数控转台国内外研究现状综述.doc

1、数控转台国内外研究现状综述制造业是整个国民经济中的支柱产业，其水平直接体现了一个国家的生产力 水平，而装备制造业是制造业的核心,最能体现整个国家综合制造能力的高低. 精密数控机床是装备制造业的重要组成部分，是军事、造船、电子电力，航空. 工程机械，石油化工等行业发展的关键设备.但是国内大多数数控机床厂家生产 的都是中低端机床，对F高精度及特殊数控机床严重依赖于从国外引进.同时， 国内数控机床在技术上缺乏自主创新，缺少具有竞争力品牌的数控系统，导致数 控机床行业发展比较缓慢.因此，有必要将一些先进技术应用到数控机床制造上 能极大提高数控机床的整体性能和加工产品质量.随着数控机床的发展，大型的数控

2、转台在铳床和加工中心应用得越来越广泛， 对于复杂空间曲面零件，如叶轮叶片的铳削往往还需要转台参与插补轴的联动， 实现频繁的正反转及精准的位置闭环控制.但是大型的数控转台的控制系统结构 中存在很多的非线性环节,如多级齿轮传动的间隙及误差.摩擦力矩等等，对系 统的静动态特性产出巨大的影响.由于各种非战性环节的存在，数控转台的控制 精度和运动平稳性很难提高，因此消除数控转台传动中非线性环节的影响，提高 其静动态响应特性的要求是很迫切的.要实现数控转台高精度的控制.首要条件 是必须具番高性能的伺服系统Q数控传台只有具有高定位精度、高抗干扰性、离 响应速度及高稳定性的伺服系统，才能在保证精准可靠的位置控

3、制.应用在大功 率场合的数控转台还需具备平稳输出低速大扭矩的能力.在数控机床伺服驱动系统中F为了获得低速大扭矩的输出能力，经常要在电 机和负载之间加入齿轮减速箱.在减速箱的装配过程中.人为预留一定间隙来满 足齿轮间形成油膜涧滑层*而正是因为这些齿轮间的间隙，伺服驱动系统性能急 速下降"为了减少齿隙等非践性因素带来的影响，人们从机械结构、伺服控制结 陶、控制方法等方面进行了大量有意义的探索和研究.直接阴动”1可以避免齿轮胞动系统中的街隙,摩擦等等线性问题，但是由于 成本控制、机械结构、驱动力矩等原因，齿轮传动还是较好的选择，齿隙的存在 能保证适当的润滑油膜，带走干摩擦过程中产生大量的热

4、，提高齿轮的使用寿命. 在一般的传动机构中，齿隙对控制影响并不明显.但是在高精度的数控转台控制 中，频繁换向将带来位置偏差以及伺服系统闭环振踌.且超调量大,恢豆到稳态 的时间较长.总而言之，齿轮减速箱齿隙的存在，形成的齿间润滑油膜可以减少传动摩擦、降低齿轮传动嘤音，但是由于其存在，严重影响控制系统的动态特性和定位精度. 如果伺服系统能将难以消除的齿轮间隙加以调整和控制，减少其带来的换向位置 误差和传动误差,必定能提高伺服控制系统的动态响应特性和稳定性.本文将以高精度数控转台双电机驱动系统为背景，对实际转台伺服驱动系统 建立教学模型，果用合适的双电机伺服骡动控制算法*并进行转台控制系统仿真 与分

5、析，对转台控制系统的的开发和应用具有卜分重要的意义，机械传动机构几乎在所有的工业体系中都得到了广泛的应用，其主要组成为 原动机、传动机构和执行机构。原动机是机械系统的动力提供部分，执行机构是 机械系统的功能部分，传动机构是根据执行机构的功能要求，将原动机的动力通 过特定的结构输送给执行机构来完成所需的功能。随着H益高涨的零部件加工工 艺要求，高速高精高效的机械系统成了大势所需.机械传动系统有带传动、族传 动及各种齿轮传动等传动方式，其中齿轮传动输出扭矩大、使用方便及传动速度 平稔成为了机械传动的首选，从而加强对机械传动结构中齿轮传动的研究，能显 著提高数控转台的速度稳定性和定位精度.随着工业控

6、制中需要越来越多的超大型机械设备，从而需要大型数控转台对 其进行加工和检测，必然需要原动机提供足锣大的驱动力矩.但是作为原动机类 型之一的电机，单就从其轴输出扭矩来看，还难以满足工业过程的应用要求.又 因此按照机械系统的常规方法，需要在原动机和执行机构中间加入减速机构来获 得所需的大力矩.在机械系统的传动机构中，存在各种各样的非线性因素，如齿轮间隙、摩擦 发热和死区效应I?川等，直接降低了伺服驱动系统的动态响应精度和稳定性.在上 述的各种非线性影响因素中，齿隙作为典型的非线性问题，众多学者从未间断过 对其控制性能的研究.齿隙能形成齿轮间润滑油膜、减少摩擦和振动噪音，但是 同样也降低了伺服控制系

