縱向、橫向工作臺(tái)的進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

畢業(yè)論文論文題目：縱向、橫向工作臺(tái)的進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)校：專業(yè)：姓名：指導(dǎo)老師：完成設(shè)計(jì)時(shí)間：目錄摘要 1第1章緒論 21.1進(jìn)給伺服系統(tǒng)的概述 21.1.1進(jìn)給伺服系統(tǒng)的組成 21.1.2進(jìn)給伺服系統(tǒng)的分類 31.1.3進(jìn)給伺服系統(tǒng)的特點(diǎn) 41.1.4進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求 41.2進(jìn)給伺服系統(tǒng)的發(fā)展 51.3課題研究意義與內(nèi)容 61.3.1課題研究的來源 71.3.2課題研究的背景 71.3.3課題研究的內(nèi)容 7第2章交流進(jìn)給伺服系統(tǒng)的構(gòu)成概述 82.1驅(qū)動(dòng)裝置-永磁同步電動(dòng)機(jī) 82.1.1永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的組成結(jié)構(gòu) 82.2傳動(dòng)裝置-滾珠絲杠副 82.2.1滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)及工作原理 82.2.2滾珠絲杠副的特點(diǎn) 82.2.3滾珠絲杠副的參數(shù)及精度 92.2.4滾珠絲杠副的安裝方式 102.3運(yùn)動(dòng)裝置-工作臺(tái)導(dǎo)軌 102.4檢測裝置-莫爾條紋式光柵 112.4.1光柵的應(yīng)用組成 11第3章交流進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建模 123.1PMSM伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建模 123.1.1PMSM伺服系統(tǒng)電流環(huán)設(shè)計(jì) 12第4章交流伺服系統(tǒng)參數(shù)整定與仿真 144.1PMSM進(jìn)給伺服系統(tǒng)主要部件的選型 144.1.1直線運(yùn)動(dòng)單元的選型 144.1.2位置檢測元件的選型 14第5章交流進(jìn)給伺服系統(tǒng)的智能控制 165.1模糊自適應(yīng)PID控制 165.2混合型模糊PID控制 165.3三種PID控制的比較 17第6章結(jié)論與展望 18致謝 19參考文獻(xiàn) 縱向、橫向工作臺(tái)的進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要數(shù)控車床是工程機(jī)械的重要設(shè)備之一,它綜合了機(jī)械、電子、自動(dòng)控制、精密檢測等高科技術(shù)。隨著社會(huì)的多樣化需求及相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步,數(shù)控車床正向著高精度、高速度的領(lǐng)域發(fā)展。其中,進(jìn)給伺服系統(tǒng)作為數(shù)控裝置和車床機(jī)械傳動(dòng)部件間的聯(lián)系環(huán)節(jié),其動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能決定了數(shù)控車床刀塔的運(yùn)動(dòng)速度、定位精度及工作可靠性等技術(shù)指標(biāo)。所以,研究與提高伺服系統(tǒng)的技術(shù)性能及可靠性,是實(shí)現(xiàn)高精密數(shù)控車床的關(guān)鍵技術(shù),對(duì)于數(shù)控車床具有重大現(xiàn)實(shí)意義。本課題內(nèi)容為精密數(shù)控車床的刀塔進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì),主要做了以下幾方面的研究工作:(1)在分析刀塔進(jìn)給伺服系統(tǒng)和電力拖動(dòng)自動(dòng)控制工作特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,采用了全閉環(huán)位置伺服控制的設(shè)計(jì)方案對(duì)精密數(shù)控車床刀塔進(jìn)給伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制。(2)對(duì)PMSM進(jìn)給伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)、調(diào)速、機(jī)械傳動(dòng)和進(jìn)給環(huán)節(jié)進(jìn)行了設(shè)計(jì)建模。(3)為PMSM進(jìn)給伺服系統(tǒng)的主要部件進(jìn)行了實(shí)際選型。(4)對(duì)PMSM進(jìn)給伺服系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)整定,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行Simulink仿真,并從時(shí)域、頻域兩方面對(duì)系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行了分析。(5)采用模糊自適應(yīng)PID、混合型模糊-PID及傳統(tǒng)PID三種控制策略分別對(duì)PMSM進(jìn)給伺服系統(tǒng)進(jìn)行智能控制,并對(duì)三種控制策略下的性能進(jìn)行了比較分析。研究結(jié)果表明,PMSM進(jìn)給伺服系統(tǒng)能夠滿足精密數(shù)控車床刀塔的進(jìn)給要求。而且三環(huán)結(jié)構(gòu)可使進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度大大提高;其中全閉環(huán)控制有效地減少了機(jī)械傳動(dòng)部分給系統(tǒng)帶來的誤差。關(guān)鍵字:精密數(shù)控;進(jìn)給伺服系統(tǒng);PMSM;三環(huán)控制;模糊控制第1章緒論1.1進(jìn)給伺服系統(tǒng)的概述數(shù)控伺服系統(tǒng)是以機(jī)床移動(dòng)部件的位移和速度為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng),它的作用是接受數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進(jìn)給速度和位置指令信號(hào),經(jīng)轉(zhuǎn)換放大后,由伺服驅(qū)動(dòng)裝置和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)床的工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng).伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分,包括主運(yùn)動(dòng)伺服系統(tǒng)和進(jìn)給伺服系統(tǒng),進(jìn)給伺服系統(tǒng)的性能在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的加工精度與質(zhì)量。伺服(Servo)—詞來源于拉丁語,其意味著“伺侯”和“服從”,所謂伺服系統(tǒng)(Servo-System),廣義上是指用來控制被控對(duì)象的某種狀態(tài)或某個(gè)過程,使其輸出量能自動(dòng)地、連續(xù)地、精確地復(fù)現(xiàn)或跟蹤輸入量的變化規(guī)律。其控制行為的主要特性表現(xiàn)為輸出“服從”輸入,輸出“跟隨”輸入(為此伺服系統(tǒng)也叫做隨動(dòng)系統(tǒng))。