数控机床轮廓误差的插补预测补偿控制研究

伺服系统的基本原则是闭环控制,跟踪误差必然存在.如果多轴联动设备上使用伺服系统驱动进给轴,跟踪误差会引起加工轮廓误差.高精度数控机床要求轮廓误差越小越好.文章在定位过程中的伺服系统位置跟踪误差曲线等效成梯形曲线的基础上,从插补控制器着手研究跟踪误差的预测补偿控制.试验结果证明该控制方法简单有效.     

XY平台直线伺服系统的IP变增益交叉耦合控制

XY平台直线伺服系统中,负载扰动、机械时间延迟及各轴响应速度不同会影响轮廓加工精度,为此提出了一种将积分-比例(I-P)控制、速度前馈控制及变增益交叉耦合控制相结合的控制策略。单轴采用由IP控制和前馈控制构成的复合速度控制器,IP控制具有快速响应和抑制扰动的能力,速度前馈控制可增加系统跟踪能力,降低机械时间延迟效应。间接减小轮廓误差。并且,在X、Y轴间加入变增益交叉耦合控制器,直接减小轮廓误差。仿真结果表明该控制方案可增强系统的鲁棒性,提高系统的快速性和轮廓加工精度。     

基于PMSM的交流伺服系统电流环设计及整定

交流伺服系统的控制结构及其控制器性能直接影响整个系统的动态性能,基于PMSM的交流伺服系统内环电流环调节是高性能伺服系统构成的根本.文章在分析了交流伺服系统三环控制结构的基础上,建立了电流闭环控制的动态数学模型并进行等效简化,设计了电流环调节器及对系统性能进行校正,在MATLAB/SIMULINK环境进行了数控铣齿机床伺服系统电流环整定计算.结果表明电流环整定提高了系统的快速性和抑制电流环内部的干扰,系统性能显著提高.     

数控伺服系统跟踪及轮廓误差分析

分析了数控加工中伺服系统跟踪误差和轮廓误差的计算方法,详细讨论了双轴数控加工中轴跟踪误差和轮廓误差之间的关系。指出了多轴加工中轮廓误差建模和误差控制方法的理论意义和应用价值。     

一种进给伺服系统非线性PID交叉耦合控制

提高多轴伺服系统的轮廓跟随性能是现代计算机数控加工的重要应用之一。针对传统交叉耦合控制方法对自由曲线轨迹的轮廓跟踪精度较差以及传统PID控制系统抗扰性和鲁棒性较差的问题,提出一种基于自抗扰控制的交叉耦合轮廓误差补偿综合控制策略,该策略由用于位置环反馈控制和轮廓误差补偿的新型非线性PID (NLPID )、位置伺服控制器 TNP-ADRC 和基于NLPID的变增益交叉耦合控制器组成。在MATLAB/Simulink环境下对方波信号跟踪和标准圆轮廓加工过程中轮廓误差的变化情况进行仿真,仿真结果表明：与传统PID交叉耦合控制相比,该方法不仅能够有效提高系统的鲁棒性以及抗干扰能力,并且能够显著提高多轴运动控制系统的轮廓加工精度。     

MATLAB仿真在数控伺服系统轮廓误差分析中的应用

分析了数控系统的伺服结构,根据数控伺服系统模型的传递函数,从数学上分析了直线轮廓和圆弧轮廓数控加工的轮廓误差.利用MATLAB的SIMULINK对数控伺服系统进行了建模,分别给出了直线轮廓加工、圆弧轮廓加工和螺旋线轮廓加工的轮廓误差仿真图形.该仿真结果与数学分析计算结果一致.     

基于误差相关性分析的复合伺服控制器设计

由于伺服系统控制精度对超精密机床性能具有很大影响,伺服系统控制器方案需要根据实际应用的需求进行设计;而位置跟踪误差是机床伺服系统的主要评价标准之一.本文根据实测数据,提出了基于相关性分析的位置伺服控制器改进方案,对跟踪误差与速度、加速度等进行相关性分析,设计了具有速度、加速度前馈补偿的复合控制器.通过对补偿前后系统响应的实验数据进行比较,可以看出进给伺服系统的控制精度显著提高,有效减少了跟踪误差.     

