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《浙江大学》 2010年
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基于全局任务坐标系的精密轮廓运动控制研究

胡楚雄  
【摘要】:在轮廓加工过程中,数控机床完成的加工轨迹是多轴协调运动的结果,其产品加工质量由轮廓误差(实际轮廓与期望轮廓之间的几何偏差)来衡量。如何在高速大曲率轮廓加工中保持微小的轮廓误差是当前多轴机械加工行业中亟待解决的难题。本论文据此提出了一种基于全局任务坐标系的精密轮廓运动控制方法:首先提出了一种新的适用于实时控制的轮廓误差精确计算模型和相应的正交全局任务坐标系,然后考虑实际机电系统动力学模型所具有的参数不确定性、不确定非线性以及外干扰,直接基于全局任务坐标系下的强耦合非线性系统动力学模型,最终设计出具有强协调能力和抗干扰能力的高性能轮廓运动控制器。该方法所采用的任务坐标系较之传统的任务坐标系具有轮廓误差计算精确、便于速度规划、适宜实时控制等优点,所采用的控制算法较之当前多轴系统常用的控制算法具有协调能力强、抗干扰能力强、轮廓运动控制精度高等优点,解决了两维系统的高速高精度大曲率轮廓运动控制问题,并为高维系统的精密轮廓运动控制提供了理论框架。 本论文首先依据轮廓误差的定义,结合微分几何知识,给出了一种新的适用于实时控制的轮廓误差精确计算模型—与已有的计算模型不同,该模型精确到真实轮廓误差的一阶近似值,仅依赖于期望轮廓的几何形状,而与期望运动点以及各轴跟踪误差无关。然后,基于该计算模型,提出了一种正交全局任务坐标系—与传统常用的局部任务坐标系依附于期望运动点不同,该全局任务坐标系只依赖于期望轮廓的几何特性,其中一个任务坐标轴直接对应于轮廓误差,用以约束实际运动点准确地运行在期望轮廓上,另一个任务坐标轴则对应运动路程,用以驱动实际运动点跟踪期望运动点。当构建好任务坐标系后,将笛卡尔坐标系里的多轴系统动力学模型变换为全局任务坐标系下的强耦合非线性系统动力学模型,并考虑实际物理系统动力学常具有的参数不确定性、不确定非线性以及外干扰,设计出具有强协调能力和抗干扰能力的自适应鲁棒精密轮廓运动控制器。此外,本论文还考虑到实际多轴机械系统中常具有的典型非线性干扰,并以定位力和死区为例,分别提出协调自适应鲁棒轮廓运动控制框架下的定位力补偿和死区补偿方案,理论和实验研究均证明了所提的补偿方法的有效性。最后,构建了高维系统中的轮廓误差计算模型以及相应的全局任务坐标系,并设计了高维系统的自适应鲁棒轮廓运动控制器,该控制器适用于高维数控机床和多轴机械臂等。 本论文提出的基于全局任务坐标系的精密轮廓运动控制方法,使得两维直线电机系统以角速度w=7rad/s、最大速度vmax=1.4m/s、最大加速度amax=9.8ms2跟踪长轴0.2m、短轴0.1m的椭圆时(高速小曲率轮廓跟踪),轮廓误差均方根值为2.70μm,最大轮廓误差为8.85μm;在以角速度w=7rad/s、最大速度vmax=1.4m/s、最大加速度amax=9.8m/s2跟踪长轴0.2m、短轴0.02m的椭圆时(高速大曲率轮廓跟踪),轮廓误差均方根值为2.20μm,最大轮廓误差为6.73μm。实验结果对比表明:所提的全局任务坐标系在高速大曲率轮廓运动控制性能上远强于传统常用的局部任务坐标系,其轮廓误差均方根值降低了61.1%;所提的轮廓运动控制器抗干扰能力强,且轮廓运动控制精度高;所提的定位力补偿有效提高了轮廓运动控制精度,有定位力补偿比无定位力补偿,轮廓误差均方根值降低了30%左右;所提的死区补偿也有效消除了死区的影响。实验结果证明所提方法是解决目前工业界多轴机械加工行业面临的高速高精度大曲率轮廓加工难题的有效途径,有望被应用于各种多轴运动系统中。 本论文共分为七章,现分别简述如下: 第一章,详细介绍了多轴轮廓运动控制的研究背景以及研究状况,归纳出高性能轮廓加工所涉及的高速高精度大曲率轮廓运动控制难题;简述了多轴机械系统常具有的典型非线性(死区、定位力和摩擦力)的研究现状;最后概述了本课题的研究意义及研究内容。 第二章,针对两维运动系统,提出了一种新的适用于实时控制的轮廓误差精确计算模型和正交全局任务坐标系。所提的轮廓误差计算模型精确到真实轮廓误差的一阶近似值,且不依赖于期望运动点和各轴的跟踪误差。所构造的正交全局任务坐标系具有明确的数学表达式,只与期望轮廓的几何特性相关,且能保证任务曲线坐标在期望轮廓上的局部正交性。实验研究证明,基于该任务坐标系的轮廓运动控制器有效增强了两轴之间的协调性,使得两维运动系统可以实现高速高精度大曲率轮廓运动控制。 第三章,直接基于所提的全局任务坐标系下的强耦合非线性系统动力学模型,并考虑实际多轴系统动力学所具有的参数不确定性、不确定非线性以及外干扰,设计出一系列能有效处理强耦合和各种不确定性的高性能非线性自适应鲁棒轮廓运动控制器。该控制器在系统存在参数不确定性、不确定非线性和外干扰的情况下,能保证一定的鲁棒瞬态性能和稳态轮廓控制精度;在只存在参数不确定性时,该控制器理论上能保证轮廓运动控制的渐近稳定性和实际中趋于零的稳态轮廓误差。