数控机床进给系统时变特性建模与分析

在数控机床高速运动过程中,由于进给系统速度、加速度的变化,使得丝杠传动系统的固有参数如等效刚度、等效阻尼值发生变化,产生伺服动态误差,进而影响传动系统的动态性能和精度。为获得机床进给传动系统的时变特性模型,首先对其进给系统进行动力学物理模型等效,采用集中参数法和控制理论建立其进给轴伺服模型。基于赫兹接触理论、铁木辛柯梁模型、能量耗散法给出了系统刚度、阻尼的理论计算模型,结合机床进给轴伺服模型,提出了五轴卧式加工中心的时变特性进给轴建模方法。通过给定正弦输入信号,利用MATLAB中Simulink模块仿真得到了时变特性下的进给轴输出值,并与传统伺服系统的输出值进行了对比分析。最后利用球杆仪进行了不同进给速度情况下的联动实验,验证了该模型的准确性。     

基于刚柔耦合的成形磨齿机动态特性分析

成形磨齿机具有高精度、高响应等特点,滚珠丝杠进给驱动机构是机床的重要组成部分,它的动态特性直接影响机床的加工质量和效率。对其关键部位---滚珠丝杠进行柔性化,利用SolidWorks , ANSYS , ADAMS建立机床进给驱动系统刚柔耦合多体动力学模型,得到机床的动态特性曲线。通过理论分析与仿真结果对比以及多刚性体模型和刚柔耦合模型仿真结果对比,验证建模方法的可行性,为提高仿真结果的正确性提供研究方法。     

低频伺服力激励下进给系统建模与动态响应分析

针对精密丝杠直线进给系统在低频伺服力激励下产生动态响应的原因及机理进行了建模研究,提出了一种进给系统动力学模型。其特色在于不同于伺服输出力高频成分或其他方向高频激励可能会引起机械系统共振的建模分析,描述了伺服电动机的伺服输出力的低频谐波成分对进给系统动态响应的影响。采用集中参数法建立了进给系统的动力学模型,利用拉格朗日方法,推导了精密车床进给系统的运动方程。仿真和试验结果表明:1伺服力矩中存在着众多的谐波成分,频率数值远远低于进给系统的第一阶固有频率66 Hz,而且随着速度的增大,频率分量增大;2刀尖点在z轴进给方向振型所对应的第一个固有频率,仿真与试验结果误差在5%之内,验证了所建动力学模型的有效性;3与测量的匀速运动下刀塔运动速度响应对比,所建模型能有效地反映伺服输出力低频谐波成分对机械系统动态响应的影响;响应的幅值变化量15%左右。最后指出,在精密机床进给系统设计中,必须考虑伺服激励的低频谐波成分带来机械系统的微小强迫振动。     

基于机电耦合的进给系统动态特性仿真与性能优化

机床进给系统存在复杂的机电耦合作用,机械结构和伺服系统共同影响进给系统的动态性能。在进行机床进给系统动态性能分析时,集中参数模型和有限元模型均无法同时兼顾计算效率和计算精度的要求,模态缩减法的提出,可极大地缩短计算时间,同时保证了分析计算的精度。基于模态缩减法建立机床进给系统机电耦合模型,以某进给系统试验台为研究对象,进行仿真与试验对比,验证了所建立的机电耦合仿真模型的有效性;基于该进给系统机电耦合模型,综合利用试验设计、响应面拟合及多目标优化算法,以轴承预紧力和伺服控制参数为变量,优化了某动立柱式精密卧式加工中心进给系统的动特性。结果表明,X,Y,Z轴定位精度、响应效率略有提高,X,Y,Z轴轴向振幅分别下降70.08%,63.76%,79.32%,动态特性提高显著。     