基于前馈控制的数控机床进给运动轮廓误差分析

轮廓运动控制是运动控制领域研究的重要课题之一,其广泛应用于数控机床与其它自动化运动控制系统中。由于位置伺服系统跟随误差的存在,导致直线和圆弧运动时产生轮廓运动误差。前馈控制是一种有效减小跟随误差的方法,已广泛应用于数控机床进给运动控制。文章研究了两轴匹配时前馈控制增益和前馈控制滤波器带宽对两轴轮廓运动精度,特别是圆弧运动精度的影响。结论对合理选择前馈控制参数,提高轮廓运动精度具有实际应用价值。     

基于前馈控制的机床加工外形误差抑制

传统位置控制系统很难满足高精度、高响应定位要求,文章对伺服系统跟随误差引起的机床加工外形误差进行了分析,提出了一种基于伺服系统前馈控制功能,调整伺服系统位置控制参数,抑制数控机床加工外形误差的方法.     

永磁直线电机驱动XY平台精密轮廓跟踪控制

为了减少高速进给率条件下轮廓跟踪过程中产生的轮廓误差,提出了一种将PDFF位置控制器与模糊交叉耦合控制器相结合的控制策略。首先,通过调节前馈增益,PDFF位置控制器可以综合利用PDF控制和PI控制的优点;其次,基于自由曲线轮廓误差模型来计算轮廓误差,并且提出一种以两轴的位置跟踪误差以及轮廓误差为输入的模糊交叉耦合器来减少轮廓跟踪过程中产生的轮廓误差;最后,空载与负载实验结果表明,与传统的交叉耦合结构相比,该方法在高速进给率条件下可以有效降低XY平台的轮廓误差,并且可以提高轮廓跟踪系统的鲁棒性。     

Position command shaping control in a retrofitted milling machine

A position command shaping controller, hybrid structure of feedforward controller and cross-coupling controller, for accurate contouring in motion control is proposed in this paper. The feedforward controller can improve tracking performance of single axis and the cross-coupling controller guarantees the reduction in contour error for multi-axis motion. When compared with the conventional motion system, this new structure has the advantage that the compensators have a simpler design process than conventional ones and so does its stability analysis. The proposed compensators (or controllers) are evaluated and compared experimentally with a traditional controller on a microcomputer controlled dual-axis positioning system. The experimental results show that the new hybrid structure reduces remarkably the tracking error and contour error. In addition, this new controller can be implemented easily on a majority of motion systems in use today via reprogramming the reference position command subroutine.     

电液伺服系统的模糊自适应复合控制研究

电液位置伺服系统的阻尼比较低,造成电液位置伺服系统响应速度慢及跟踪性能较差。为解决此问题,提出一种模糊自适应控制与速度正反馈、加速度负反馈相结合的复合控制策略。通过速度正反馈来提高系统的开环增益,加速度负反馈提高阻尼比,从而提高系统动态响应速度并减小位置误差。利用前馈控制拓宽系统频宽,进一步减小位置跟踪误差。对传统PI控制、模糊PI控制、模糊PI复合控制算法下的系统响应性能进行仿真分析,结果表明:采用所提出的复合控制策略时,系统动态响应速度比模糊PI控制提高约76.9%,比传统PI控制提高约84.2%,其位置跟踪误差几乎为0。     

无凸轮内燃机伺服压电液压执行机构及其控制研究

为解决大部分可变气门控制器无法实现气门的完全可变性,提出一种包含压电和液压部件的伺服压电液压执行机构。采用自适应前馈控制器实现伺服压电液压执行机构的有效控制。构造伺服压电液压执行机构模型,建立伺服压电液压执行机构中压电结构、伺服活塞结构和液压结构的数学模型。设计一种包含2个前馈控制器和1个反馈控制器的自适应前馈控制器。采用MATLAB软件对伺服压电液压执行机构进行仿真,并与传统PI控制器的控制结果进行对比。结果表明:采用自适应前馈控制器的伺服压电液压执行机构的跟踪性能明显提高,跟踪误差减少约50%,控制电压范围也大大减小。该执行机构能很好地实现无凸轮内燃机气门的有效控制。     

基于迭代学习的直驱XY平台抗干扰复合控制

直驱XY平台在微电子封装领域有着广泛应用,针对扰动下难以实现XY平台高精密轨迹跟踪的问题,对双轴运动的轮廓误差模型以及抗扰控制机理进行研究,并提出了有效的控制方法。分析并建立了二维轨迹运动轮廓误差模型,在此基础上,单轴采用基于干扰观测器的双闭环前馈复合控制方式,轴间则利用迭代学习控制率构建基于轮廓误差的位置跟踪控制器进行协调控制。仿真结果表明,相比传统的PID控制,加入干扰观测器的双闭环前馈复合控制能实现更高的位置跟踪精度,且具有更好的抗干扰能力;经过1次迭代学习过程后,最大轮廓误差降低到2~3μm,充分满足高精度XY平台轨迹运动的要求。     

