拉床主溜板双轴同步驱动仿真系统开发及应用

为给高精度伺服拉床同步驱动系统控制策略的研究提供分析手段,基于Matlab仿真软件建立了拉床主溜板双丝杠双伺服电机同步驱动系统的机电一体化仿真系统模型,模型由双轴同步控制器、永磁交流伺服系统、机械执行机构3部分组成。双轴同步控制器同时引入并联、串联和交叉反馈三种运行模式;永磁交流伺服系统设计了两个永磁交流伺服驱动器和两个永磁交流伺服电机的组合方式,其中两个永磁交流伺服驱动器均采用位置/速度/电流的三环构架进行设计;机械执行机构采用双丝杠主溜板耦合传动机构。基于该模型进行了同步驱动的性能分析,分析结果表明,在两边受力不平衡的情况下,采用并联/串联控制运行模式的同步驱动系统的同步性较差,不适用于同步精度要求较高的场合;采用交叉反馈控制运行模式的同步驱动系统的同步性较好,较适用于加工精度较高的大吨位高效率拉床。     

基于永磁交流伺服同步驱动的拉床控制系统

目前国内的拉床多采用液压驱动,针对其存在加工质量(精度和光洁度)不佳、能源浪费和环境污染等的问题,在技术成熟和性能优越的永磁交流伺服系统的基础上,设计了一款基于永磁交流伺服系统同步驱动的拉床系统。首先给出了电伺服同步驱动的立式内拉床的机构图,并对该机构图的性能特点进行了分析。重点阐述了主溜板伺服同步驱动系统、调刀伺服驱动系统和拉床控制系统软件设计方案,并采用共享指令的同步控制策略来确保拉床同步性能。最后,以立式内拉床为对象,在20 t的负载力下进行了试验测试。测试结果表明,设计的基于永磁交流伺服同步驱动的拉床控制系统具有成本低、可行性好、同步性能测试稳定、加工精度高等优点,对国内拉床的发展具有一定的指导意义。     

液压拉床双缸IPSO-PID伺服同步驱动控制研究

针对单缸驱动液压拉床存在刀架溜板同步性能较低的问题,设计了双缸电液伺服同步驱动系统,在分析刀架溜板拉削运动特性的基础上建立了系统的非线性模型;根据系统跟踪性能和同步性能指标要求,引入改进型粒子群优化算法(IPSO),提出了类似经典PID控制器结构的IPSO-PID伺服同步控制策略。在液压拉床上的实际应用结果表明,该控制策略比常规PID同步控制策略具有更好的跟踪性能和同步驱动性能,可以较好地解决双缸液压拉床的同步驱动问题。     

基于有限元的双滚珠丝杠同步驱动轴动力学建模与分析

以双滚珠丝杠同步驱动轴为研究对象,在详细分析同步轴间负载耦合关系及丝杠与螺母的轴向、扭转耦合关系基础上,利用有限元结合集中参数法,从拉格朗日方程中导出双滚珠丝杠同步驱动轴动力学模型。通过模态分析,揭示了双滚珠丝杠同步驱动轴的动力学特性,为双轴同步控制提供了参考。最后在样机实测上通过系统辨识,验证了所建模型的准确性。     

电液双缸系统同步控制

由于强非线性和强耦合作用严重影响双缸同步系统的控制精度,同步误差加剧试件变形内力,具有较强的破坏能力,因此研究具有优良性能的同步控制算法具有重要的实践意义。建立考虑系统安装误差、测量误差、负载刚度和伺服阀零偏等因素在内的双液压缸同步控制系统数学模型;分析上述各误差因素对双缸同步控制精度的影响机理;提出了基于内力补偿和位置补偿的自由度控制策略,实现双液压缸高精度位置同步和出力的高度一致性;最后,运用MATLAB/Simulink软件对双缸自由度同步控制算法进行仿真分析,验证了控制策略的有效性。     

双马达同步驱动位置伺服系统建模与仿真优化

双马达同步驱动系统有质量轻,结构和负载对称等优点,在工程中得到较多运用。良好的同步控制方法是实现其功能及提高其性能的重要因素。建立双液压马达同步驱动系统数学模型,采用同步闭环控制,在位置反馈回路中设置PID调节器,基于NLPQL算法对PID参数进行整定优化,提高位置伺服精度。并利用双马达角位移差值均衡补偿等同方式对系统进行反馈校正,提高系统同步性能。     

基于伺服电机的低刚度运动机构同步控制研究

针对一个低刚度、大惯量、高同步要求的U型俯仰门架运动机构,提出了伺服电机驱动滚珠丝杠的同步控制方法。利用PLC（可编程逻辑控制器）定位功能模块FM353,借助于伺服驱动器提供的数频级联主从控制模式,并结合对门架机构运动不同步的人工干预的高精度校正补偿方法,使该机构的运动达到了0.1°的同步精度要求。     

