步电动机( p m l s m ) 产品【2 5 l 。国外伺服精度进给已达到0 。0 0 5 p m ，这些高精度饲 服单元的实现，除依赖于高精度检测和高精度传动外，也应用了基于辨识，监控和在线 自动补偿技术等全新的伺服控制技术。 我国自7 0 年代以来，直线电机的研究发展较快，而且在直线电机的理论研究和工 业应用中取得了一些成果。国内，永磁直线电机伺服系统基本上处于研究阶段，并无产 品提供市场，只有几家厂商生产交流旋转电机伺服系统，而且伺服进给单元的精度与国 数控机床进给系统的h 浯棒速度控铷器设计 外相比差两个数量级，这不仅是因为国内的传感器和传动元件的固有精度较低，而且国 内现有的永磁交流伺服系统，无论是数字化伺服系统还是模拟伺服系统均是基于传统 的p i d 控制理论和直流电机控制技术，对电机的动态特性研究的并不够，因此很难解决 永磁交流伺服系统存在的机械扰动，以及电机运行过程中的谐波转矩问题。当前使用滚 珠丝杠驱动的高速加工机床最大移动速度9 0 m m i n ，加速度1 5 9 i 冽。由于滚珠丝杠毕竟 是机械传动，而从伺服电机到移动部件之间有一系列机械元件，这就势必存在弹性变形、 摩擦和反向间隙，根应地造成运动滞后和其它非线性误差，目前滚珠丝杠副的移动速度 和加速度己提高较多，所以再迸一步提高的余地也是很有限的。因此有必要进一步探寻 精度更高，伺服性能更好，且更适合于数控机床的新的进给驱动方式和新的控制策略。 目前，比控制现有的算法较多，且各有优缺点，很有必要进一步全面了解如控制 系统本质性的结构，研究各种方法之间潜在的联系，进而提出分析和设计比控制器的 更有效算法。也控制的模型降阶问题也是一个重要的研究方向，非标准h 。鲁棒控制理 论尚未成熟，有许多问题尚待解决【2 7 l ；和连续系统相比，离散系统的h 。控制理论尚未 成熟，受线性时不变连续h 。控制理论进展的影响。对这一理论的研究正在升温；同时， 非线性系统的鲁棒控制越来越受到控制界的关注，目前，这方面的文献比比皆是。研究 成果也琳琅满目 2 s l 。非线性系统的分解理论和微分对策是研究非线性鲁捧控制的有效工 具。近年来发现，许多鲁棒控制问题均与线性矩阵不等式( l m i ) 密切相关，可将系统的 鲁棒控制问题转化为l m i 来求解。因此，基于l m i 的凸优化方法成为当今研究的热点 之一，且将来在这方面的研究成果会越来越多【2 9 l 。 1 3 数控机床简介 1 3 1 数控机床的组成及加工特点 一般数控机床由下列四种功能部件组成： ( 1 ) 机床本体：是数控机床执行机械加工的部件。包括床身导轨、箱体、机座等结 构，它们在机床加工过程中一般是静止的，主要起定位、支承、导向等作用； ( 2 1 伺服机构：数控机床的迸给驱动机构和运动执行机构，是数控机床的一个重要 部分。进给驱动机构的动力设备如电源、电动机等是向数控机床提供动力的装置：运动 一6 一 沈阳工业大学硕士学位论文 执行机构如执行电机、传动( 滚珠丝杠) 和操作机构等，它们在控制信息的作用下带动刀 架、工件完成要求的加工动作： ( 3 ) 检测与传感装置；包括各种传感器及其信号检测电路，用于提供机床运行所必 须的内部、外部各种状态信息： ( 4 ) 信息控制与处理装置：是数控机床的重要组成部分，主要指信息载体和由计算 机及其软、硬件构成的控制系统。如数控装置，主要完成系统的控制。 i 3 ，2 数控枧床的工作原理 操作者首先将加工程序代码送入数控装置，同时，加工过程中由检测与传感装置检 测的各种信息也反馈给数控装置，经数控装置处理后向机床各坐标的伺服系统发出数字 信息，驱动机床相应的运动部件( 如刀架、工件) 和一些辅助动作( 如变速、换刀、冷却液 开关等) ，完成工件的加工过程。数控机床在加工工件时。上述四个组成部分互相补充， 互相协调，共同完成加工程序的执行，从而加工出合格的工件1 3 0 j 。 1 4 超高速数控机床进给系统 在数控机床中，进给机构是机床坐标运动的执行部件，同时也是伺服控制的对象， 因此，深入研究和掌握机床进给机构的特性，将有助于提高轨迹跟踪控制器设计的针对 性口u 。机床进给机构的作用是绦执行电机的运动转换为机床工作台的运动。