除了能取得良好的轮廓运动控制性能外,该控制器的参数自适应律可运用实际中参数估计收敛快的算法(如最小二乘法)进行在线参数估计,理论上,一旦持续激励(PE)条件满足,在线参数估计将收敛于物理参数的真实值。以上结论在实验研究中均得到了有效验证。 第四章,针对直线电机多轴系统中常存在的定位力干扰,提出了一种含定位力补偿的自适应鲁棒轮廓运动控制器。理论上,在系统存在参数不确定性、不确定非线性和外干扰的情况下,该控制器能保证一定的鲁棒瞬态性能和稳态轮廓控制精度;在只存在参数不确定性时,该控制器能保证轮廓运动控制的渐近稳定性和实际中趋于零的稳态轮廓误差。实验研究证明所提的含定位力补偿的轮廓运动控制器能实现高速高精度轮廓运动控制,也证明所提的定位力补偿能明显提高轮廓运动控制精度。 第五章,针对多轴机械系统中常存在的死区现象,提出了一种含死区补偿的直接/间接集成自适应鲁棒控制器。理论上,在死区未知且输出不可测、系统存在参数不确定性和不确定非线性的情况下,该控制器能够获得一定的鲁棒瞬态性能和稳态跟踪精度;通过对实际工作区间的实时监测,只在持续激励(PE)条件满足时做参数自适应,一旦系统仅存在参数不确定性和死区,该控制器能实现输出渐近稳定跟踪和准确的参数估计,即系统中的参数估计收敛于物理参数(包括死区的参数)的准确值,由此可实现对死区的完美补偿。实验研究证明了所提的死区补偿方案的有效性—有死区和没有死区的时候,系统输出跟踪误差差别不大。该补偿方案可被运用于含死区的多轴机械系统的轮廓运动控制器设计当中。 第六章,提出了针对高维系统的全局任务坐标系,并设计了基于全局任务坐标系的高性能自适应鲁棒轮廓运动控制器。该任务坐标系由轮廓误差矢量和路程矢量组成,其中轮廓误差矢量由实际运动点到各个曲面的最短距离组成,用以约束实际运动点准确地运行在期望轮廓轨迹上;路程矢量则用以驱动运动点跟踪期望运动点。所提出的轮廓运动控制器考虑了任务空间中的动力学所具有的强耦合、参数不确定性、不确定非线性以及外干扰,在理论上保证了一定的鲁棒瞬态性能和稳态轮廓控制精度。并且,在系统只存在参数不确定性时,该控制器理论上能保证轮廓运动控制的渐近稳定性和实际中趋于零的稳态轮廓误差。 第七章,归纳总结了本论文的主要工作,阐述研究结论和创新点,并对多轴协调轮廓运动控制的研究进行了展望。 此外,在附录A中,详细介绍了所设计搭建的轮廓运动控制实验系统,并探究了实验系统的物理特性及动力学模型。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TP273

【引证文献】
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8 郭宜兴;直接驱动XY平台系统迭代学习控制方法研究[D];沈阳工业大学;2014年
9 袁新星;多电机同步联动消隙伺服系统动力学建模与控制研究[D];南京理工大学;2014年
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【参考文献】
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【共引文献】
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10 奚学程;陈昊;陈默;刘宏达;梁为;赵万生;;RTAI实时操作系统在多轴联动电火花加工数控系统中的应用[J];电加工与模具;2016年04期
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1 杨龙;红外面阵搜索系统关键技术研究[D];中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所);2017年
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7 胡楚雄;基于全局任务坐标系的精密轮廓运动控制研究[D];浙江大学;2010年
8 叶伟;数控系统纳米插补及控制研究[D];北京交通大学;2010年
9 王宝仁;网络化运动控制系统多轴协同关键技术研究[D];山东大学;2008年
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1 王夫康;基于PLCopen标准的多轴运动控制模块研究与开发[D];南京航空航天大学;2017年
2 刘辉;焊缝位姿跟踪的多轴耦合控制研究[D];南昌航空大学;2017年
3 崔立龙;钢材生产中线材飞剪控制的研究[D];青岛理工大学;2017年
4 黄文军;多伺服电机协同控制关键技术研究[D];东华大学;2017年
5 赵为志;基于交叉耦合的双自由度平台协同控制[D];哈尔滨工业大学;2016年
6 梁侨;6-DOF工业机器人轨迹规划及控制方法研究[D];青岛理工大学;2015年
7 袁恒;基于LabVIEW的多轴运动控制系统半实物仿真平台设计[D];河南科技大学;2015年
8 梁小伟;MDF连续平压板厚控制方法研究[D];东北林业大学;2015年
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【同被引文献】