数控机床直线电机负载突变控制策略研究

在研究数控机床直线伺服电机伺服性能的基础上,对负载突变工况下的控制策略进行研究。针对数控机床直线电机所受多种非线性因素建立了动力学模型,并且对比了直接驱动方式与滚珠丝杠+旋转电机传递方式的不同。在展示数控机床直线电机所面对的特殊问题的基础上有针对性地提出了模糊PID控制策略,并通过实验验证了该控制策略的效果。     

多轴位置伺服相邻耦合滑模控制

针对多电机同步控制中传统环形耦合PID控制存在抗扰动性不强、扰动下同步误差较大等问题,提出了一种带前馈控制的滑模变结构多电机相邻耦合控制策略,建立了3台永磁同步电动机同步控制仿真模型,通过Lyapunov稳定性理论证明了滑模控制算法的稳定性,并进行了交变负载、突变负载实验。仿真分析和实验结果表明,该控制策略相比传统环形耦合PID控制、相邻耦合PID控制具有更高的同步精度和更好的抗扰动性能。     

双驱同步控制的误差预补偿算法与试验

针对双驱进给系统的同步控制,设计了一种新的补偿算法。首先,根据双丝杠工作台的结合部刚度,建立滚珠丝杠运动系统的动力学模型。然后在不同进给速度和工作台位置下,对双驱进给的同步误差进行检测,得到同步误差的多元线性回归模型,利用动力学模型与多元线性回归模型可综合得出双驱同步控制的误差预补偿模型。采用自主研发的双驱进给试验平台进行双驱进给的补偿试验,对比传统的虚拟主轴同步控制策略、主从同步控制策略与本文所提出的误差预补偿控制策略,对双驱进给的速度跟随精度与位置同步精度进行对比分析,试验结果表明,双驱同步控制的误差预补偿策略具有同步精度更高,稳定性更好的优点。     

Double Position Servo Synchronous Drive System Based on Cross-Coupling Integrated Feedforward Control for Broacher

Synchronization errors directly deteriorate the machining accuracy of metal parts and the existed method cannot keep high synchronization precision because of external disturbances. A new double position servo synchronous driving scheme based on semi-closed-loop crosscoupling integrated feedforward control is proposed. The scheme comprises a position error cross-coupling feedforward control and a load torque identification with feedforward control. A digital integrated simulation system for the dual servo synchronous drive system is established.Using a 20 t servo broacher, performance analysis of the scheme is conducted based on this simulation system and the simulation results show that systems with traditional parallel or single control have problems when the worktable works with an unbalanced load. However, the system with proposed scheme shows good synchronous performance and positional accuracy. Broaching tests are performed and the experimental results show that the maximum dual axis synchronization error of the system is only 8 μm during acceleration and deceleration processes and the error between the actual running position and the given position is almost zero. A double position servo synchronous driving scheme is presented based on crosscoupled integrated feedforward compensation control,which can improve the synchronization precision.     

基于干扰观测器的龙门机床双驱系统的同步控制

根据动梁式龙门机床双驱动系统的结构特点及运动特性,基于拉格朗日方程,建立了龙门机床两轴之间的机械耦合模型,结合传动系统动态模型和伺服系统三闭环控制结构,得到了龙门机床双驱动系统模型;为了降低非对称结构和偏心负载等干扰对同步性能的影响,提高系统的抗干扰性,提出了一种基于干扰观测器（DOB）的双驱动系统同步控制方法;最后进行了仿真分析,仿真结果表明,通过干扰观测器对干扰进行补偿后,龙门机床双驱动系统的同步性能得到了明显的提高。     

面向大型机床再制造的进给系统动态特性

大型机床进给系统的再制造必须考虑大型部件的空间分布特性对进给系统动态响应的影响。针对某大型铣齿机床,采用分布参数建模方法描述细长滚珠丝杠副的传递子系统,采用集中参数建模方法描述交流伺服驱动子系统和工作台驱动子系统,并通过转速关系将3个子系统耦合起来,形成进给系统的分布集中参数模型。通过理论模型仿真与试验结果比较,证明建立的分布集中参数模型符合物理系统的真实性,能够准确地描述大型机床进给系统的动态响应特性。在此基础上进一步讨论不同分布特性影响下,分布集中参数模型和单纯集中参数模型动态响应的变化,结果表明,两种模型的动态响应差异会随着系统惯量的变化而改变,这为大型机床进给系统的设计、控制提供了参考依据。     