7、统的动态性能.为了齿轮能够顺利啮合传动，预留的齿 隙大小往往无法进行精确调整和控制，并且随着不断变化的载荷作用下出现不同 程度的磨损而增大.由于齿隙的非线性影响，伺服驱动系统控制更为复杂，还出 现了速度冲击、闭环振'荡和稳定性降低等现象。在高精度数控转台控制中，需要驱动元件提供低速大扭矩进行精确的定位和 误差控制但是一般的电机驱动只具备高速小扭矩矩，而负我对象数控传台需 要的是低速大转矩，因此必须加入减速结构进行速度和扭矩的变换。为了消除减 速结构中齿隙对执行机构频繁换向造成的位置误差，比较可行的措施就是采用双 电机伺服驱动，通过采用合适的电气控制方法进行消隙.其实现方法就是采用两套完

8、全相同的减速结构齿轮与转台主轴大齿轮相反的齿面啮合，转台大齿轮在作 用方向相反的力矩作用下，不能随意在传动齿隙中摆动，从而实现无误差传动。1.2.2 含齿隙非线性因素伺服驱动系统的研究现状从上个世纪开始，人们就开始对齿轮传动结构的齿隙非线性系统开展大量的 研究与探索，从不同的设计和控制角度提出了各种各样的消除施隙方案.目前， 最主要的两种就是采用机械消隙和电气控制消隙来处理齿轮传动结构中的齿隙非 线性问题.常用的机械消隙方法包括双斜齿轮消隙、齿轮中心距调整消隙、弹簧加载 双片齿轮消隙、双蜗杆消隙、摩擦消隙等方法，下面简要描述下前三种消隙方法。双斜齿轮消隙方法通过在同轴的两个斜齿轮施加轴向力，使

9、作用在双齿轮两 侧的齿轮发生径向偏移，从而在齿条上靠紧不同的齿面，达到间隙消除的目的， 主要用在传动精度要求低的场合.齿轮中心距调整消隙方法中一对齿轮副固定一个齿轮，另一个齿轮在一定范 围内可调，在装配时调整两齿轮中心轴线间距，消除齿轮味合间隙后再固定两个 齿轮。齿轮中心距可以调整两齿轮间的中心距误差和单个齿轮的齿厚误差，但对 偏心引起的误差补偿无效.弹簧加我双片齿轮消隙的基本原理是利用扭力弹簧连接需要调节齿隙的两齿 轮，通过调整弹簧力来获得不同程度的齿隙，使两个齿轮的两侧分别贴合在大齿 轮的两面，达到消隙的目的，该方法在一些精密的数控转台中应用广泛。机械消隙的方法设计复杂，在传动力矩较小的情

10、况下适合使用，对于输出大 扭矩和位置精度要求高的场合，其稳定性和传动精度都较差.机械消隙只能消除 齿轮传动间隙，对于传动机构中的其他间隙无法消除，适应面较窄。电气消隙主要是通过多电机在负载机构中施加偏置力矩来消除齿轮间隙和传 动机构中的其他非线性影响因素.人们对齿隙非线性对传动机构的影响和控制方 面进行了大量的理论研究，但是有些仅仅是理论上的分析，要将其转换为应用有 一定的难度.并且，由于齿隙非线性的影响因素较多，分析往往只是针对其中一 种影响因素，如只考虑齿隙或摩擦等.只有少数文献同时分析了两者同时存在如 何控制的问题.由F单电机消隙难度比较大且稳定性差，因此国内外的文献大多 将着力点放在双

11、电机或多电机同步消隙方面，下面就当前取得的一些相关成果进 行阐述。R.S.Bapbosa等描述了一种经典的齿隙迟滞模型，该模型将负我端的转动惯 量转换到齿轮机构输入端，再将换算后的齿轮迟滞模型加或到齿轮结构输出端。 由于该齿隙模型没有考虑齿轮间的碰撞损耗能量，只能称之为静态模型.同时该 文还研究了齿隙动态模型，根据能量:守恒定律建立齿轮速度方程，从而确定最大 转动速度的阀值.K. Menon等同时考虑了在低速情况下的非线性问题，通过判 断主动轮和从动轮的哦合状态来确定使用何种控制策略，当啮合无间隙时采用PD 控制算法，当两者之间出现间隙时采用前馈控制算法，并在实验中验证了控制策 略切换的合理性

12、。SHI Yongli等建立了齿隙的迟滞模型并设计了一种控制算法， 该控制算法分两步进行，苜先利用模型初步消除齿旗非线性的影响，然后再通过 ADRC进一步更精确地消除齿轮机构余隙.陈庆伟掣在大型雷达转台驱动控制 系统中采用施加偏置力矩的电气消隙方法，使主从两个齿轮在大轮的两侧紧密啮 合，从而大轮在静止和运动及换向过程中不会出现空程来消除齿隙。控制方式为 主电机输出电流控制量给从电机的电流环，并反馈主动电机速度差，避免出现速 度差振荡.赵国锋等以对双电机驱动齿轮施加偏置力矩，采用反步控制策略.该 控制器可以跟随瑜入信号，但需要计算的数据量较大，难以在一般控制器上实现， 且加重了伺服驱动系统的复杂