從狹義上而言,對(duì)于被控量(輸出量)是負(fù)載機(jī)械空間位置的線性位移或角位移,當(dāng)位置給定量(輸入量)做任意變化時(shí),使其控制量(輸出量)快速、準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)給定量的變化。在機(jī)械制造行業(yè)中,各種機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分的運(yùn)動(dòng)軌跡控制、位置控制等,都是依靠各種伺服系統(tǒng)控制的,尤其是能依靠多套位置伺服系統(tǒng)的配合,完成復(fù)雜的空間曲線運(yùn)動(dòng)的控制,如數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給控制、機(jī)器人手臂關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)控制等。進(jìn)給伺服系統(tǒng)用于解決工業(yè)生產(chǎn)及其他部門中各種復(fù)雜的定位控制及目標(biāo)跟蹤控制問題,是運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支。1.1.1進(jìn)給伺服系統(tǒng)的組成伺服系統(tǒng)由被控對(duì)象、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、控制器和傳感器等五大部分組成。(1)伺服系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件有電氣的、液壓的、氣壓的。其中伺服電動(dòng)機(jī)是電氣的。在小功率伺服系統(tǒng)中多用永磁式伺服電動(dòng)機(jī),如直流伺服電動(dòng)機(jī)、直流無刷伺服電動(dòng)機(jī)、永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)。在大功率或較大功率情況下也可釆用電勵(lì)的直流或交流伺服電動(dòng)機(jī)。此外,還有特殊伺服電動(dòng)機(jī),如步進(jìn)伺服電動(dòng)機(jī)、磁阻式伺服電動(dòng)機(jī)、力矩伺服電動(dòng)機(jī)、直線伺服電動(dòng)機(jī)等。(2)伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器伺服驅(qū)動(dòng)器主要起功率放大的作用,根據(jù)不同的伺服電機(jī),輸出適合的電壓和頻率(對(duì)于交流伺服電機(jī)),控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速,滿足伺服系統(tǒng)的要求。由于伺服電動(dòng)機(jī)需要四象限運(yùn)行,故伺服驅(qū)動(dòng)器必須是可逆的,中、小功率的伺服系統(tǒng),常用IGBT或Power-MOSFET構(gòu)成的PWM電力電子功率變換器。(3)伺服系統(tǒng)的控制器伺服控制器是伺服系統(tǒng)的核心部件,由它實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)的控制規(guī)律,控制器應(yīng)根據(jù)偏差信號(hào),經(jīng)過必要的控制算法,產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào)。(4)伺服系統(tǒng)的傳感器精確而可靠地發(fā)出給定信號(hào)并檢測被控對(duì)象的實(shí)際位置、速度、電流是伺服系統(tǒng)工作良好的基本保證。傳感器將具體的直線、轉(zhuǎn)角或轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成模擬的或數(shù)字的電量,再通過信號(hào)處理電路或相應(yīng)的算法,形成與控制器輸入量相匹配的信號(hào),然后根據(jù)偏差信號(hào)實(shí)施控制,最終消除偏差。1.1.2進(jìn)給伺服系統(tǒng)的分類(1)按執(zhí)行元件分類按執(zhí)行元件的物理性質(zhì)不同可分為:電氣伺服系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)、電液伺服系統(tǒng)、氣壓伺服系統(tǒng)。本課題主要設(shè)計(jì)的是電氣伺服控制系統(tǒng),故重點(diǎn)介紹電氣伺服系統(tǒng)。其中電氣伺服系統(tǒng)按所使用的電動(dòng)機(jī)類型又可分為以下幾種。(a)步進(jìn)伺服系統(tǒng)步進(jìn)伺服系統(tǒng)又稱開環(huán)位置伺服系統(tǒng),其執(zhí)行元件為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)最簡單、控制最容易、維修最方便。其為全數(shù)字化(即數(shù)字化的輸入指令脈沖對(duì)應(yīng)著數(shù)字化的輸出)控制,符合數(shù)字化控制技術(shù)的要求。數(shù)控系統(tǒng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制電路結(jié)合為一體。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,除功率驅(qū)動(dòng)電路之外,其他硬件電路均可由軟件實(shí)現(xiàn),從而簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),降低了成本,提高了伺服系統(tǒng)的可靠性。(b)直流伺服系統(tǒng)直流伺服系統(tǒng)常用的伺服電動(dòng)機(jī)有小慣性直流伺服電動(dòng)機(jī)和永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)(也稱為大慣量寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī))。小慣量伺服電動(dòng)機(jī)最大限度地減少了電樞的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,所以能獲得最好的快速性,在早期的數(shù)控車床上應(yīng)用較多,現(xiàn)在也有應(yīng)用。小慣量伺服電動(dòng)機(jī)一般都設(shè)計(jì)成具有較高的額定轉(zhuǎn)速和較低的慣量,所以應(yīng)用時(shí)要經(jīng)過中間機(jī)械傳動(dòng)(如減速器)才能與絲杠相連接。目前,許多數(shù)控車床上仍使用這種電動(dòng)機(jī)的直流伺服系統(tǒng)。永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)是有電刷,限制了轉(zhuǎn)速的提高,而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格較貴。(C)交流伺服系統(tǒng)交流進(jìn)給伺服系統(tǒng)使用永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)。由于直流伺服電動(dòng)機(jī)存在著有電刷等一些固有缺點(diǎn),其應(yīng)用環(huán)境受到限制。交流伺服電動(dòng)機(jī)沒有這些缺點(diǎn),且轉(zhuǎn)子慣量較直流電動(dòng)機(jī)小,使其動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。另外,在同樣體積下,交流電動(dòng)機(jī)的輸出功率可比直流電動(dòng)機(jī)提高10%至70%。同時(shí)交流電動(dòng)機(jī)的容量可以比直流電動(dòng)機(jī)造的大,達(dá)到更高的電壓和轉(zhuǎn)速。因此,交流伺服系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展,已經(jīng)形成伺服系統(tǒng)的主流。從20世紀(jì)80年代后期開始,大量使用交流伺服系統(tǒng),有些國家的廠家己全部使用了交流伺服系統(tǒng)。