进给运动的 要求是：数控机床的进给运动是数字控制的直接对象，被加工工件的最后尺寸精度和轮 廓精度都受到进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性的影响，为此，在设计进给运动时 应充分注意减少摩擦阻力、提高传动精度和刚度，消除传动间隙以及减少运动件的惯性： ( 1 ) 减少运动件的摩擦阻力：为了提高进给系统的快速响应特性，就必须有效地减 少运动件的摩擦阻力： ( 2 ) 提高传动精度和刚度：在数控机床伺服系统中，应尽可能地消除传动件的间隙， 并要首先保证它们的加工精度。这对于采用直线电机驱动的系统尤为重要。 i 4 i 采用滚珠丝杠传动的进给系统 半个世纪以来，数控机床进给系统主要采用“旋转电机+ 滚珠丝杠“的传动方式。 滚珠丝杠传动机构能够将旋转运动转换为精确的轴向直线运动，相对于滑动丝杠，滚珠 丝杠在丝杠和螺母的滚道之间放置了滚珠，因此具有高效率、高精度、低摩擦的特点。 数控机床进给系统的鲁棒速度控制器设计 在超精密机床中通常是用滚珠丝杠作为进给机构的传动部件l 翊。但是，随着高速加工技 术的不断发展。这种传动方式的许多弊端也逐渐表现出来： ( 1 ) 电机输出的旋转运动需经过联轴器、滚珠丝杠、螺母等一系歹j j 中间传动和交换 环节，才能变为溜板和刀具的直线运动。由于中间传动环节的存在，使得传动系统的刚 度降低，启动和制动初期的能耗都用在克服中间环节的弹性变形上。尤其是细长的滚珠 丝杠是刚度的薄弱环节，其弹性变形可使系统的阶次变高、鲁棒性降低、性能下降； ( 2 ) 中间传动环节的存在增加了运动体的惯量，在不增加系统放大倍数的情况下， 系统的响应速度、位移响应都变慢。而放大系数的增大又受系统稳定性的限制，过大的 放大倍数也会使系统不稳定； ( 3 ) 由于制造精度的限制，中间传动环节不可避免地存在正反间隙、摩擦及弹性变 形等影响，使系统的非线性误差增加。因此，要进一步改进高速精密滚珠丝杠驱动系统， 进一步提高系统的精度变得很困难，而且有着不可克服的困难。 为了提高生产率和改善零件的加工质量，而发展起来的超高速加工，不但要求数控 机床具有超高速运转大功率精密主轴驱动系统，而且要有一个反应灵敏、高速轻便的进 给驱动系统。进给速度已从6 - 8 m y m i n 提高到4 9 6 0 m s 以上，加减速度也要增大l o 倍以 上，从现在的3 r 彬s ：提高到2 0 5 0 m s z ，这对机床进绘系统的动态特性提出了十分苛刻的 要求。而目前传统的传动方式所能达到的最高进给速度仅为2 0 m m i n ，加速度为3 m s 2 。 这与超高速切削要求相差甚远。由于传统的进给方式存在上述的缺点，严重的限制了切 削速度和加工精度的提高，革除中阳j 传动与变换环节势在必行，这就使得一种崭新的进 给传动方式一直线伺服电动机驱动系统应运而生刚。 1 4 2 采用直线电机传动的进给系统 近年来，随着技术的进步与加工质量要求的提高，为满足高速进给的要求，高速机 床中出现了一种新型的直线电机直接驱动的进给方式。直线电动机具有“零传动”的优 点，使之不需要中| b j 转换装置，而将电能直接转换成直线运动的机械能。因此，不但能 够完成高速加工的任务，而且还能够胜任高精度微进绘加工的要求。 同滚珠丝杠传动方式相比较。直线电机直接驱动有以下优点： ( 1 ) 进给速度高，目前最大进给速度可达8 0 1 2 0 r e m i r a 一8 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 加速度大，可高达2 - l o g - ( 3 ) 定位精度高，由于只能采用闭环控制，其理论定位精度为零，但由于检测元件 安装、测量误差等原因，实际定位精度不可能为零。目前定位精度可达o 1 0 0 l 岬； ( 4 ) 行程长度不受限制。由于直线电机的次级是一段一段地铺在机床床身上。“次 级”铺到哪里“初级”( 工作台) 就可以运动到哪里，不论有多远，对系统的刚度都没有 影响。例如，直线进给采用了直线电机，其x 轴行程长达4 6 m ，工作台最高进给速度 6 0 m m i n ，快速行程l o o m m i n ，加速度达2 9 。