面向高性能数控系统的误差控制技术研究(3)

２）基于多轴协调运动的控制方法

数控加工是多进给轴协调运动的合成结果，因此轮廓精度的提高仅凭单轴位置伺服系统性能的改善是不够的１４０，４１］。与普通的控制系统相比，数控机床伺服系统有其特殊性：①零件的尺寸及形状精度是最终目标，因此轮廓加工精度较之单轴跟踪精度更为重要。要使轮廓误差为零或减小，并不～定需要跟随误差为零。例如，当刀具的指定轨迹是Ｘ．Ｙ平面内的一条直线时，加工过程刀具的实际位置可以始终落后于指令指定位置，而轮廓误差却可以保持很小。理论分析表明，当各伺服轴的稳态速度误差系数相等时，恒速加工直线时的轮廓误差为零。对要求

第一章绪论

工件尺寸精度的切削加工而言，轮廓精度是首要考虑问题。②由于零件图纸及加工工艺是己知的，使得轮廓系统各坐标轴的位移指令信号可以事先确定。因此，与各轴特性有关的系统性及确定性误差可以在加工之前通过修正指令值的方法加以补偿。③由于各进给轴特性不匹配是导致在常规加工条件下轮廓误差的主要原因，因此，无论是在轮廓系统的机械设计及装配过程，还是在位置控制器的设计过程中，都应尽量设法减小或消除这种不匹配。

针对上述特点，在数控系统中，应对轮廓误差加以重点考虑。为了提高轮廓加工精度，可以采取三种措施：对各伺服轴的动态特性进行匹配设计；根据轮廓误差对各伺服轴施加附加控制作用；对轮廓误差较大的加工程序段进行特殊处理。

（１）多轴伺服系统的匹配设计

此方面的工作参见Ｐｏｏ等人对Ｉ型轮廓系统特性的分析以及宾鸿赞等人利用各轴位置控制器口Ｉ或ＰＩＤ型）参数的不匹配来抵消或减小各轴动态特性的不匹配，以图达到各伺服轴动态特性的匹配，从而减小轮廓误差［７８，７９】。此类方法在原理上是正确可行的，但在实际应用中往往受到限制：首先，控制器参数匹配法要求准确的系统模型，而多轴进给系统的精确建模并非易事。即使得到了精确的数学模型，也会因阶数过高、非线性等使得参数匹配条件过于复杂而难于实现：若采用简化的系统模型，固然可以得到比较简单的参数匹配条件，但建模误差将直接影响参数匹配法的控制效果，甚至使其失去意义；其次，参数匹配法难以适应系统参数变化的需要。

（２）交叉耦合轮廓控制

运动控制系统中的基本问题就是要求多轴联动以实现具体的性能指标。Ｋｏｒｅｎ提出了多轴协调运动控制，其基本思想是在两轴进给系统中对于轮廓精度的作用各轴都处于同等地位【８０】。Ｋｕｌｋａｒｉｎｉ＆Ｓｒｉｎｉｖａｓａｎ详细研究了多轴协调运动补偿控制策略并提出了最优方案。Ｔｏｍｉｚｕｋａ等人在多轴协调控制器的基础上增加了自适应前馈策略以改善其暂态性能和抑制干扰的能力。但上述各类方法的局限性在于其多轴协调指标是线性的。Ｃｈｉｕ＆Ｔｏｍｉｚｕｋａ在考虑非线性协调指标下对于相对阶为１的系统提出了综合控制算法。Ｋｏｋｏｔｏｖｉｃ于１９９８年利用积分反推的办法去掉了相对阶的限制。

（３）指令值修正

此类方法见于Ｗｅｅｋ等人根据驱动机构的动态特性对输入加工指令进行预处理，从而改善拐角轮廓精度【８ｌ】。Ｍｉｄｄｌｅｄｉｔｃｈ通过在廓形非光滑过度处（如折线拐角处）加入加减速指令处理，使拐角轮廓误差大大减小【８２】。同样，对输入加工指令进行平滑处理，也可达到减小轮廓误差的目的。考虑到机床质量、负载、阻尼６