基于直线电机的高速滚珠丝杠副寿命试验机设计

针对高速滚珠丝杠副性能指标的测量需求,设计了一套基于直线电机的高速滚珠丝杠副寿命测试试验系统,系统以直线电机为加载机构、旋转伺服电机为丝杠驱动机构、多轴运动控制卡为运动控制器。据此系统设计的滚珠丝杠副高速加载跑合寿命试验机在连续稳定变负载的情况下,可以对滚珠丝杠在高速、高加速度、大负荷等条件下进行长时间运行测试,满足寿命试验机对滚珠丝杠副寿命试验和相关参数的测试要求。试验结果证明了系统的可行性。     

采用伺服电机的电子凸轮控制系统设计

针对传统机械凸轮存在的难加工、易磨损、难维护的问题,采用伺服电机设计了电子凸轮先进控制系统。该系统硬件采用德国倍福伺服运动控制实验平台,由嵌入式PC、数字伺服驱动器、永磁同步伺服电机、滚珠丝杠直线平台等组成,控制系统采用位置环、速度环、电流环三环控制模式,根据内部虚拟主轴的位移和电子凸轮表插值计算出了从轴伺服电机的位置指令、速度指令,模拟实际凸轮轨迹实现滚珠丝杠直线往复运动,并在上升和下降阶段采用五次多项式作为插值函数,保证了速度曲线、加速度曲线存在且连续,提高了机构运动性能。实验结果表明,采用电子凸轮方案后,丝杠在位移精度和反应速度方面均能获得良好效果,可以把跟随误差控制在0.005 mm内,证明采用电子凸轮代替原有机械直动推杆凸轮是可行的。     

1000 t惯性摩擦焊液压多缸同步控制策略研究

针对大吨位惯性摩擦焊机多缸液压顶锻系统强干扰、强非线性的特点,面向多缸系统同步性能的高精度、强抗干扰的要求,基于自行设计的一套具有位置反馈的三缸液压顶锻系统,建立了阀控缸系统以及位置反馈同步系统的动态响应数学模型,并且提出了以伺服阀控液压系统为基础,在偏差耦合控制方式下采用模糊PID对控制参数进行优化的多缸同步控制策略。在MATLAB Simulink中对该控制算法进行仿真研究,并与传统PID控制算法进行对比。结果表明,所设计的控制策略实现了千吨级负载下多缸系统同步误差小于0.05 mm的稳定输出,具有较好的鲁棒性和较高的同步控制精度,为国产大吨位惯性摩擦焊机液压伺服系统提供设计参考。     

无轴传动凹版印刷机的相邻偏差耦合同步控制

针对无轴传动凹版印刷机的同步协调控制,考虑印刷基体张力恒定和套印准确的要求,基于相邻偏差耦合思想提出了一种能同时满足凹版印刷机无轴传动系统完全同步和比例同步特点的控制结构。针对无轴传动系统动力驱动部件非线性、强耦合的特点,设计了2阶自抗扰控制器以实现收放卷牵引单元与印刷色组单元高精度的跟踪控制和扰动补偿。构建了无轴传动凹版印刷机同步控制策略的仿真模型,仿真结果表明,提出的同步控制结构具有较高的同步控制精度和稳定性,设计的自抗扰控制器具有较好的速度跟踪性能和抗扰能力。     

Time-varying positioning error modeling and compensation for ball screw systems based on simulation and experimental analysis

Thermal expansion of ball screw systems affects the machining accuracy of machine tools significantly. This paper intends to provide a comprehensive error compensation method for the time-varying positioning error of machine tools. To confirm the thermal deformation mechanism of ball screw systems, experiments have been designed to study the thermal behaviors of a ball screw system under varying temperature conditions. An exponential algorithm is proposed to predict the temperature variation pattern of the ball screw based on finite element analysis, and the actual thermal boundary conditions of the ball screw system are exactly defined according to the proposed algorithm and the experimental results. Then, a comprehensive compensation model is established based on the decomposition of the initial geometric error and thermal error components. Finally, a real-time error compensation system is developed for machine tools based on the function of external machine original coordinate shift and fast Ethernet data interaction, and satisfactory results have been achieved for the compensation experiments on a machining center.     

二维工作台控制系统设计及精度分析

对二维工作台控制系统进行了研究,采用滚珠丝杆副和直线滚动导轨副的传动方式,选用直线光栅尺作为工作台的反馈元件,控制系统的核心为工控机和运动控制卡,利用固高GE400运动控制卡发出脉冲信号控制伺服驱动器对工作台机械部分进行实时的操控。在VC＋＋6.0设计环境下开发工作台的控制软件,实现了多轴控制。使用双频激光仪获得工作台的系统误差曲线,采取水平分割的方法对误差曲线进行分割,获得各区间的误差补偿数据,通过软件控制对工作台各行程区间进行误差补偿,通过理论计算和实验测得补偿后的数据对比,验证了该补偿方法的可靠性,对于提升二维工作台的精度具有积极的意义。