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1 彭雄斌;龚国芳;陈馈;王林涛;;管片拼装机提升缸模糊PID同步控制[J];浙江大学学报(工学版);2014年11期
2 李继贞;韩冬;刘德贵;王健飞;张宁;李增辉;;1000kN大型立式数控强力旋压机[J];锻压技术;2014年02期
3 吴爱国;杨硕;张涵;李长滨;;多缸锻造液压机的调平和跟踪控制[J];吉林大学学报(工学版);2014年04期
4 魏建华;国凯;熊义;;大型装备多轴电液执行器同步控制[J];浙江大学学报(工学版);2013年05期
5 赵升吨;赵承伟;王君峰;林文捷;;现代旋压设备发展趋势的探讨[J];中国机械工程;2012年10期
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1 孟祥翔;大视场虚拟现实头盔显示器光学系统研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2015年
2 左赫;气缸—气动肌肉并联平台位姿控制研究[D];浙江大学;2015年
3 钱鹏飞;电控机械式自动变速器(AMT)换挡气动伺服控制[D];浙江大学;2014年
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10 李正义;机器人与环境间力/位置控制技术研究与应用[D];华中科技大学;2011年
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1 魏凯;双工件台换台实现过程中宏动系统的扰动抑制研究[D];哈尔滨工业大学;2015年
2 周江鹏;双轴伺服系统的轮廓误差估计和交叉耦合控制研究[D];哈尔滨工业大学;2015年
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5 张恒;难加工材料螺旋铣孔的数值模拟与实验研究[D];浙江大学;2014年
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【二级引证文献】
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3 靳兴来;液压驱动下肢外骨骼机器人摆动相控制系统研究[D];浙江大学;2017年
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5 李彤;基于运动可靠性的空间机械臂优化控制研究[D];北京邮电大学;2016年
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7 尚策;气缸驱动并联机器人位姿控制研究[D];浙江大学;2016年
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9 班伟;精密气动比例压力阀的关键技术研究[D];浙江大学;2015年
10 王波;电阻点焊气动伺服系统力/位置复合控制关键技术研究[D];北京理工大学;2015年
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1 范凯强;面向分时租赁的电动汽车自动充电机械臂研究[D];哈尔滨工业大学;2017年
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【二级参考文献】
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6 王冬梅;群集运动控制及其相关特性的研究[D];华中科技大学;2009年
7 陈冰;基于时钟同步的网络化运动控制方法与实现[D];华中科技大学;2006年
8 李宏胜;轮廓跟踪运动控制系统关键技术的研究[D];东南大学;2005年
9 郑浩;双轴运动平台精密轮廓跟踪控制策略研究[D];沈阳工业大学;2015年
10 李启光;凸轮磨削轮廓误差机理及精度提高方法研究[D];机械科学研究总院;2014年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 夏聘;建筑工程墙体新轮廓工艺施工关键技术研究[D];东南大学;2017年
2 黄泉源;汽车轮廓三维检测系统研究[D];长安大学;2017年
3 黄甜芳;形状可变机构的设计与应用[D];北京邮电大学;2017年
4 武继盛;基于轮廓法的焊接纵向残余应力三维分布研究[D];哈尔滨工业大学;2017年
5 张东霞;口腔CT图像中独立牙齿轮廓分割算法研究[D];哈尔滨工业大学;2017年
6 石浩哲;恒切削力2D轮廓铣削刀路优化研究[D];西安石油大学;2017年
7 张义;面向现代电子生产设备的FPGA运动控制IP核设计[D];华南理工大学;2015年
8 师睿鑫;轮轴超声波自动探伤系统研制[D];西南交通大学;2015年
9 桂宏凡;辐射环境下自动样品更换平台的设计[D];长安大学;2015年
10 杨长春;NVST狭缝扫描系统及定标单元的控制[D];中国科学院研究生院(云南天文台);2015年
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