1.1.3進(jìn)給伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)(1)精確的檢測裝置,以組成電流、速度和位置閉環(huán)控制。(2)有多種反饋比較原理與方法。根據(jù)檢測裝置實(shí)現(xiàn)信息反饋的原理不同,伺服系統(tǒng)反饋的比較的方法也不相同。目前常用的是脈沖比較、相位比較和幅值比較三種。(3)高性能伺服電動(dòng)機(jī)。用于高效和復(fù)雜型面加工的數(shù)控機(jī)床,由于伺服系統(tǒng)經(jīng)常處于頻繁地啟動(dòng)和制動(dòng)過程中,因此要求電動(dòng)機(jī)的輸出力矩與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的比值要大,以產(chǎn)生足夠大的加速或制動(dòng)力矩。并且伺服電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)有足夠大的輸出力矩且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),以便在與機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分連接中盡量減少中間環(huán)節(jié)。(4)寬調(diào)速范圍的速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。從系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)看,數(shù)控機(jī)床的位置閉環(huán)可以看作是位置調(diào)節(jié)為外環(huán)、速度和電流調(diào)節(jié)為內(nèi)環(huán)的閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng),其內(nèi)部的實(shí)際工作過程是把位置控制輸入轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的速度給定信號(hào),再通過調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī),實(shí)現(xiàn)實(shí)際位移。數(shù)控機(jī)床的主軸運(yùn)動(dòng)要求調(diào)速性能也比較高,因此要求伺服系統(tǒng)為高性能的寬調(diào)速。1.1.4進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求理想情況下,伺服控制系統(tǒng)的被控量和給定值任何時(shí)候都應(yīng)該相等,完全沒有誤差,而且不受干擾的影響。然而在實(shí)際系統(tǒng)中,由于機(jī)械部分質(zhì)量、慣量的存在以及電路中電感、電容的存在和能源功率的限制,運(yùn)動(dòng)部件的加速度不會(huì)很大,速度和位移不會(huì)瞬間變化,而要經(jīng)歷一段時(shí)間。通常把系統(tǒng)受到外加信號(hào)(給定值或干擾)作用后,被控量隨時(shí)間變化的全過程稱為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程,則系統(tǒng)的控制性能的優(yōu)劣,可以從動(dòng)態(tài)過程中較充分地顯示出來。本課題主要研究應(yīng)用在數(shù)控車床上的伺服系統(tǒng)。故主要介紹針對(duì)數(shù)控機(jī)床伺服控制系統(tǒng)的技術(shù)要求。其中數(shù)控車床加工機(jī)械零件的基本要求是:保證點(diǎn)位控制的定位精度和重復(fù)精度,連續(xù)控制的輪廓切削精度,加工表面達(dá)到要求的表面粗糙度,合適的快速移動(dòng)和加工進(jìn)給速度,以及在運(yùn)動(dòng)速度和工作負(fù)載范圍內(nèi)穩(wěn)定可靠地工作。歸納起來,對(duì)數(shù)控車床伺服系統(tǒng)有以下幾項(xiàng)要求。(1)工作精度數(shù)控車床的工作精度包括定位精度和綜合加工精度兩項(xiàng)指標(biāo)。定位精度是指工作臺(tái)、刀架或主軸由某點(diǎn)移到另一點(diǎn)時(shí),指令值與實(shí)際移動(dòng)距離的最大差值。綜合加工精度是指最后加工出來的工件尺寸與所要求的尺寸的誤差。車床精度,尤其是伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)的精度是影響伺服系統(tǒng)工作精度的主要因素。(2)調(diào)速性能伺服系統(tǒng)在全部負(fù)載工作情況下,應(yīng)具有很寬的調(diào)速范圍,以適應(yīng)工件材料、尺寸和刀具變化的需要。為了保證精度定位,伺服系統(tǒng)的低速趨近為0.1m/min;為了縮短輔助時(shí)間,快速移動(dòng)速度可高達(dá)15m/min。如此寬的調(diào)速范圍是伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的難題。(3)負(fù)載能力車床工作負(fù)載主要包括在加工條件下工作進(jìn)給必須克服的切削力,執(zhí)行元件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)需要克服的摩擦力及各構(gòu)件加減速運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣性力。這些負(fù)載在調(diào)速范圍內(nèi)和調(diào)速過程中是變化的,伺服系統(tǒng)必須適用外加載荷的變化。負(fù)載變化對(duì)系統(tǒng)輸出位移的影響程度,標(biāo)志系統(tǒng)的伺服剛度,是伺服系統(tǒng)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。(4)響應(yīng)速度響應(yīng)速度的大小不僅影響機(jī)床的加工效率,而且影響加工精度。標(biāo)志響應(yīng)速度的參數(shù)是系統(tǒng)時(shí)域階躍響應(yīng)下的時(shí)間常數(shù),他反映速度變化的快慢,即加減速的能力。一般來說,系統(tǒng)增益大,時(shí)間常數(shù)小,響應(yīng)就快。但增大系統(tǒng)增益將增大超調(diào)量,延長調(diào)節(jié)時(shí)間,使過渡過程性能指數(shù)下降,甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。若減小系統(tǒng)增益,又會(huì)增加穩(wěn)態(tài)誤差。所以應(yīng)適當(dāng)選擇系統(tǒng)增益,以便獲得合理的響應(yīng)速度。(5)穩(wěn)定性穩(wěn)定性是伺服系統(tǒng)能否正常工作的前提,特別要求數(shù)控車床在低速進(jìn)給情況下不產(chǎn)生爬行,并能適應(yīng)負(fù)載變化不產(chǎn)生共振。穩(wěn)定性與系統(tǒng)的慣性、剛性、阻尼及增益等有關(guān),應(yīng)適當(dāng)選擇各項(xiàng)參數(shù),以達(dá)到最佳工作穩(wěn)定性。對(duì)數(shù)控車床伺服系統(tǒng),影響車床加工過程穩(wěn)定性的主要因素是伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性,而伺服系統(tǒng)的增益和伺服剛度是評(píng)價(jià)影響穩(wěn)態(tài)特性的兩個(gè)重要參數(shù)。1.2進(jìn)給伺服系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)給伺服系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步在很大程度上取決于伺服驅(qū)動(dòng)元件的發(fā)展水平。隨著數(shù)控技術(shù)的演變和發(fā)展,進(jìn)給伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件大致經(jīng)歷了三個(gè)階段。