基于全局任務(wù)坐標(biāo)系的精密輪廓運(yùn)動控制研究.pdf

1、在輪廓加工過程中，數(shù)控機(jī)床完成的加工軌跡是多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動的結(jié)果，其產(chǎn)品加工質(zhì)量由輪廓誤差（實(shí)際輪廓與期望輪廓之間的幾何偏差）來衡量。如何在高速大曲率輪廓加工中保持微小的輪廓誤差是當(dāng)前多軸機(jī)械加工行業(yè)中亟待解決的難題，本論文據(jù)此提出了一種基于全局任務(wù)坐標(biāo)系的精密輪廓運(yùn)動控制方法：首先提出了一種新的適用于實(shí)時(shí)控制的輪廓誤差精確計(jì)算模型和相應(yīng)的正交全局任務(wù)坐標(biāo)系，然后考慮實(shí)際機(jī)電系統(tǒng)動力學(xué)模型所具有的參數(shù)不確定性、不確定非線性以及外干擾，直接基

2、于全局任務(wù)坐標(biāo)系下的強(qiáng)耦合非線性系統(tǒng)動力學(xué)模型，最終設(shè)計(jì)出具有強(qiáng)協(xié)調(diào)能力和抗干擾能力的高性能輪廓運(yùn)動控制器。該方法所采用的任務(wù)坐標(biāo)系較之傳統(tǒng)的任務(wù)坐標(biāo)系具有輪廓誤差計(jì)算精確、便于速度規(guī)劃、適宜實(shí)時(shí)控制等優(yōu)點(diǎn)，所采用的控制算法較之當(dāng)前多軸系統(tǒng)常用的控制算法具有協(xié)調(diào)能力強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)、輪廓運(yùn)動控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，解決了兩維系統(tǒng)的高速高精度大曲率輪廓運(yùn)動控制問題，并為高維系統(tǒng)的精密輪廓運(yùn)動控制提供了理論框架。
　　 本論文首先依據(jù)輪廓

3、誤差的定義，結(jié)合微分幾何知識，給出了一種新的適用于實(shí)時(shí)控制的輪廓誤差精確計(jì)算模型-與已有的計(jì)算模型不同，該模型精確到真實(shí)輪廓誤差的一階近似值，僅依賴于期望輪廓的幾何形狀，而與期望運(yùn)動點(diǎn)以及各軸跟蹤誤差無關(guān)。然后，基于該計(jì)算模型，提出了一種正交全局任務(wù)坐標(biāo)系-與傳統(tǒng)常用的局部任務(wù)坐標(biāo)系依附于期望運(yùn)動點(diǎn)不同，該全局任務(wù)坐標(biāo)系只依賴于期望輪廓的幾何特性，其中一個(gè)任務(wù)坐標(biāo)軸直接對應(yīng)于輪廓誤差，用以約束實(shí)際運(yùn)動點(diǎn)準(zhǔn)確地運(yùn)行在期望輪廓上，另一個(gè)任務(wù)

4、坐標(biāo)軸則對應(yīng)運(yùn)動路程，用以驅(qū)動實(shí)際運(yùn)動點(diǎn)跟蹤期望運(yùn)動點(diǎn)。當(dāng)構(gòu)建好任務(wù)坐標(biāo)系后，將笛卡爾坐標(biāo)系里的多軸系統(tǒng)動力學(xué)模型變換為全局任務(wù)坐標(biāo)系下的強(qiáng)耦合非線性系統(tǒng)動力學(xué)模型，并考慮實(shí)際物理系統(tǒng)動力學(xué)常具有的參數(shù)不確定性、不確定非線性以及外干擾，設(shè)計(jì)出具有強(qiáng)協(xié)調(diào)能力和抗干擾能力的自適應(yīng)魯棒精密輪廓運(yùn)動控制器。此外，本論文還考慮到實(shí)際多軸機(jī)械系統(tǒng)中常具有的典型非線性干擾，并以定位力和死區(qū)為例，分別提出協(xié)調(diào)自適應(yīng)魯棒輪廓運(yùn)動控制框架下的定位力補(bǔ)償和死