13、程度和降低了其稳定性和控制精度.Cadiou等“31 根据主从动轮所需转矩大小，按照一定百分比施加偏置消隙转矩，并分析速度与 加速度的数学关系，可以在控制器上实现齿隙消除.该控制算法相对于恒定转矩 消隙，减少了偏置转矩的能量，并可以根据负载情况实时调整，不失为一种好的 控制算法。胡维礼等四采用自适应的驱动系统数学模型，可以在线实现速度修调，并采 用神经网络及PID共同控制的复合控制策略的方式调整输出电压，消除了大部分 齿隙量.Merzouki等四设计了齿隙摩擦补偿模型的控制比法，并进行了系统仿良 模型的仿真和分析.齿隙非线性采用的是死区模型，并将其近似处理成最小相位 环节，与实际贴合比较紧密，

14、而且在仿真中验证了近似处理的最小相位死区模型 十分有效。C.W.Ta。等助针对齿隙非线性问题提出了模糊控制算法，对齿隙模型 的参数变化不敏感，但是能极大提高驱动系统的稳定性和减少系统振荡。赖天华 对双电机驱动伺服系统进行理论分析与总结，建立了消隙驱动模型.L.T.Aguilar 等1间采用Lyapunov方法分析了齿隙非线性系统的稳定性，将死区模型近似为最 小相位系统，提高了系统在负载短的稳定性，减少了负载端的外部干扰振荡。Dirk Gebler等Ml针对齿隙问题采用单电机进行控制，并利用系统辨识的方法设计了控 制算法.在传动方向变换时，采用“BANG-BANG”时间最优的控制算法，避免 了齿

15、轮换向过程中的碰撞与振荡，具有一定的应用价值。K.Menon等【2。】采用前馈 控制算法和PID控制算法相结合的方式，针对数控机床驱动系统的传动间隙设计 了前馈控制器和时间最优控制器。梁任等HU采用R-H方法和描述函数法对齿隙非 线性问题进行分析，确保齿隙控制系统速度过渡平稳.P.ROSTALSKI等kJ采用预 测齿轮换向速度的方法，控制齿隙驱动系统，确保速度和加速度在合理的范围内， 不至于造成系统振荡.总而言之，上述文献对齿原非线性的各个方面都进行了大量的研究与实验， 尤其是在齿隙非线性因素的迟滞模型和弹性死区模型上的研究很多，提出了大量 有应用价值的理论和控制策略。但是对齿隙非线性问题进行

16、综合研究的还不多， 主要是对齿隙非线性问题的认识还不够深入，模型建立或多或少采用了近似的方 法建立了近似精确的齿隙数学模型。1.2.3 双电机同步驱动控制算法的研究现状随着现代工业的发展需要，数控转台的单电机无法提供足够大的力矩去驱动 转台，而且在大功率场合驱动大型对称负载时造成负载两端驱动力不平衡，容易 因此弯曲和变形.而双电机驱动系统可以同时解决低速大力矩和负载端驱动不平 衡的问题，成为了大型高精度数控转台的首选方式。通过合理地设计双电机控制 器的结构和控制算法可以实现驱动系统响应速度快，运行稳定性高，并且能消除 传动中的间隙，获得高精度的速度和位置控制。众多学者对双电机同步研究涉及系统数

17、据建模、动力学分析、算法研究及应 用控制等方面.目前采用机械方式和电气方式是双电机同步驱动策略中常用的两 种方式。机械方式主要是利用传统的传动机构来实现力矩和功率的传递；而电气 上需要设计相应的同步控制算法，对力矩和速度等系统参数进行调整和控制实现 同步运动。总结目前存在的电气同步控制算法，主要有等同控制、主从控制、交叉耦合 控制、偏差耦合控制和现代智能控制算法.(1)等同控制1刈是指控制器输出相同的参考电压给双电机的速度环，并将 每个电机的角速度作为反馈量给各电机的控制器，如图L1所示。冷压4电机闻愉度反馈|控制器2 |近电松|心速度反馍2 j图1.1双电机对等控制方式系统结构图该结构的同步

18、控制系统由于采用的是同一给定电压，当处于启停阶段时的同 步不存在延迟问题，控制较为简单且易于实现.虽然有速度反馈，但只是单电机 内的速度反馈，并没有将两电机的速度进行反馈比狡。当其中某个电机由于负载 变化产生速度波动时，另外一个电机并不能获得相应速度信息，将造成比较大的 同步偏差。(2)主从控制方式是指将主电机的速度实际值作为从电机的速度给定量,来达到速度的同步驱动，如图1.2所示。这种控制方式在速度稳定时的同步控制 性能较好，由于两电机是主从控制关系，主电机的任何负载变化或扰动产生的速 度变化或跳动都会影响从电机的速度输出，但反过来，从电机的任何干扰造成的 速度跳动都不会对主电机速度输出产生影响.在启停阶段，由于负我的不均衡或 控制结构的不完全一致性，主从电机会产生较大的速度偏差和振动.图1.