面向高速加工的NURBS曲線插補及直線電機魯棒控制技術(shù)研究.pdf

1、數(shù)控技術(shù)是現(xiàn)代制造業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù)，集微電子、計算機、信息處理、自動檢測、自動控制等高新技術(shù)于一體，具有高精度和高效率等特點，對制造業(yè)實現(xiàn)柔性自動化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。數(shù)控加工向高速方向發(fā)展要求數(shù)控系統(tǒng)具有優(yōu)良的數(shù)據(jù)通訊模式、先進的插補和伺服控制算法、快速的譯碼及刀補計算模塊等，其中插補和伺服控制是數(shù)控加工中的核心功能模塊，其性能好壞將直接影響加工精度和加工效率，研究適合高速加工特點的插補和控制算法，對于提高高速加工數(shù)控系

2、統(tǒng)的性能具有十分重要的意義。本文在分析國內(nèi)外數(shù)控技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢的基礎(chǔ)上，對高速數(shù)控加工中的NURBS曲線直接插補技術(shù)及直線電機魯棒控制技術(shù)進行了深入研究，主要包括以下內(nèi)容： 1.考慮進給速度和插補精度的關(guān)系，并結(jié)合柔性加減速機制，提出一種加速度和加加速度約束的平滑自適應(yīng)NURBS(Non-uniform RationalB-spline)曲線插補算法。算法采用2階Taylor展開式進行下一插補點的迭代計算，根據(jù)插補精度要求自

3、適應(yīng)調(diào)整進給速度，并在調(diào)整過程中采用加速度與加加速度約束的S型加減速曲線對進給速度重新規(guī)劃，得到平滑的速度過渡曲線。算法保證了穩(wěn)定而高速的進給速度，合理的誤差范圍和平滑無沖擊的進給過程，有利于提高加工效率和加工質(zhì)量。 2.進給速度和進給加速度是數(shù)控加工的重要加工參數(shù)，設(shè)置不當(dāng)則會影響加工效率或?qū)C床使用壽命產(chǎn)生影響。本文從機床加減速能力和插補精度方面考慮，分析高速加工中進給運動應(yīng)滿足的約束條件。將進給運動分解到各運動軸，根據(jù)機床

4、進給軸的力學(xué)(電機驅(qū)動力/力矩、進給系統(tǒng)所受的慣性力及切削力)模型，推導(dǎo)了多軸聯(lián)動加工時進給速度、加速度與各進給軸驅(qū)動能力以及加工路徑幾何特性之間的約束關(guān)系，使得加工過程中機床各運動軸的加減速始終處于其加工能力范圍內(nèi)。 3.對基于“最差狀態(tài)點”進行加工的方法加以改進，提出滿足插補精度和機床加減速雙重約束的分段恒定速度自適應(yīng)插補算法。算法根據(jù)加工路徑的曲線信息、機床加工能力及加工要求確定“最差狀態(tài)點”，并結(jié)合自適應(yīng)插補思想，采用分

5、段高速加工，根據(jù)進給約束模型得到不同恒定速度加工段及速度過渡段，并將這些信息存儲在一個五元的自適應(yīng)Lookup鏈表中，插補過程中通過查找該鏈表確定進給參數(shù)。與“最差狀態(tài)點”加工方法相比，該算法能夠在保證加工精度并滿足機床加減速能力的前提下，充分利用機床的加工能力，縮短加工時間，提高加工效率。 4.直線電機是高速加工數(shù)控設(shè)備的發(fā)展趨勢之一。由于直線電機的零傳動特性，系統(tǒng)參數(shù)(動子質(zhì)量、粘滯摩擦系數(shù)等)變化及外部干擾都將直接影響伺服

6、系統(tǒng)的性能。本文針對直線電機伺服控制的特點，將二自由度控制思想與H∞控制算法相結(jié)合，提出了一種“MMC(模型匹配控制)+H∞+MFC(模型跟蹤控制)”的復(fù)合控制器結(jié)構(gòu)，對輸入和輸出分別設(shè)計控制器，一方面保證系統(tǒng)對指令的準(zhǔn)確跟蹤能力，另一方面保證系統(tǒng)對這些不確定性干擾因素的魯棒性。 在上述研究的基礎(chǔ)上，以實驗室現(xiàn)有的直線電機和工控機為平臺構(gòu)建兩軸聯(lián)動原型系統(tǒng)，對提出的NURBS曲線插補算法及直線電機控制算法進行了實驗測試。結(jié)果表明