5、區(qū)補(bǔ)償方案，理論和實(shí)驗(yàn)研究均證明了所提的補(bǔ)償方法的有效性．最后，構(gòu)建了高維系統(tǒng)中的輪廓誤差計(jì)算模型以及相應(yīng)的全局任務(wù)坐標(biāo)系，并設(shè)計(jì)了高維系統(tǒng)的自適應(yīng)魯棒輪廓運(yùn)動控制器，該控制器適用于高維數(shù)控機(jī)床和多軸機(jī)械臂等。
　　 本論文提出的基于全局任務(wù)坐標(biāo)系的精密輪廓運(yùn)動控制方法，使得兩維直線電機(jī)系統(tǒng)以角速度ω=7rad/s、最大速度vmax=1.4m/s、最大加速度amax=9.8m/s2跟蹤長軸0.2m、短軸O.1m的橢圓時(shí)（高速小曲

6、率輪廓跟蹤），輪廓誤差均方根值為2.70μm，最大輪廓誤差為8.85μm;在以角速度ω=7rad/s、最大速度vmax=1.4m/s、最大加速度amax=9.8m/s2跟蹤長軸0.2m、短軸O.02m的橢圓時(shí)（高速大曲率輪廓跟蹤），輪廓誤差均方根值為2.20μm，最大輪廓誤差為6.73μm．實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比表明：所提的全局任務(wù)坐標(biāo)系在高速大曲率輪廓運(yùn)動控制性能上遠(yuǎn)強(qiáng)于傳統(tǒng)常用的局部任務(wù)坐標(biāo)系，其輪廓誤差均方根值降低了61.1％；所提的輪廓運(yùn)

7、動控制器抗干擾能力強(qiáng)，且輪廓運(yùn)動控制精度高；所提的定位力補(bǔ)償有效提高了輪廓運(yùn)動控制精度，有定位力補(bǔ)償比無定位力補(bǔ)償，輪廓誤差均方根值降低了30％左右；所提的死區(qū)補(bǔ)償也有效消除了死區(qū)的影響．實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明所提方法是解決目前工業(yè)界多軸機(jī)械加工行業(yè)面臨的高速高精度大曲率輪廓加工難題的有效途徑，有望被應(yīng)用于各種多軸運(yùn)動系統(tǒng)中．
　　 本論文共分為七章，現(xiàn)分別簡述如下：
　　 第一章，詳細(xì)介紹了多軸輪廓運(yùn)動控制的研究背景以及研究狀況

8、，歸納出高性能輪廓加工所涉及的高速高精度大曲率輪廓運(yùn)動控制難題；簡述了多軸機(jī)械系統(tǒng)常具有的典型非線性（死區(qū)、定位力和摩擦力）的研究現(xiàn)狀；最后概述了本課題的研究意義及研究內(nèi)容．
　　 第二章，針對兩維運(yùn)動系統(tǒng)，提出了一種新的適用于實(shí)時(shí)控制的輪廓誤差精確計(jì)算模型和正交全局任務(wù)坐標(biāo)系。所提的輪廓誤差計(jì)算模型精確到真實(shí)輪廓誤差的一階近似值，且不依賴于期望運(yùn)動點(diǎn)和各軸的跟蹤誤差。所構(gòu)造的正交全局任務(wù)坐標(biāo)系具有明確的數(shù)學(xué)表達(dá)式，只與期望輪廓

9、的幾何特性相關(guān)，且能保證任務(wù)曲線坐標(biāo)在期望輪廓上的局部正交性。實(shí)驗(yàn)研究證明，基于該任務(wù)坐標(biāo)系的輪廓運(yùn)動控制器有效增強(qiáng)了兩軸之間的協(xié)調(diào)性，使得兩維運(yùn)動系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高速高精度大曲率輪廓運(yùn)動控制。
　　 第三章，直接基于所提的全局任務(wù)坐標(biāo)系下的強(qiáng)耦合非線性系統(tǒng)動力學(xué)模型，并考慮實(shí)際多軸系統(tǒng)動力學(xué)所具有的參數(shù)不確定性、不確定非線性以及外干擾，設(shè)計(jì)出一系列能有效處理強(qiáng)耦合和各種不確定性的高性能非線性自適應(yīng)魯棒輪廓運(yùn)動控制器．該控制器在系統(tǒng)