(1)20世紀(jì)60年代以前。這是電液伺服和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)的全盛時(shí)期。電液驅(qū)動(dòng)具有慣性小、反應(yīng)靈敏、剛性好等特點(diǎn),早期的數(shù)控車床大多采用電液伺服系統(tǒng)。但是電液驅(qū)動(dòng)設(shè)備復(fù)雜、效率低、發(fā)熱大、噪音大、維護(hù)困難。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng),具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、使用維修方便的優(yōu)點(diǎn),在當(dāng)時(shí)被大力推廣,至今仍在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床中使用。(2)20世紀(jì)60-70年代。功率晶體管和晶體管脈寬調(diào)制(PWM)驅(qū)動(dòng)裝置的出現(xiàn),加速了直流pcM伺服系統(tǒng)性能的提高和推廣,直流伺服逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。小慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)具有電摳回路時(shí)間常數(shù)小、調(diào)速范圍寬、轉(zhuǎn)向特性好的特點(diǎn),在一部分需要頻繁啟動(dòng)和快速定位的機(jī)床(如鉆床、沖床等)上迅速推廣。大慣量寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī),由于輸出扭矩大,過載能力強(qiáng),電動(dòng)機(jī)慣性與機(jī)床傳動(dòng)部件的慣性相當(dāng),可直接帶動(dòng)絲杠,易于控制與調(diào)整,在數(shù)控車床上得到廣泛應(yīng)用。直流伺服系統(tǒng)的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜,價(jià)格昂貴,電刷對(duì)防油、防塵要嚴(yán)格,易磨損,需要定期維護(hù)。(3)20世紀(jì)80年代以后。由于交流(AC)伺服電動(dòng)機(jī)的材料、結(jié)構(gòu)、控制理論及方法都有了突破性的進(jìn)展,使交流伺服系統(tǒng)得到很快發(fā)展,并有逐漸取代直流伺服系統(tǒng)之勢。交流伺服系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、不需要維護(hù),適合在較惡劣的環(huán)境中使用。交流伺服系統(tǒng)主要有模擬式、混合式和全數(shù)字式三大類。模擬交流伺服系統(tǒng)用途單一,功能擴(kuò)展性不好,但價(jià)格便宜?；旌鲜浇涣魉欧到y(tǒng)功能強(qiáng),各種監(jiān)控參數(shù)均以數(shù)字方式設(shè)定,全部伺服的控制模型和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償均由通用高速微處理器及其控制軟件進(jìn)行處理,采樣周期只有零點(diǎn)幾毫秒,有的系統(tǒng)還自帶三環(huán)(電流一速度一位置),使用方便,價(jià)格適中,是當(dāng)前實(shí)際應(yīng)用最多的系統(tǒng)。全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)是隨開放式數(shù)控系統(tǒng)一起發(fā)展起來的一種新型伺服系統(tǒng),它的特點(diǎn)是通過增強(qiáng)軟件功能,將專用硬件改為通用硬件,各種控制方式和不同規(guī)格、功率的伺服電動(dòng)機(jī)的監(jiān)控程序(數(shù)據(jù)),分別賦以軟件代碼全部存入機(jī)內(nèi),廠商或用戶只需設(shè)定其軟件代碼和相關(guān)數(shù)據(jù)即可使用,通用性好,自檢能力強(qiáng),控制與調(diào)試極為方便。同時(shí)由于通用硬件的釆用,易于降低系統(tǒng)的生產(chǎn)成本。當(dāng)今,交流伺服系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化,即在伺服系統(tǒng)中,除了驅(qū)動(dòng)級(jí)外,電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)全部數(shù)字化。全部伺服的控制模型、數(shù)控功能、靜動(dòng)態(tài)補(bǔ)償、前饋控制、最優(yōu)控制、自學(xué)習(xí)功能等均由微處理器及其控制軟件高速實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)。其性能更加優(yōu)越,已達(dá)到和超過直流伺服系統(tǒng),是高精密伺服控制領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的形式。1.3課題研究意義與內(nèi)容1.3.1課題研究的來源本課題屬國家十一五機(jī)床重大專項(xiàng)。1.3.2課題研究的背景數(shù)控車床綜合了當(dāng)今世界上許多領(lǐng)域最新的技術(shù)成果,主要包括精密機(jī)械、計(jì)算機(jī)及信息處理、自動(dòng)控制及伺服驅(qū)動(dòng)、精密檢測及傳感、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)。數(shù)控車床制造業(yè)是關(guān)系到國家戰(zhàn)略地位和體現(xiàn)國家綜合國力的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè),其技術(shù)水平的高低和擁有量的多少是衡量一個(gè)國家工業(yè)化的重要標(biāo)志。近些年來,數(shù)控車床被廣泛的應(yīng)用于我國的制造業(yè),在國內(nèi)工業(yè)發(fā)達(dá)的地區(qū)已經(jīng)得到普及。隨著社會(huì)的多樣化需求及其相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步,數(shù)控車床也向著更廣的領(lǐng)域和更深的層次發(fā)展。高精數(shù)控技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的重要內(nèi)容之一,各國對(duì)高速高精數(shù)控技術(shù)都極為重視,國際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)(CIRP)將其確定為21世紀(jì)的研究方向。伺服驅(qū)動(dòng)的進(jìn)給伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置和車床機(jī)械傳動(dòng)部件間的聯(lián)系環(huán)節(jié),是數(shù)控車床的重要組成部分。其控制精度是保證數(shù)控系統(tǒng)加工精度的關(guān)鍵。它包括機(jī)械、電子、電動(dòng)機(jī)等各種部件。并涉及到強(qiáng)電與弱電控制,是一個(gè)復(fù)雜的控制系統(tǒng)。而伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能決定了數(shù)控車床的最高運(yùn)動(dòng)速度、跟蹤及定位精度、加工表面質(zhì)量、生產(chǎn)率及工作可靠性等技術(shù)指標(biāo)。數(shù)控車床的故障也主要出現(xiàn)在伺服系統(tǒng)上。所以,提高伺服系統(tǒng)的技術(shù)性能和可靠性,對(duì)于數(shù)控機(jī)床具有重大意義,研究與發(fā)高性能的伺服系統(tǒng)一直是現(xiàn)代數(shù)控車床的關(guān)鍵技術(shù)之一。