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《吉林大学》 2011年
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串并联数控机床伺服进给系统机电耦合特性研究

张邦成  
【摘要】:串并联数控机床打破了传统机床结构的概念,兼有传统C型串联机床工作空间大、数控系统成熟的特点及并联机床加工精度高,刚性好的特点,大大提高了机床的刚度,适于复杂曲面的加工,提高了加工精度和加工质量。其伺服进给系统是一类高精密的复杂机电系统,具有结构稳定、运动高效、控制准确的特点。论文以设计的3-PTT串并联数控机床为研究对象,研究其伺服进给系统机电耦合特性,根本目的是探索耦合对机构运动的约束机制,分析耦合参数与系统运动及控制的相关机理,指导数控机床结构优化设计及伺服系统的参数匹配,解决数控机床由于机电耦合问题而产生加工精度不能充分满足要求、工作效率低、可靠性不高的问题,以提高数控机床综合性能及生产水平。 设计了一种适用于复杂曲面加工的串并联数控机床伺服进给系统结构并采用分解与综合的方法对机床机构构型、运动副类型、连接元件、空间自由度进行分析,采用基于奇异约束条件和耦合因素的方法分析了机床工作空间,并进行了串并联的仿真分析,仿真结果能够准确反映机床实际加工范围,为研究串并联机构构型规律、运动学及动力学分析提供了参考,为数控机床机电解耦控制提供依据。 研究了串并联数控机床伺服进给系统力学耦合特性。分别进行了机床力学耦合参数计算、静力学耦合建模、静力学耦合仿真、动力学耦合建模及动力学耦合仿真的研究工作。解决了力学平衡规律、机构刚度、驱动参数与外负载之间关系等耦合问题,为运动学耦合问题的分析提供参考和依据。其中静力学有限元仿真分析表明:机床伺服进给系统关键构件的刚度及受力变形符合机床工作需要。动力学计算实例及联合仿真分析表明:根据负载的运动规律可有效地分析动平台和加工工具的受力与运动的关系,为系统的设计和优化提供依据。 研究了串并联数控机床伺服进给系统运动学耦合特性。采用正、逆解的方法分析了运动学特性,详细分析了运动学数学模型,采用数学计算分析软件对串并联机构的牛顿——欧拉方程进行数学分析,得出串并联机构中各运动副的轨迹曲线图,并进行运动学仿真。进一步得出伺服进给机构的运动曲线图,将两次仿真分析得出的结果进行对比分析,计算实例及仿真结果表明:设计的机床运动速度快且运行平稳,无较大奇异状态及耦合误差,受力与速度关系符合动力学规律。 建立了串并联数控机床伺服进给系统机电耦合模型。阐述了串并联数控机床复杂机电系统耦合理论及建模方法,通过耦联关系建立了伺服系统的数学模型。建立伺服系统模型后,利用软件对该模型进行了仿真,验证了耦合参数对系统的影响。为串并联数控机床解耦控制奠定了基础。 针对串并联数控机床伺服进给系统机电耦合建模分析提出的问题,运用遗传算法整定PID参数,强跟踪滤波器解决负载扰动和工况干扰对系统性能影响的方法,对串并联数控机床的伺服进给系统进行解耦控制,消除了耦合因素对串并联数控机床伺服进给系统的影响,提高零件的加工精度和表面质量,使机床的机械系统与控制系统更好的配合,解决了数控机床由于机电耦合问题而产生加工精度不能充分满足要求、工作效率低、可靠性不高的问题,提高了数控机床的使用性能及加工效率。同时,也为数控机床生产厂家其伺服系统优化设计及参数调节,提高国产数控机床出厂的调试效率和生产水平提供了参考依据。这对加速数控机床核心技术的自主发展,提升我国机床制造业的制造生产水平具有深远意义。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TG659

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