10、存在參數(shù)不確定性、不確定非線性和外干擾的情況下，能保證一定的魯棒瞬態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)輪廓控制精度；在只存在參數(shù)不確定性時(shí)，該控制器理論上能保證輪廓運(yùn)動控制的漸近穩(wěn)定性和實(shí)際中趨于零的穩(wěn)態(tài)輪廓誤差．除了能取得良好的輪廓運(yùn)動控制性能外，該控制器的參數(shù)自適應(yīng)律可運(yùn)用實(shí)際中參數(shù)估計(jì)收斂快的算法（如最小二乘法）進(jìn)行在線參數(shù)估計(jì)，理論上，一旦持續(xù)激勵(lì)(PE)條件滿足，在線參數(shù)估計(jì)將收斂于物理參數(shù)的真實(shí)值。以上結(jié)論在實(shí)驗(yàn)研究中均得到了有效驗(yàn)證。
　　

11、 第四章，針對直線電機(jī)多軸系統(tǒng)中常存在的定位力干擾，提出了一種含定位力補(bǔ)償?shù)淖赃m應(yīng)魯棒輪廓運(yùn)動控制器。理論上，在系統(tǒng)存在參數(shù)不確定性，不確定非線性和外干擾的情況下，該控制器能保證一定的魯棒瞬態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)輪廓控制精度；在只存在參數(shù)不確定性時(shí)，該控制器能保證輪廓運(yùn)動控制的漸近穩(wěn)定性和實(shí)際中趨于零的穩(wěn)態(tài)輪廓誤差。實(shí)驗(yàn)研究證明所提的含定位力補(bǔ)償?shù)妮喞\(yùn)動控制器能實(shí)現(xiàn)高速高精度輪廓運(yùn)動控制，也證明所提的定位力補(bǔ)償能明顯提高輪廓運(yùn)動控制精度。

12、r>　　 第五章，針對多軸機(jī)械系統(tǒng)中常存在的死區(qū)現(xiàn)象，提出了一種含死區(qū)補(bǔ)償?shù)闹苯?間接集成自適應(yīng)魯棒控制器。理論上，在死區(qū)未知且輸出不可測、系統(tǒng)存在參數(shù)不確定性和不確定非線性的情況下，該控制器能夠獲得一定的魯棒瞬態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)跟蹤精度；通過對實(shí)際工作區(qū)間的實(shí)時(shí)監(jiān)測，只在持續(xù)激勵(lì)(PE)條件滿足時(shí)做參數(shù)自適應(yīng)，一旦系統(tǒng)僅存在參數(shù)不確定性和死區(qū)，該控制器能實(shí)現(xiàn)輸出漸近穩(wěn)定跟蹤和準(zhǔn)確的參數(shù)估計(jì)，即系統(tǒng)中的參數(shù)估計(jì)收斂于物理參數(shù)（包括死區(qū)的參數(shù)

13、）的準(zhǔn)確值，由此可實(shí)現(xiàn)對死區(qū)的完美補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)研究證明了所提的死區(qū)補(bǔ)償方案的有效性-有死區(qū)和沒有死區(qū)的時(shí)候，系統(tǒng)輸出跟蹤誤差差別不大，該補(bǔ)償方案可被運(yùn)用于含死區(qū)的多軸機(jī)械系統(tǒng)的輪廓運(yùn)動控制器設(shè)計(jì)當(dāng)中。
　　 第六章，提出了針對高維系統(tǒng)的全局任務(wù)坐標(biāo)系，并設(shè)計(jì)了基于全局任務(wù)坐標(biāo)系的高性能自適應(yīng)魯棒輪廓運(yùn)動控制器。該任務(wù)坐標(biāo)系由輪廓誤差矢量和路程矢量組成，其中輪廓誤差矢量由實(shí)際運(yùn)動點(diǎn)到各個(gè)曲面的最短距離組成，用以約束實(shí)際運(yùn)動點(diǎn)準(zhǔn)確地運(yùn)

14、行在期望輪廓軌跡上；路程矢量則用以驅(qū)動運(yùn)動點(diǎn)跟蹤期望運(yùn)動點(diǎn)。所提出的輪廓運(yùn)動控制器考慮了任務(wù)空間中的動力學(xué)所具有的強(qiáng)耦合、參數(shù)不確定性、不確定非線性以及外干擾，在理論上保證了一定的魯棒瞬態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)輪廓控制精度。并且，在系統(tǒng)只存在參數(shù)不確定性時(shí)，該控制器理論上能保證輪廓運(yùn)動控制的漸近穩(wěn)定性和實(shí)際中趨于零的穩(wěn)態(tài)輪廓誤差。
　　 第七章，歸納總結(jié)了本論文的主要工作，闡述研究結(jié)論和創(chuàng)新點(diǎn)，并對多軸協(xié)調(diào)輪廓運(yùn)動控制的研究進(jìn)行了展望。