在这种机床上加工一个大型薄壁飞机零件 只需3 0 m i n ；而同样的零件在一般高速铣床上加工需费时3 小时；在普通数控铣床上加 工则需8 个小时 州。正是由于直线电动机的上述优点，使其广泛用于工业生产加工行业、 工业直线传动、工业自动装置的执行器件、铁路运输、圆盘低速转动装置、熔融液态金 属的搅拌装置，电磁泵、电磁锤、车辆冲击试验台的加速装置，以及人造纤维的拉力冲 击试验装置等各个方面【3 5 1 。 图1 1 为直线电机与滚珠丝杠速度性能的比较。由图可见，滚珠丝杠工作台从静止 到2 5 m r a i n 需要0 5 s ，而直线电机工作台从静止到7 5 m m i n 只需0 0 5 s 。直线电机进给 系统的高加( 减) 速性能由此可见一斑。 言 善 i 垫 捌 翁 剖 时恻( s ) 图1 1 直线电机与滚珠丝杠速度的比较 f i g 1 1v e l o c i t yc o m p a r i s i o nb e t w e e n l i n e a r m o o r a n db a l l $ c r c w 1 4 3 采用并联机构传动的进给系统 传统机床采用笛卡尔坐标的布局方式，这限制了机床速度、加速度和刚度的提高。 数控机床进给系统的h 。鲁棒速度控制器设计 近年来，一种新的并联机构机床的出现，为机床的高速化开辟了一条崭新的途径。并联 机构是一种新型的高速驱动系统，它有6 根可伸缩的驱动杆，驱动杆的l 端用饺链固定 在机床的床身上，另一端通过铰链与电机轴外壳相连，各杆用滚珠丝杠分别驱动。通过 调节和控制6 杆的不同长度，可使电主轴上的刀具作6 个自由度的运动，从而实现对固 定在工作台上零件的加工。这种并联机构进给系统的主要优点是： ( 1 ) 进给速度高：并联机构驱动系统不存在沿固定导轨运动的工作台及其支承部件， 也消除了导轨副的摩擦阻力，因此有利于进给速度的进一步提高； ( 2 ) 加速度高：机床上所有的坐标运动均由6 杆驱动的电主轴完成，工件固定不动。 其运动部件为刀具。运动部件质量小，对刀具的驱动力为6 根杆的合力，因此驱动力大， 容易获得很高的进给运动加速度； ( 3 ) 刚度大：驱动杆既是机床的传动部件，又是主轴单元的支撑部件，减少了“机 床一刀具一工件”工艺系统的联接环节和传动间隙，从而大大提高了机床的总体刚度 然而，这种并联驱动系统需控制六连杆的运动，控制复杂，其加工精度取决于驱动 装置的发展水平，系统存在数控编程复杂、操作不直观和加工精度目前还不高等问题。 并联机构作为一釉新型的高速进给系统，还有待于进一步地研究和发展p 6 】。 1 5 课题研究的内容 本文根据高速数控机床进给运动的具体要求，对数控机床迸给系统中存在的不确定 性进行了分析，以永磁直线同步电机( p m l s m ) 为被控对象，以研究进给系统的控制策略 为主要目的，重点研究了系统的鲁海性能。在p m l s m 速度伺服系统中，为保证对干扰 有良好的动态抑制作用且无静念扰动误差，同时使系统具有鲁棒稳定性，本文提出了采 用h 。鲁棒控制器设计中的加权混合灵敏度的鲁棒性设计方法，来设计满足混合灵敏度 性能指标的稳定性与品质的混合h 。鲁棒速度控制器，通过求解标准h 。控制问题设计了 具有强鲁棒性的速度控制器：为了改善速度控制系统的抗扰性能，本文还提出了采用 h 。负载扰动观测器的鲁棒控制方案，该观测器可以自动保证观测结构的鲁棒稳定性，并 将估计结果反馈回来抵消实际的负载扰动，以达到减小扰动灵敏度的目的，具有扰动抑 制和鲁棒稳定性，本论文在了解国内外发展动念的基础上，积极吸收相关学科的新思想、 新理论、新技术，采用理沦研究与计算机仿真相结合的方法，主要研究工作及思路如下： 1 0 沈阳工业大学硕士学位论文 第一章，阐述了本论文研究的背景、目的、意义及国内外发展动态，介绍了数控机 床的组成、加工特点及工作原理：通过比较各种进给驱动方式的优缺点，选择直线伺服 驱动作为数控机床的进给驱动方式：并介绍了高速数控机床对直线进给运动的要求。 第二章，介绍了本论文的被控对象p m l s m 的工作原理、机械和电磁特性，讨论了 它的控制特点和难点，并综述了p m l s m 直线进给系统的现状。