进给系统机电耦合仿真建模与误差影响规律分析

由于各种原因引起的复杂机电耦合现象对机床进给系统的动态精度有着重要的影响。进给系统作为加工中心的重要组成部分，其动态特性会直接影响到加工中心的加工质量和效率，因此对于加工中心进给系统动态性能的要求也越来越高。为了研究进给系统机电耦合作用下的动态特性，同时对滚珠丝杠进给系统进行动力学建模与三环伺服控制系统建模，对进给系统动态响应误差影响规律进行分析。首先利用Simulink仿真工具建立进给系统的动力学仿真模型；接着在所构建的机电联合Simulink仿真模型中，综合考虑了系统三环控制参数、丝杠间隙、速度、加速度等因素对系统跟随误差的影响；最后通过所搭建的单轴伺服进给系统实验平台进行了验证，明确了速度、加速度与跟随误差的相关性。     

数控机床多能量源的动态能耗建模与仿真方法

机床能量消耗过程的评估和分析是机床能效优化研究的基础。现有研究提出的机床能耗模型主要是静态能耗模型,少数对机床动态性能耗的研究又主要集中在机床运行状态的动态性的建模,缺乏对机床能量源特别是数控机床多能量源的动态性能耗的研究。针对数控机床能量源多、加工任务及加工参数动态变化等特点,提出了一种数控机床多能量源的动态能耗建模与仿真方法。对数控机床能耗过程的动态性进行分析;在此基础上,结合面向对象着色赋时Petri网(Colored timed object-oriented Petri net,CTOPN)和虚拟部件方法建立数控机床多能量源动态能耗模型,其中CTOPN模型用于描述数控机床能耗过程机床和多能量源运行状态的动态特性,虚拟部件方法用于描述数控机床多能量源受加工参数影响的动态特性;通过CTOPN中"变迁"蕴含的信息来驱动虚拟部件模型实现对数控机床多能量源的动态能耗特性的建模。案例分析结果证明了该方法的可行性,上述模型可为数控机床动态能耗的预测、综合的能耗特性分析以及定量的能耗影响因素分析提供一种基础支持,具有较广阔的应用前景。     

基于机电-刚柔混合的H型双驱进给系统状态相关动态特性分析

动态特性是影响H型双驱进给系统定位精度的关键因素。基于重心驱动原理的H型双驱进给系统在位置状态变化时无法保证双轴驱动力合力通过运动件重心造成系统产生动态误差,从而导致H型双驱进给系统的定位精度提升依然存在困难。从H型双驱进给系统的结构特性分析出发,考虑H型横梁和移动部件位置状态对系统动力学参数的影响,建立了H型双驱进给系统刚柔耦合动力学模型。结合伺服电机控制模型,采用状态空间方法得到H型双驱进给系统的机电-刚柔混合模型。利用模态实验验证所建立的动力学模型的正确性。通过数值仿真分析了系统对阶跃信号、S型信号和斜坡信号的响应特性,得到了H型横梁和移动部件位置状态、进给速度状态和同步控制策略对H型双驱进给系统的动态误差、跟踪误差和同步误差大小的影响规律。所建立的机电-刚柔混合模型能够有效地揭示H型双驱进给系统状态相关参数对系统定位精度的影响,可为H型双驱进给系统同步控制和误差补偿研究奠定理论基础。     

斜床身车床进给系统动态特性分析

用有限元法对一台数控斜床身车床进给系统的动态特性进行分析,探讨了有限元模型中结合面的建模方法、接触刚度的计算方法,通过模态分析和谐响应分析,得出了机床进给系统固有频率和振动特性,为进给系统的结构优化和动态性能的提高提供可靠的依据。     

基于SIMULINK的串联调速阀二次进给液压系统仿真分析

以机床动力滑台调速阀串联二次进给液压子系统为研究对象,建立了其数学模型和Simulink仿真模型,对其动态响应性能进行仿真,为串联调速阀二次进给液压系统的选择、优化设计、参数匹配和性能分析提供理论依据。     