1.3.3課題研究的內(nèi)容(1)確定精密數(shù)控車床刀塔進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制方案。(2)對(duì)PMSM進(jìn)給伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)、調(diào)速、機(jī)械和進(jìn)給環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)建模。(3)為PMSM進(jìn)給伺服系統(tǒng)主要部件進(jìn)行實(shí)際選型。(4)對(duì)PMSM進(jìn)給伺服系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)整定,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行Simulink仿真,從時(shí)域、頻域兩方面對(duì)系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行分析。(5)對(duì)PMSM進(jìn)給伺服系統(tǒng)進(jìn)行智能控制,并對(duì)模糊自適應(yīng)PID、混合型模糊-PID及傳統(tǒng)PID三種控制策略進(jìn)行比較分析。第2章交流進(jìn)給伺服系統(tǒng)的構(gòu)成概述交流進(jìn)給伺服系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各種精密的機(jī)械加工設(shè)備,尤其在數(shù)控系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。目前,在數(shù)控車床、工業(yè)機(jī)器人等小功率應(yīng)用場合,采用數(shù)字控制的稀土永磁正弦波伺服電動(dòng)機(jī)(PMSM)為控制對(duì)象的全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)正逐漸取代以直流伺服電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象的直流伺服系統(tǒng),這是由于永磁同步電動(dòng)機(jī)能滿足進(jìn)給伺服系統(tǒng)的高精度要求,特別適合于低轉(zhuǎn)速和負(fù)載不斷沖擊的場合。因此基于PMSM進(jìn)給伺服系統(tǒng)的模型建立及其性能的分析,成為提高數(shù)控系統(tǒng)加工精度的必要條件,同時(shí)也為具體的加工過程提供了理論基礎(chǔ)。2.1驅(qū)動(dòng)裝置一永磁同步電動(dòng)機(jī)2.1.1永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的組成結(jié)構(gòu)永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。轉(zhuǎn)子上裝有特殊形狀的永磁體,用來產(chǎn)生恒定磁場。轉(zhuǎn)子上的永磁材料可以采用鐵氧體或稀土永磁材料。高性能而價(jià)格適宜的永磁材料為提高電動(dòng)機(jī)的伺服性能和實(shí)用化提供了條件。由于轉(zhuǎn)子上沒有勵(lì)磁繞組,由永磁體產(chǎn)生磁場,因而不需要引入勵(lì)磁電流,電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的發(fā)熱只取決于電樞電流。在電動(dòng)機(jī)的定子鐵芯上繞有三相電樞繞組,接在可控制的變頻電源上。與其他形式的同步伺服電動(dòng)機(jī)相比,它出力大、體積小、耗電少、結(jié)構(gòu)簡單、可靠,是同步伺服電動(dòng)機(jī)中最主要的品種,目前,功率從幾瓦到幾百瓦,甚至可達(dá)幾千瓦,并在各種自動(dòng)控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。2.2傳動(dòng)裝置一滾珠絲桿副2.2.1滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)及工作原理滾珠絲杠副是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的新型理想動(dòng)裝置。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是具有螺旋槽的絲杜螺母間裝有滾珠作為中間傳動(dòng)件,以減少摩擦。滾珠絲杠副的工作原理是:在絲杠和螺母上加工有弧形螺旋槽,當(dāng)把它們套裝在一起時(shí)形成螺旋通道,并且滾道流動(dòng),減少摩擦阻力,滾珠在絲杠上滾過數(shù)圈后,通過回程引導(dǎo)裝置,逐個(gè)滾回到絲杠和螺母之間,構(gòu)成一個(gè)閉合的回路管道。2.2.2滾珠絲杠副的特點(diǎn)在傳動(dòng)時(shí),滾珠與絲杠、螺母之間基本上是滾動(dòng)摩擦,所以具有很多優(yōu)、缺點(diǎn):(1)傳動(dòng)效率高。滾珠絲杠副傳動(dòng)效率很高達(dá)92%至98%,是普通絲杠傳動(dòng)2至4倍。(2)摩擦力小。因?yàn)闈L珠滾動(dòng)時(shí)的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)相差小,因而傳動(dòng)靈敏,運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、低速運(yùn)動(dòng)不易產(chǎn)生爬行,隨動(dòng)精度和定位精度高。 (3)使用壽命長。滾珠絲杠副采用優(yōu)質(zhì)合金鋼制成,其滾道表面經(jīng)萍火熱處理后硬度高達(dá)HRC60~62,表面粗糙度值小,另外,因?yàn)槭菨L動(dòng)摩擦,故磨損很小。(4)剛度高。滾珠絲杠副經(jīng)預(yù)緊后可以消除軸向間隙,提高系統(tǒng)的剛度。(5)運(yùn)動(dòng)精度高。由于反向運(yùn)動(dòng)時(shí)無空行程,可以提高軸向運(yùn)動(dòng)精度。(6)制造成本高。滾珠絲杠對(duì)自身的加工精度和裝配精度要求嚴(yán)格,其制造成本大大高于普通絲杠。(7)不能實(shí)現(xiàn)自鎖。由于其摩擦系數(shù)小不能自鎖,當(dāng)其作用于垂直位置時(shí),為防止因突然停電而造成箱體自動(dòng)下滑,必須加有制動(dòng)裝置。綜合滾珠絲杠副具有這些特點(diǎn),數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)普遍采用滾珠絲杠。2.2.3滾珠絲杠副的參數(shù)及精度 滾珠絲杠副的參數(shù)有:(1)名義直徑:滾珠與螺紋滾道在理論接觸角狀態(tài)時(shí)包絡(luò)滾珠球心的圓柱直徑,它是滾珠絲桿副的特征尺寸。(2)導(dǎo)程:絲桿相對(duì)于螺母旋轉(zhuǎn)任意弧度時(shí),螺母上基準(zhǔn)點(diǎn)的軸向位移。(3)基本導(dǎo)程:絲杠相對(duì)于螺母旋轉(zhuǎn)2;r弧度時(shí),螺母上基準(zhǔn)點(diǎn)的軸向位移。(4)接觸角:在螺紋滾道法向剖面內(nèi),滾珠球心與滾道接觸點(diǎn)的連線和螺紋軸線的垂直線間的夾角,理想接觸角等于45度。此外還用螺紋大徑、絲桿螺紋小徑、螺紋全長、滾珠直徑、螺母螺紋大徑、螺母螺紋小徑、滾道圓弧偏心距以及滾道圓弧半徑等。其中,導(dǎo)程的大小是根據(jù)機(jī)床的加工精度要求確定的。精度要求高的,應(yīng)將導(dǎo)程取小些,這樣在一定的軸向力作用下,絲打?上的摩擦阻力較小。為了使?jié)L珠絲奸副具有一定的承載能力,滾珠直徑不能太小。導(dǎo)程取小了,就勢必將滾珠直徑取小,滾珠絲桿副的承載能力亦隨之減小。若絲桿副的名義直徑不變,導(dǎo)程小,則螺旋升角也小,傳動(dòng)效率也變小。因此導(dǎo)程的數(shù)值在滿足機(jī)床加工精度的條件下,應(yīng)盡可能取大些。滾珠絲杠副的精度等級(jí)為1-10級(jí)精度,代號(hào)分別為1-10。其中1級(jí)為最高,依次逐級(jí)降低。