数控进给伺服系统的预见前馈补偿控制研究

论文针对数控进给伺服系统跟踪轨迹事先已知的特点，在常规反馈控制结构基础上引入预见前馈补偿控制；通过增加扩展误差系统状态变量方法，将P—PI串级进给伺服系统控制变换为状态反馈，运用偏微分最优化法求解预见前馈补偿控制系数。从而在不改变原有系统稳定性的基础上。利用预见前馈将位置给定量提前作用于速度控制器输入端，大大减小了位置跟踪误差。仿真例子验证了该方法的有效性。     

基于多轴运动控制方法的高速切削复合轨迹研究

为了解决复杂曲面数控加工中的高速数控加工问题,从过程集成控制的角度构建了多轴平滑运动模型、插补控制、位置跟踪等。速度优化模型采用数学方法,构造了加、减速控制。速度预处理中通过简化优化模型,提出了柔性加减速控制算法,并对其进行了优化设计。为了克服高速进给系统的非线性影响,通过引入新的加速度和速度的前馈控制,提出了高速位置跟踪算法;实现了基于双核处理器的嵌入式数控系统,且该结构能保证六轴插补周期的要求。现场数据显示该系统在高速运动平稳性好,能满足叶轮复杂轨迹控制要求等。     

基于摩擦补偿的电液作动器高精度控制

电液作动器因其集成度高、占用空间小,容易组成分布式集中控制系统,在航空航天与工程机械领域飞速发展,但是在低速运行工况下,由于摩擦力以及液压系统的非线性等因素,难以完成高精度轨迹跟踪工作甚至产生低速爬行。为此,从摩擦特性对电液作动器轨迹跟踪精度的影响出发,提出一种前馈补偿+ESO的控制策略,引入LuGre动态摩擦力中的鬃毛平均变形量,建立精确伺服系统状态空间方程,在Simulink平台上搭建摩擦力模型和泵控非对称缸模型,采用正弦位置指令对该解决方案的轨迹跟踪精度进行了仿真验证。结果表明:前馈补偿+ESO的控制策略跟踪误差仅为常规PID控制的1/4,跟踪精度达到0.2 mm。     

电液位置伺服系统的模糊CMAC神经网络控制研究

本文提出了一种模糊ＣＭＡＣ神经网络的结构和算法。该网络通过权系数的在线学习,实现修正模糊逻辑。将此网络作为前馈补偿单元,与ＰＤ控制器一志构成一种自学习控制器,并对带有未知负载干扰的某电液位置系统进行动态仿真。结果表明,该控制器具有强的鲁棒性以及良好的跟踪特性。     

Theory and application of a combined feedback–feedforward control and disturbance observer in linear motor drive wire-EDM machines

This paper presents a combined two-degree-of-freedom controller and disturbance observer design for a direct drive motion control system actuated by permanent-magnet linear synchronous motors (PMLSM). A feedback controller based on pole-placement design method is proposed to achieve desired tracking performance as well as stabilize the closed-loop system. A newly designed feedforward controller is proposed to reduce tracking errors based on an inverse model of the direct drive system. A digital disturbance observer is implemented to be included in the proposed feedback–feedforward control structure to compensate for nonlinear friction, cogging effects, and external load disturbance. Furthermore, the proposed control scheme has been verified as being internally stable. Experimental results indicate that the proposed controller can achieve a high contouring accuracy of ±0.3 μm as well as provide disturbance rejection and robustness. The maximum contour error of circular trajectory was reduced from 8.5 to 3.2 μm in comparison with proportional-integral-derivative (PID) controller.     

一种用于疲劳及动静载实验的电液伺服控制器研究

电液伺服控制器是风机轴系疲劳实验和动静载实验测试台的重要组成部分。设计了一种基于C8051F060的电液伺服控制器。给出了该控制器的系统结构设计方案,并详细介绍了控制器的硬件设计和软件设计。对常规PID算法和前馈PID控制算法进行了对比分析与研究,并在MATLAB环境下分别对其进行仿真,验证了前馈PID控制的良好动态跟踪性能。最后在实验测试台上测试性能,实验结果表明:该控制器与传统的控制器相比,具有结构简单,控制精度高、控制平稳,动态跟踪性能好等优点,能够满足设计要求。