大型曲轴车铣机床伺服进给系统设计研究

在大型曲轴车铣机床进给系统设计中,依据该机床的车铣和受力特点,在进给系统中采用了双蜗杆无间隙传动机构,采用了直线伺服双驱动机构。并以直线单驱动为基础,引入了交流伺服电动机和传动机构的数学模型,并运用传统PID算法对所设计的进给系统进行控制计算,利用MATLAB对系统的动态性能进行仿真,并确定了伺服机构的参数,并以此又给出了避免直线双驱动过定位的条件,为大型曲轴加工机床进给系统的设计提供了理论依据。     

The development of an in-process surface roughness adaptive control system in end milling operations

An in-process surface roughness adaptive control (ISRAC) system in end milling operations was researched and developed. A multiple regression algorithm was employed to establish two subsystems: the in-process surface roughness evaluation (ISRE) subsystem and the in-process adaptive parameter control (IAPC) subsystem. These systems included not only machine cutting parameters such as feed rate, spindle speed, and depth of cut, but also cutting force signals detected by a dynamometer sensor. The multiple-regression-based ISRE subsystem predicted surface roughness during the finish cutting process with an accuracy of 91.5%. The integration of the two subsystems led to the ISRAC system. The testing resulted in a 100% success rate for adaptive control, proving that this proposed system could be implemented to adaptively control surface roughness during milling operations. This research suggests that multiple linear regression used in this study was straightforward and effective for in-process adaptive control.     

数控机床旋转进给系统的状态空问模型及性能分析

高性能多坐标数控机床的摆头、转台等旋转进给系统多采用永磁同步伺服电机进行直接驱动,其控制问题较常规进给系统更为复杂。因此建立更为科学的适用于直接驱动的永磁同步电机的数学模型对提高旋转进给系统的控制水平具有重要意义。本文提出在矢量控制的基础上建立直接驱动用永磁同步电机的状态空间模型的方法,并运用现代控制理论对系统的能控性、可观测性及稳定性等进行分析和计算以及对系统进行极点配置,并用Simulink进行了系统仿真,为数控机床旋转进给伺服系统的设计和分析提供了理论基础和分析方法。     

虚拟装配支持系统中面向多方案工艺规划的研究

主要介绍了我们正在进行的“虚拟装配支持系统”(Virtual Assem bly Support System,VASS)开发计划中面向多方案工艺规划部分的最新进展。这一计划的目的在于开发出一套能够直接或间接地支持产品装配设计、装配工艺规划等工作的软件系统。本文主要论述了这一工作的理论基础。首先 ,对于目前在装配建模方面的研究做了简介 ;然后 ,着力阐述了应用于 VASS系统中面向多方案工艺规划部分的装配信息建模方法与基于规则的推理方法 ;最后 ,对 VASS系统中面向多方案工艺规划部分的体系结构进行了介绍     

无温度传感器的数控机床进给轴热误差补偿

分析了目前常见的进给轴热误差补偿方法的缺点,如需要多个温度传感器、模型的鲁棒性较差等。提出一种基于无温度传感器的、强鲁棒性的机床进给轴热误差补偿方法,在恒温环境下实现对运动生热导致的热误差的补偿。给出了热误差模型的推导过程以及应用ISIGHT平台进行参数优化的过程。热误差模型基于摩擦生热、热传导和散热机理实时预测滚珠丝杠的温度场,以实现预测并补偿丝杠热误差的目的。在一台立式加工中心VMC850上对x、y、z轴进行了热误差测试并给出了模型的仿真效果。在另一台立式加工中心VMC850上采用激光干涉仪进行了热误差补偿前后的对比试验和加工对比试验。试验结果表明,该热补偿方法具有很高的精度稳定性和强鲁棒性。     

某数控雕铣机进给传动系统建模与仿真

进给传动系统的性能对数控机床的跟踪及定位精度、加工表面质量等有着重要的作用。针对某数控雕铣机的进给传动系统,提出了一种分析建模的方法。依据机械动力学原理建立了机床进给传动系统的数学模型,利用Matlab中的Smulink对其动态响应性能进行仿真,然后将线性和非线性仿真曲线进行对比,结果发现非线性因素对传动性能有较大影响。通过仿真结果可对其进给传动性能进行研究,以便对机床的参数进行调整。所得结论为该数控雕铣机进给系统的优化设计提供了理论支持。     