滾珠絲杠副的精度包括元件的精度和裝配后的綜合精度,其中包括導(dǎo)程誤差、絲桿大徑對(duì)螺紋軸線的徑向圓跳動(dòng)、絲桿和螺母表面粗糙度、有預(yù)加載荷時(shí)螺母安裝端面對(duì)絲桿螺紋軸線的圓有預(yù)加載荷時(shí)螺母安裝直徑對(duì)絲桿螺紋軸線的徑向圓跳動(dòng)以及滾珠絲樸名義直徑尺寸變動(dòng)量等。在開環(huán)數(shù)控機(jī)床和其他精密機(jī)床中,滾珠絲桿的精度直接影響定位精度和隨動(dòng)精度。對(duì)于閉環(huán)系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床,絲奸的制造誤差使得它在工作時(shí)負(fù)載分布不均勾,從而降低承載能力和接觸剛度,并使預(yù)緊力和驅(qū)動(dòng)力矩不穩(wěn)定。因此,傳動(dòng)精度始終是滾珠絲桿最重要的質(zhì)量指標(biāo)。2.2.4滾珠絲杠副的安裝方式螺母座、絲杠的軸承及其支架等剛性不足,將嚴(yán)重地影響滾珠絲杠副的傳動(dòng)剛度。因此,螺母座應(yīng)有加強(qiáng)助,以減少受力后的變形,螺母座與床身的接觸面積宜大,其連接螺釘?shù)膭偠纫矐?yīng)高,定位銷要緊密配合,不能松動(dòng)。滾珠絲杠常用推力軸承支承,以提高軸向剛度(當(dāng)滾珠絲杜的軸向負(fù)載很小時(shí),也可用深溝球軸承支承),滾珠絲杜的支承方式有以下幾種:(1)一端裝推力軸承。這種安裝方式只適用于短絲桿,它的承載能力小、軸向剛度低,一般用于數(shù)控機(jī)床的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)或升降臺(tái)式數(shù)控機(jī)床的立向(垂直)坐標(biāo)中。(2)—端裝推力軸承,另一端裝深溝球軸承。當(dāng)滾珠絲桿較長時(shí),一端裝推力軸承固定外,另一自由端裝深溝球軸承。應(yīng)將推力軸承遠(yuǎn)離液壓馬達(dá)熱源及絲杠上的常用段,以減少絲桿熱變形的影響。(3)兩端裝推力軸承。把推力軸承裝在滾珠絲桿的兩端,并施加預(yù)緊拉力,這樣有助于提高剛度,但這種安裝方式對(duì)絲杠的熱變形較為敏感。(4)兩端裝推力軸承及深溝球軸承。為使絲桿具有較大剛度,他的兩端可用雙重支承,即推力軸承加深溝球軸承,并使絲奸具有較大剛度,方式可使絲桿的溫度變形轉(zhuǎn)化為推力軸承的預(yù)緊力,但設(shè)計(jì)時(shí)要求提高推力軸承的承載能力和支架剛度。2.3運(yùn)動(dòng)裝置一工作臺(tái)導(dǎo)軌工作臺(tái)導(dǎo)軌對(duì)數(shù)控機(jī)床的精度有很大影響。導(dǎo)軌的制造誤差直接影響工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的幾何精度。導(dǎo)軌的摩擦特性影響工作臺(tái)的定位精度和低速進(jìn)給的均勻性。導(dǎo)軌的材料和熱處理影響工作精度的保持性。按機(jī)床調(diào)節(jié)技術(shù)的要求,希望工作臺(tái)導(dǎo)軌要?jiǎng)偠却蟆⒛Σ列『妥枘嵝阅芎?。在?shù)控機(jī)床中主要使用三種類型的導(dǎo)軌:滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾柱導(dǎo)軌和靜壓導(dǎo)軌。對(duì)于滑動(dòng)導(dǎo)軌,如果絲杠工作中系統(tǒng)總剛度增加,則會(huì)使阻尼比得到顯著提高。對(duì)滾柱導(dǎo)軌,只有當(dāng)潤滑劑是帶有極化添加物的潤滑劑時(shí),系統(tǒng)剛度的增加才會(huì)使阻尼比增加,否則阻尼和剛度之間沒有依賴關(guān)系。對(duì)于靜壓導(dǎo)軌,影響阻尼性能的因素只有粘性摩擦和系統(tǒng)剛度。靠改變液體粘性來影響阻尼式有限的,應(yīng)確保絲杠工作臺(tái)系統(tǒng)具有很好的剛度值。2.4檢測裝置一莫爾條紋式光柵位置檢測元件是半閉環(huán)和閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)的重要組成部分。實(shí)踐證明,一個(gè)設(shè)計(jì)完善的閉環(huán)控制系統(tǒng),其定位精度和加工精度主要取決于位置檢測元件的性能。2.4.1光柵的應(yīng)用組成光柵是利用光的反射、投射和干涉現(xiàn)象制成的一種光電檢測裝置,有物理光柵和計(jì)量光柵。物理光柵刻線較細(xì)密,兩刻線之間距離(柵距)在0.002mm至0.005mm之間,通常用于光譜分析和光波波長的測定。計(jì)量光柵刻線較粗,柵距在0.004mm至0.025mm之間,在數(shù)字檢測系統(tǒng)中,通常用于高精度位移的檢測,是數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用較多的一種檢測裝置,尤其是在閉環(huán)伺服系統(tǒng)中。光柵位置檢測裝置由光源、長光柵(標(biāo)尺光柵)、短光柵(指示光柵)和光電元件組成。第3章交流進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建模由于交流位置伺服電機(jī)的數(shù)學(xué)模型具有非線性、強(qiáng)稱合的性質(zhì),僅采用單環(huán)閉環(huán)位置控制方式難以達(dá)到位置伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)要求。通常交流位置伺服系統(tǒng)都是建立在高性能(矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制)交流調(diào)速系統(tǒng)之上的,即在高性能交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再設(shè)置一個(gè)位置閉環(huán),就形成了電流、速度、位置三環(huán)控制系統(tǒng)。3.1PMSM伺服系統(tǒng)調(diào)速環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)建模PMSM位置伺服控制系統(tǒng)是由電流環(huán)、速度環(huán)及位置環(huán)構(gòu)成的三環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。以電流環(huán)和速度環(huán)為內(nèi)環(huán),位置環(huán)為外環(huán)的三環(huán)結(jié)構(gòu)可以使伺服系統(tǒng)獲得較好的動(dòng)態(tài)跟隨性能和抗干擾性能。其中,電流環(huán)的作用是改造內(nèi)環(huán)控制對(duì)象的傳遞函數(shù),提高系統(tǒng)的快速性,及時(shí)抑制電流環(huán)內(nèi)部的干擾。限制最大電流,使系統(tǒng)有足夠大的加速扭矩,并保障系統(tǒng)安全運(yùn)行;速度環(huán)的作用是增強(qiáng)系統(tǒng)抗負(fù)載擾動(dòng)的能力,抑制速度的波動(dòng);位置環(huán)的作用是保證系統(tǒng)靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)跟蹤性能,使整個(gè)伺服進(jìn)給系統(tǒng)能穩(wěn)定、高性能的運(yùn)行。伺服運(yùn)動(dòng)調(diào)速環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)的原則是:由內(nèi)環(huán)向外環(huán),一環(huán)一環(huán)地設(shè)計(jì)。對(duì)雙閉環(huán)的系統(tǒng)來說,先內(nèi)環(huán),即從電流環(huán)開始,根據(jù)電流環(huán)的要求,選擇它屬于哪種典型系統(tǒng),依調(diào)節(jié)對(duì)象選調(diào)節(jié)器及其參數(shù)。然后將電流閉環(huán)等效成一個(gè)小慣性環(huán)節(jié),使它成為外環(huán)(速度環(huán))的一個(gè)環(huán)節(jié)。