通过比较各种控制策略 的优劣，及分析目前国内外直线电机进给系统所采用的主要控制方法之后，选择h 。鲁 棒控制作为改进系统伺服性能的控制方案。在前人研究成果和现有产品基础上，再以新 的理论、新的方法进行深入细致的研究 第三章，在分析p m l s m 进给系统受力的基础上，分析了伺服控制系统的主要干扰 因素对系统动态品质的影响，针对进给系统受力复杂的情况，首先对系统受力情况作了 简化：同时，为了更有效地对p m l s m 迸给系统中存在的扰动力进行全面补偿，以尽量 消除它们对运动性能的影响，本文还特别提出了采用h 。负载扰动观测器的鲁棒控制方 案，该观测器可以自动保证观测结构的鲁棒稳定性，并将估计结果反馈回来抵消实际的 负载扰动，以达到减小扰动灵敏度的目的。 第四章，介绍了设计h 。鲁棒速度控制器所需的理论基础：鲁棒控制理论的相关概 念；并研究了鲁棒控制中的一种经典方法一比控制方法，分析了h 。性能指标和鲁棒 稳定性，抗干扰能力的关系；最后重点介绍了h 。鲁棒控制的在交流伺服系统中的应用。 第五章，以如控制理论为基础，根据进给系统模型不确定性及扰动力复杂的状况， 重点研究了确定权重函数的方法，并根据高速机床p m l s m 进给系统实际状况，设计了 稳定性与品质的混合h 。鲁棒速度控制器：并且理论分析了新速度控制器的稳定性与抗 扰动能力，最后，用m a t l a b 软件对所设计的速度控制器进行了计算机仿真分析，以 验证控制器的控制效果。仿真结果表明，与传统的p i 控制器相比，h 。速度控制器在永 磁直线同步电机进给系统上具有较大的优点，满足了精密加工要求。 第六章，总结本硕士论文所作的研究工作，并对还没深入研究的内容傲了一些展望。 数控机床进给系统的h 。鲁棒速度控制器设计 2 永磁直线同步电动机 2 1 概述 直线电动机是直接产生直线运动的电磁装置，可看成是从旋转电动机演化而来的。 设想把旋转电动机沿径向剖歼，并将圆周展开成直线，就得到了直线电动机，如图2 1 所示。旋转电动机的径向、周向和轴向，在直线电动机中对应地称为法向、纵向和横向。 i e = = = = i 二! ! 二= 二二! = 二 a )b ) 圈2 1 从旋转电动机到直线电动机的演化 f i g 2 1e v o l v e m e n tf r o mr o t a t i o nm o t o rt ol i n e a rm o t o r a ) 旋转电动机( 永磁式) b ) 直线电动机( 永磁式) 与旋转电动机对应，直线电动机按机种分类可分为直线感应电动机、直线同步电 动机、直线直流电动机、直线步进电动机和直线开关磁阻电动机等。在直线电动机中， 直线感应电动机应用最广泛，因为它的次级可以是整块均匀的金属材料，成本较低，适 宜于做得较长。而直线同步电动机由于成本较高目前在工业中应用不多，但它的效率 高，适宜于作高速的水平或垂直运输的推进装置【”1 。它又可分为电磁式、永磁式和磁阻 式三种，尤其是直线永磁电动机利用高能永磁体，具有高推力强度、低损耗、小电气时 间常数、响应速度快等特点，在高精度快速响应的直线式交流伺服系统中已得到了应用， 有很好发展前景。p m l s m 采用永磁材科，励磁磁场无需绕组和绝缘，磁场占据的空间 大大减小，相同的磁场强度可在小得多的空间获得：同时无励磁绕组，也就无磁场耗损 及由于次级励磁绕组引起的故障。故p m l s m 以其高可靠性和高效率等优点而倍受青睐。 在推力、速度、定位精度及效率等方面比其它直线电机具有更多优点，是一种较合适的 直线伺服电机。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 2 永磁材料数学模型 2 2 1 永磁材料的发展 目前永磁材料有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类，其中稀土永磁体又分为第一 代钐钴1 ：5 ，第二代钐钴2 ：1 7 和第三代钕铁硼。铝镍钴是3 0 年代研制成功的永磁材料， 虽具有剩磁感应强度高、热稳定性好等优点，但矫顽力低、抗退磁能力差，而且要用贵 重的金属钴