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《上海交通大学》 2007年
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面向高速加工的NURBS曲线插补及直线电机鲁棒控制技术研究

徐荣珍  
【摘要】: 数控技术是现代制造业中的关键技术,集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体,具有高精度和高效率等特点,对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。数控加工向高速方向发展要求数控系统具有优良的数据通讯模式、先进的插补和伺服控制算法、快速的译码及刀补计算模块等,其中插补和伺服控制是数控加工中的核心功能模块,其性能好坏将直接影响加工精度和加工效率,研究适合高速加工特点的插补和控制算法,对于提高高速加工数控系统的性能具有十分重要的意义。本文在分析国内外数控技术发展现状和趋势的基础上,对高速数控加工中的NURBS曲线直接插补技术及直线电机鲁棒控制技术进行了深入研究,主要包括以下内容: 1.考虑进给速度和插补精度的关系,并结合柔性加减速机制,提出一种加速度和加加速度约束的平滑自适应NURBS(Non-uniform RationalB-spline)曲线插补算法。算法采用2阶Taylor展开式进行下一插补点的迭代计算,根据插补精度要求自适应调整进给速度,并在调整过程中采用加速度与加加速度约束的S型加减速曲线对进给速度重新规划,得到平滑的速度过渡曲线。算法保证了稳定而高速的进给速度,合理的误差范围和平滑无冲击的进给过程,有利于提高加工效率和加工质量。 2.进给速度和进给加速度是数控加工的重要加工参数,设置不当则会影响加工效率或对机床使用寿命产生影响。本文从机床加减速能力和插补精度方面考虑,分析高速加工中进给运动应满足的约束条件。将进给运动分解到各运动轴,根据机床进给轴的力学(电机驱动力/力矩、进给系统所受的惯性力及切削力)模型,推导了多轴联动加工时进给速度、加速度与各进给轴驱动能力以及加工路径几何特性之间的约束关系,使得加工过程中机床各运动轴的加减速始终处于其加工能力范围内。 3.对基于“最差状态点”进行加工的方法加以改进,提出满足插补精度和机床加减速双重约束的分段恒定速度自适应插补算法。算法根据加工路径的曲线信息、机床加工能力及加工要求确定“最差状态点”,并结合自适应插补思想,采用分段高速加工,根据进给约束模型得到不同恒定速度加工段及速度过渡段,并将这些信息存储在一个五元的自适应Lookup链表中,插补过程中通过查找该链表确定进给参数。与“最差状态点”加工方法相比,该算法能够在保证加工精度并满足机床加减速能力的前提下,充分利用机床的加工能力,缩短加工时间,提高加工效率。 4.直线电机是高速加工数控设备的发展趋势之一。由于直线电机的零传动特性,系统参数(动子质量、粘滞摩擦系数等)变化及外部干扰都将直接影响伺服系统的性能。本文针对直线电机伺服控制的特点,将二自由度控制思想与H_∞控制算法相结合,提出了一种“MMC(模型匹配控制)+H_∞+MFC(模型跟踪控制)”的复合控制器结构,对输入和输出分别设计控制器,一方面保证系统对指令的准确跟踪能力,另一方面保证系统对这些不确定性干扰因素的鲁棒性。 在上述研究的基础上,以实验室现有的直线电机和工控机为平台构建两轴联动原型系统,对提出的NURBS曲线插补算法及直线电机控制算法进行了实验测试。结果表明,本文设计的插补算法能够保证高速进给,满足插补精度要求,并且电机运行过程平稳无冲击,轮廓精度高。另外,电机控制算法的阶跃响应实验表明,该控制器对系统参数变化具有较强的鲁棒性,验证了该算法的可行性和优良的控制性能。
【学位授予单位】:上海交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TG659

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