再用同樣方法做外環(huán)(速度環(huán))的設(shè)計(jì)。也是將速度環(huán)校正成典型系統(tǒng),選調(diào)節(jié)器及計(jì)算其參數(shù)。3.1.1PMSM伺服系統(tǒng)電流環(huán)設(shè)計(jì)各環(huán)節(jié)性能的最優(yōu)化是整個(gè)伺服系統(tǒng)高性能的基礎(chǔ),而外環(huán)性能的發(fā)揮依賴于系統(tǒng)內(nèi)環(huán)的優(yōu)化。尤其是電流環(huán)是高性能PMSM位置伺服系統(tǒng)構(gòu)成的根本,其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征直接關(guān)系到矢量控制策略的實(shí)現(xiàn),也直接影響整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。系統(tǒng)中必須有快速的電流環(huán)以保證定、轉(zhuǎn)子電流對(duì)矢量控制指令的準(zhǔn)確跟蹤,這樣才能在電動(dòng)機(jī)模型中將定、轉(zhuǎn)子電壓方程略去,或僅用小慣量環(huán)節(jié)替代,達(dá)到矢量控制的目的。因而電流環(huán)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性直接關(guān)系到矢量控制策略的實(shí)現(xiàn),研究同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)必須涉及電流環(huán)的研究。(1)電流環(huán)的控制對(duì)象為PWM逆變器和PMSM的電樞回路。PWM逆變器一般可以看成具有時(shí)間常數(shù)T和控制增益K的一階慣性環(huán)節(jié)。(2)PMSM位置伺服控制系統(tǒng)對(duì)反饋電流測量器材的精度和相應(yīng)速度有較高的要求。這是因?yàn)殡娏骺刂频男阅芎碗娏鳈z測器件的性能有著密切的關(guān)系,高性能的轉(zhuǎn)矩控制必然要求有快響應(yīng)、低漂移的電流反饋檢測器件。通常,在交流伺服控制系統(tǒng)中采用零磁平衡式的霍爾效應(yīng)電流傳感器作為電流檢測器件。零磁平衡式霍爾效應(yīng)電流傳感器在一定的電流范圍內(nèi)具有良好的線性度。因此,可將由霍爾電流傳感器構(gòu)成的電流檢測環(huán)節(jié)當(dāng)作比例環(huán)節(jié)處理,其傳遞函數(shù)用Kf表示。(3)釆用PID電流調(diào)節(jié)器。由于電流反饋信號(hào)中含有較多的諧波分量,這些諧波分量容易引起系統(tǒng)振蕩,因此電流反饋信號(hào)都要經(jīng)過濾波。電流反饋濾波環(huán)節(jié)可以視為時(shí)間常數(shù)為T的一階慣性環(huán)節(jié)。但電流反饋濾波器對(duì)反饋信號(hào)起延遲作用,為了補(bǔ)償濾波環(huán)節(jié)對(duì)電流慣性的影響,在電流給定的輸入端設(shè)置了給定信號(hào)濾波器,且電流給定的濾波時(shí)間常數(shù)和反饋濾波時(shí)間常數(shù)相等。它可以讓給定信號(hào)與反饋信號(hào)經(jīng)過相同的時(shí)間延遲,使二者在時(shí)間上得到匹配。第4章交流伺服系統(tǒng)參數(shù)整定與仿真4.1PMSM進(jìn)給伺服系統(tǒng)主要部件的選型4.1.1直線運(yùn)動(dòng)單元的選型現(xiàn)今絕大多數(shù)數(shù)控機(jī)床證在使用中的精密工作臺(tái)都使用滾動(dòng)元件(球或滾柱)線性支承。這些元件分為兩個(gè)主要的類型:往復(fù)循環(huán)支撐(方軌和圓軌),它們可能有非常長的運(yùn)行距離,和做往復(fù)循環(huán)(球和桿及滾柱),它們提供非常平穩(wěn)的平移。本課題的運(yùn)行距離較大,故主要討論P(yáng)ARCK的往復(fù)循環(huán)支撐類型的直線運(yùn)動(dòng)單元。(1)方軌直線工作臺(tái)方型導(dǎo)軌是往復(fù)循環(huán)式滾珠支撐,設(shè)計(jì)用來在一個(gè)精密的直線路徑上移動(dòng)重負(fù)載。直線導(dǎo)向包有幾排往復(fù)循環(huán)的球支撐,坐落于一個(gè)方軌或矩形鋼軌上。軌道橫斷面使支滾道能在軌道側(cè)面內(nèi)研磨而成。這些支撐滾道做成同滾球支撐半徑大約相同的弧形。這樣增加滾珠和軌道之間的接觸表面,從而增加直線支撐的負(fù)載能力。這種支撐的行程只受可以提供的基座、軌道長度和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的限制。這種工作臺(tái)由精密研磨的滾珠螺桿驅(qū)動(dòng),參考性能同直線支撐匹配,使定位精度及負(fù)載/壽命性能都達(dá)到最優(yōu)化。方軌工作臺(tái)的關(guān)鍵特性是強(qiáng)度高、行程范圍長、精密度高。(2)圓軌支承是一種往復(fù)循環(huán)式直線支承系統(tǒng)。包括兩根大直徑的研磨的鋼桿,滾珠球形襯套裝在這兩根鋼桿上,這種襯套,內(nèi)有幾排往復(fù)循環(huán)式滾珠支承,以支撐運(yùn)動(dòng)的臺(tái)架允許非常長的運(yùn)行行程,球形襯套提供摩擦力低的、很好的負(fù)載能力。由于這種驅(qū)動(dòng)具有摩擦低、速度高、行程距離長和成本低的特性,非常適合應(yīng)用于采用雙圓軌支承系統(tǒng)的工作臺(tái)。結(jié)合本課題刀塔進(jìn)給伺服系統(tǒng)強(qiáng)度高、行程范圍長、精密度高等特點(diǎn),故選取方軌直線工作臺(tái)。4.1.2位置檢測元件的選型位置的檢測環(huán)節(jié),是進(jìn)給系統(tǒng)中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié),是依照具體條件和精度要求選用各種形式的位置檢測元件。對(duì)檢測元件的技術(shù)要求:(1)精度高,不靈敏區(qū)小,即分辨率要高,誤差應(yīng)比整個(gè)伺服系統(tǒng)允許誤差要小。(2)被檢測量與輸出信號(hào)間在給定工作范圍內(nèi)應(yīng)具有線性比例關(guān)系。(3)電輸出信號(hào)不受溫度、老化、大氣變化、電網(wǎng)電壓波動(dòng)及電磁干擾等因素短時(shí)或長時(shí)間擾動(dòng)影響,即要求輸出信號(hào)所含擾動(dòng)成分少。(4)輸出信號(hào)應(yīng)能在所要求的頻帶內(nèi)準(zhǔn)確地復(fù)出被測量,盡量避免儲(chǔ)能元件造成動(dòng)態(tài)滯后。(5)機(jī)電檢測元件自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要小,摩擦力或力矩要小。(6)檢測元件輸出的功率應(yīng)足夠大,以便不失真地傳遞信號(hào)和作進(jìn)一步信號(hào)處理。(7)應(yīng)兼顧可靠性、經(jīng)濟(jì)件、信用壽命、環(huán)保條件、體積、質(zhì)量等方面要求。第5章交流進(jìn)給伺服系統(tǒng)的智能控制智能控制是自動(dòng)控制發(fā)展的最新階段,主要用于解決傳統(tǒng)控制難以解決的復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題。所謂的智能控制,即設(shè)計(jì)一個(gè)控制器(或系統(tǒng),使之具有學(xué)習(xí)、抽象、推理、決策等功能,并根據(jù)環(huán)境(包括被控對(duì)象或被控過程)信息的變化做出適應(yīng)性反應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)由人來完成的任務(wù)。在工程實(shí)踐中,人們發(fā)現(xiàn),一個(gè)復(fù)雜的控制系統(tǒng)可由一個(gè)操作人員憑著豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得到滿意的控制效果。