动力伺服刀架动态性能的研究

论文摘要

数控刀架是夹持一种或多种刀具进行数控加工的重要功能部件,它的性能直接影响数控机床的切削性能和切削效率,体现了数控机床设计和制造技术的核心水平。而动力伺服刀架是车削加工中心及车铣复合加工中心的核心功能部件之一,其技术在我国仍处于起步研究阶段。因此,开展动力伺服刀架的可靠性设计和可靠性试验技术的研究具有十分重要的意义。本文以双动力伺服刀架的传动系统和控制系统为研究对象,利用非线性动力学分析其传动系统,同时采用改进的增量谐波平衡法求解其动力学方程,分析其动态响应；建立了控制系统中伺服电机的数学模型,分析其控制转矩输出的主要因素。设计三闭环控制系统的各环控制器,并通过MATLAB对其进行仿真。本文的工作主要体现在以下几个方面：(1)用Solidworks建立了双动力伺服刀架的三维立体模型,根据已有的参数计算了刀架主体部分传动系统的三组齿轮的轮廓参数。建立传动系统的动力学模型,利用牛顿第二定律建立其动力学方程。(2)介绍了一般的增量谐波平衡法的原理,同时指出了其存在的缺点,并针对这些缺点提出了一种经过改进的增量谐波平衡法,进一步推导了它的计算公式。将此方法应用于此前建立的三自由度非线性系统中,并通过与原有增量谐波平衡法对比,证明这种改进方法是可靠的,并且收敛速度较快。(3)分析设计刀架控制系统的硬件结构结构,对其核心部分永磁同步电机建立其数学模型,并采用矢量控制技术来控制PMSM,设计其三闭环伺服控制系统中的电流环调节器、速度环调节器和位置环调节器,并对位置环采用混合型模糊一PID控制。通过MATLAB软件仿真三闭环系统在阶跃输入下的响应,对其结果进行分析比较。(4)最后对全文进行系统的总结,并指出动力伺服刀架在今后的研究中仍需进步一提高和改善的地方。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的重要意义
• 1.2 国内外研究发展的现状
• 1.2.1 国内数控机床的发展环境及现状
• 1.2.2 动力刀架的发展过程及现状
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第2章 双动力伺服刀架的结构
• 2.1 引言
• 2.2 Y轴双动力伺服刀架
• 2.2.1 动力模块
• 2.2.2 Y轴模块
• 2.2.3 刀架主体的工作原理及结构
• 2.3 三齿盘机构
• 2.3.1 三齿盘工作原理
• 2.3.2 三齿盘的液压控制
• 2.3.3 三齿盘锁紧机构
• 2.3.4 刀架主体部分的液压连接
• 第3章 传动系统的动力学模型及方程
• 3.1 前言
• 3.2 齿轮传动系统的装配
• 3.2.1 刀架主体传动齿轮的几何参数
• 3.2.2 齿轮的精确建模
• 3.2.3 齿轮传动系统的装配
• 3.3 齿轮传动系统的动力学分析
• 3.3.1 齿轮传动系统动力学模型的建立
• 3.3.2 齿轮传动系统的动力学方程
• 第4章 增量谐波平衡法及其改进
• 4.1 概述
• 4.2 增量谐波平衡法的计算公式与迭代步骤
• 4.2.1 增量过程
• 4.2.2 谐波平衡过程
• 4.3 对增量谐波平衡法的改进
• 4.3.1 最小二乘法过程
• 4.3.2 增量过程
• 4.3.3 迭代计算过程
• 4.4 在分段线性系统中的应用
• 4.5 两种增量谐波平衡法的结果比较
• 第5章 伺服刀架系统的控制与仿真
• 5.1 伺服刀架的控制系统
• 5.1.2 伺服刀架控制系统的结构
• 5.1.3 伺服刀架工作模式
• 5.3 交流永磁同步伺服电机的控制
• 5.3.1 永磁同步伺服电机的结构
• 5.3.2 交流永磁同步电机的数学模型
• 5.4 矢量控制技术
• 5.4.1 矢量控制技术概述
• 5.4.2 三闭环伺服系统
• 5.4.3 转子磁通初始位置的确定
• 5.4.4 矢量控制中的坐标变换
• 5.5 三闭环伺服系统的调节器设计
• 5.5.1 电流环PI调节器的设计
• 5.5.2 速度环PI调节器设计
• 5.5.3 位置环模糊调节器设计
• 5.6 模糊控制模型的建立与仿真
• 5.6.1 模糊自适应PID控制与仿真
• 5.6.2 混合型模糊-PID控制与仿真
• 5.6.3 三种PID控制的比较
• 第6章 结论和展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