数控机床NURBS曲线插补运动误差分析与仿真

介绍了NURBS曲线插补算法,并指出实现NURBS曲线插补的关键是,在插补周期内由进给步长求得曲线参数的增量.分析了数字伺服运动误差产生的原因,建立了伺服系统差分方程.在不同的进给速率和曲率半径条件下,对工件轮廓误差进行了仿真.仿真结果显示,数控机床NURBS插补的轮廓误差与进给速度及给定曲线的曲率半径有关.在大的进给速率或小的曲率半径条件下,伺服滞后所引起的轮廓误差是不可忽视的因素.     

Research on thermal dynamics characteristics and modeling approach of ball screw

Empirical modeling of machine tools on thermal error has been widely researched, which can compensate for thermal error to some extent but not suitable for thermal dynamic error produced by dynamics heat sources. Ball screw is the main member of feed system of machine tool. On the basis of the theory of heat transfer, thermoelastic phenomenon of unidimensional heat transferring of the ball screw influenced by changeable heat sources is analyzed. A method to establish a dynamics characteristics model of thermal deformation of the ball screw based on least square system identification theory is put forward. Through simulation data, correctness and validity of modeling approach is proven. By this method, modeling of thermal error of X-axis of feed system of DM4600 vertical miller is established which has good identification effect.     

机电一体化系统概念设计的基本原理

本文提出了机电一体化系统主要由广义执行机构子系统、信息处理及控制子系统、传感检测子系统组成。机电一体化系统从实质来说是现代化的机械系统。广义执行机构子系统由驱动元件和执行件（或执行机构）组成,用来传递动力、完成运动。信息处理及控制子系统由电子计算机来完成,传感检测子系统由传感器来实现,它们是现代机械系统重要的特征。由驱动元件和执行件（或执行机构）组成的广义执行机构子系统,是现代机械系统又一重要特征,构成了可控的传动和执行系统。由于三个子系统均以功能来划分,因此形成了较为合理的机电一体化系统的概念设计框架模型,有利于深入开展机电一体化的概念设计研究。     

基于89C51的水产养殖多环境参数测控系统

为了实现对水产养殖多环境参数的实时监测和控制,采用PC机为上位机,89C51为下位机,阐述了水产养殖多环境参数测控系统的设计方案,实现了对溶解氧、pH值、温度、水位的实时精确采集。提出了基于模糊．PID控制的环境参数估算策略。试验结果表明,该系统能实现对水产养殖环境参数的准确监控、增产效果显著。     

A sample construction method in kinematics characteristics domain to identify the feed drive model

The modeling accuracy of feed drive is mainly affected by two factors: the accuracy of model form and the completeness of sample data which is used to identify the parameters of the established model form. One of the main works of this study is to construct the experimental trajectories which are used to obtain the sample data. Different from the trajectories selected based on the researcher's experience in previous literatures which lacks theoretical evidence to confirm the completeness of the sample data, in this paper, a reverse construction method of experimental trajectory is proposed based on the required sample data. First, the completeness of sample data is analyzed, and the samples are generated by using the Hammersley sequence method. Then, the experimental trajectories are derived. In addition, considering that the data of the feed system has temporal correlations between the adjacent motion states in time sequence, this study made some improvements on the modeling framework composed of the first-principle model and machine learning model. The experiments conducted in the actual feed drive system showed that the maximum prediction error of the tracking error is 7.8%, which confirmed the effectiveness of the designed trajectories and the high accuracy of the proposed model. Furthermore, the advantage of the proposed trajectory is confirmed by the comparison experiment. At the same time, the same trajectories are used to train different model forms to verify the advantage of the proposed model. The proposed feed drive modeling method can be used for designing a high-performance feed drive control system or compensating errors when generating motion commands, thereby improving the machining accuracy of machine tool.