這說明,如果通過模擬人腦的思維方法設(shè)計(jì)控制器,可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的控制,由此產(chǎn)生了一種反應(yīng)人類智慧的智能控制一模糊控制。模糊控制自從1965年被Zadeh提出以來,廣泛應(yīng)用于溫度控制、核能技術(shù)、家電產(chǎn)品、煉鋼、地鐵等方面,國外己經(jīng)將模糊控制運(yùn)用于機(jī)床上。傳統(tǒng)的PID控制主要是控制具有確定模型的線性過程,在實(shí)際中,伺服系統(tǒng)運(yùn)行情況復(fù)雜,具有參數(shù)時(shí)變性和模型不確定性,而且進(jìn)給系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的模型建立涉及到摩擦特性,擾動(dòng)扭矩的因素,尤其是機(jī)械系統(tǒng)的阻尼、剛度慣量等參數(shù),尚不能可靠地獲得較好的PID參數(shù)。因此,采用并發(fā)展先進(jìn)的控制技術(shù),不斷改善與提高位置伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性及對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化的自適應(yīng)性和抗干擾性是一個(gè)當(dāng)今實(shí)際研究的必然趨勢。5.1模糊自適應(yīng)PID控制復(fù)雜系統(tǒng)通常難以建立數(shù)學(xué)模型,或者數(shù)學(xué)模型隨時(shí)間、外界條件變化而變化,傳統(tǒng)的比例-積分-微分控制及現(xiàn)代控制理論控制效果較差。但是比例-積分-微分控制是閉環(huán)系統(tǒng)控制的理論基礎(chǔ),在控制量變化的不同階段,采用不同的PID控制可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的簡單控制。模糊-PID控制通過分析偏差及偏差變化率,在線調(diào)整PID控制的比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù),實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的模糊自適應(yīng)PID控制。5.2混合型模糊-PID控制單純的模糊控制不甚理想,可以將模糊控制和PID控制結(jié)合起來形成混合型模糊-WD控制以達(dá)到改善系統(tǒng)的控制效果。其基本控制思想'是在大偏差范圍內(nèi)采用模糊控制,在小偏差范圍內(nèi)轉(zhuǎn)化成PID控制,兩者的轉(zhuǎn)換由事先給定的偏差范圍自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。其中控制器中PID控制器的主要作用在于消除穩(wěn)態(tài)誤差,改善穩(wěn)態(tài)性能;而模糊控制器的作用主要在于提高相應(yīng)的快速性,獲得優(yōu)良的動(dòng)態(tài)特性和較好的魯棒性。5.3三種PID控制的比較由三種PID控制仿真所得的時(shí)域性能性能比較可知:(1)采用傳統(tǒng)PID控制,上升時(shí)間較長,過程中無超調(diào)。 (2)采用模糊自適應(yīng)PID控制,對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)的影響不大,但上升時(shí)間比傳統(tǒng)PID控制有所減少,過程中無超調(diào)。(3)采用混合型模糊-PID控制,上升時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間均有所縮短,得到了較好的優(yōu)化仿真效果,過程中無超調(diào)。由此可以看出混合型模糊-PID控制仿真效果最好,傳統(tǒng)PID控制仿真效果較差。但是此三種PID控制都是建立在仿真相對(duì)理想的環(huán)境中得出的效果圖,實(shí)際應(yīng)用中影響效果曲線的因素有很多,每種控制影響的程度也不完全相同,進(jìn)而實(shí)際應(yīng)用中可能得出不同的控制效果。第6章結(jié)論與展望三環(huán)控制是進(jìn)給伺服系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)。本文結(jié)論主要有以下幾點(diǎn):(1)三環(huán)控制全閉環(huán)伺服進(jìn)給系統(tǒng)能夠滿足精密數(shù)控車床刀塔的進(jìn)給要求。而且三環(huán)結(jié)構(gòu)可使進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度大大提高,其中全閉環(huán)控制有效的減少了機(jī)械傳動(dòng)部分給系統(tǒng)帶來的誤差。(2)在此控制系統(tǒng)中由于存在積分作用的環(huán)節(jié)(PI調(diào)節(jié)器),在電流環(huán)和速度環(huán)的輸出中出現(xiàn)了超調(diào)現(xiàn)象。其仿真結(jié)果與理論設(shè)計(jì)具有一定的差距。結(jié)合實(shí)際情況來分析,可知出現(xiàn)超調(diào)的原因是由于在調(diào)速環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)時(shí)考慮了理論分析,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了簡化處理。這里的簡化主要是將非線性問題做線性化處理。(3)在采用Simulink仿真軟件對(duì)該進(jìn)給伺服系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上,通過對(duì)系統(tǒng)的三種PID控制結(jié)果進(jìn)行比較可知:混合型模糊-PID控制仿真效果最好,傳統(tǒng)PID控制仿真效果較差;而且三種控制均滿足了了該刀塔進(jìn)給伺服系統(tǒng)不應(yīng)有超調(diào)量的預(yù)期要求。(4)如果在實(shí)際裝置上再對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際調(diào)試,可能實(shí)際調(diào)試結(jié)果與仿真結(jié)果之間還將有一些差距。這些差距主要是由仿真所用系統(tǒng)模型的不準(zhǔn)確及系統(tǒng)模型參數(shù)本身的不確定性所造成的。雖然本文對(duì)刀塔進(jìn)給伺服系統(tǒng)進(jìn)行了研究,得到了一些可供實(shí)際工作參考的結(jié)論,但仍有許多工作有待于進(jìn)一步完善。(1)要實(shí)現(xiàn)高精度進(jìn)給控制,不但需要較高精度的控制系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng),更重要的要有高精密的檢測裝置,才能使伺服系統(tǒng)的控制精度得以在mm級(jí)甚至級(jí)。所以實(shí)現(xiàn)高精密實(shí)際項(xiàng)目時(shí)對(duì)部件的要求要高。而且在有負(fù)載情況下的進(jìn)給伺服系統(tǒng)的精度分析需做進(jìn)一步的研究。(2)在設(shè)計(jì)調(diào)速環(huán)節(jié)時(shí),PI調(diào)節(jié)器的整定是按照“工程最優(yōu)參數(shù)”來計(jì)算的,而在實(shí)際應(yīng)用中的參數(shù)又要進(jìn)行大范圍調(diào)整,才能得到較好的系統(tǒng)性能指標(biāo)。而加入模糊控制后,使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。因此有必要優(yōu)化智能控制,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)仿真與實(shí)際的無縫對(duì)接。致謝經(jīng)過近十個(gè)周的工作，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲，作為一個(gè)