第一章绪论

和间隙等因素的影响，进给机构的实际动作必然总是滞后于指令动作，因此有必要在数控系统中增加针对形状误差的补偿预处理，进一步提高轮廓加工精度。此类方法对改善系统在坐标轴运动不连续处（如拐角、圆弧过象限处）的响应特性十分有效。从轮廓控制与补偿技术的发展及存在问题来看，目前和下一阶段需要进行的几项重点工作是：

１）研制高精度的轮廓加工机床，尤其是高精度、高性能的轮廓控制系统，这是提高轮廓加工精度的根本性措施。除了研制和采用高性能伺服马达、高分辨率的位置检测元件和高性能控制计算机外，研究和应用先进的位置控制技术、多轴轮廓控制技术以及各种辅助方法（如指令值修正、加减速处理等）无疑都是十分重要的。

２）发展误差补偿技术，尤其是发展在线检测与在线补偿控制技术。这包括三方面的内容：高精度在线传感测量装置、高性能补偿控制器和准确可靠的补偿执行机构。对轮廓系统特性的研究、加工误差产生机理的分析、误差预报模型的建模、测量数据的分析处理等都需要进一步的探讨和研究。与此同时，对目前仍在大量应用的开环和半闭环数控轮廓系统的误差补偿问题进行分析研究，也具有重要的实际意义。

３）更多地吸收和应用其它领域的先进理论和技术，如模糊控制技术、人工智能（ＡＩ）和专家系统技术等，推动轮廓控制系统向高精度、高柔性和高可靠性方向发展，促进各种轮廓控制与补偿技术的深入研究和推广应用。值得指出的是，由于轮廓加工过程中影响加工精度的因素复杂，环节很多，而实际轮廓系统往往具有一定的非线性和不确定性，使用时需要用精确过程模型的现代控制理论以及需要对过程精确模型进行在线辨识的自适应、自校正控制往往不能有效地发挥其优越性。而另一方面，对轮廓加工系统的适应性（柔性）及可靠性的要求又不断提高。因此我们认为，将智能控制技术引入轮廓控制系统乃至智能加工的实现，是机械加工控制领域的必然发展趋势。

１．３课题提出的意义及来源

多轴轮廓运动控制广泛应用于数控机械加工以及其它生产过程自动化控制中，如数控机床进给轴运动、机器人各关节运动、纺织、冶金、造纸、包装以及军事、航空工业等的各种运动控制中。同时，先进制造业对精密加工的综合精度指标己经提高到微米级，对机床数控系统的伺服控制提出了很高的要求。传统的多轴轮廓运动控制常采用齿轮、齿条、同步齿型带等机械协调传动，其存在结构复杂、精度低、传输距离短、噪音大及运动关系柔性差等缺点，因而无法满足工７

第一章绪论

业实际应用的要求。现代多轴轮廓运动控制系统几乎全部采用计算机控制，克服了机械传动的上述缺点，具有精度高、可实现任意联动关系等优点。各轴的合成轮廓运动轨迹精度直接影响零件加工的几何精度，这对进给驱动系统的快速性和精度提出了很高的要求。使得轮廓运动精度成为ＣＮＣ系统的重要指标。

本论文在国家自然科学基金项目（５０４７５１１７）、天津市科技发展计划项目（０６ＹＦＧＺＧＸｌ８２００）、天津市应用基础研究计划重点项目（０５ＹＦＪＺＪＣ０１８００）等多个科研项目的资助下，对轮廓误差的补偿与研究问题进行了深入探讨，并提出了相关的技术方案。

１．４论文的主要工作和创新点

（１）单轴的跟踪控制是误差控制的基础。基于此，论文针对工业控制中应用最广泛的ＰＩＤ算法，研究了多种参数调节方法。同时针对普通参数调节方法需要较多先验经验以及初始条件的不足，研究了基于遗传算法的ＰＩＤ算法，并给出仿真实例。验证了方法的有效性。

（２）鉴于单自由度结构控制器难以同时满足伺服系统对信号跟踪性能和抗扰性能的要求。本文提出二自由度控制器设计方案。结合ＰＩＤ控制算法和内模控制原理研究了多种二自由度控制器设计方案。

（３）针对运动控制中的摩擦干扰和切削扰动问题，提出一种前馈型补偿器设计方案。利用摩擦力模型和神经网络预切削力预测模型，预测阻力扰动，并把预测到的阻力扰动以前馈的形式加入到系统，提高 …… 此处隐藏：2477字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……