精密修磨装备控制系统设计、建模及控制方法

论文摘要

精密加工技术是现代机械加工技术的前沿领域,是许多尖端产品研发和生产不可或缺的关键性手段。科技水平提高,对制造业的要求越来越高。运动控制作为机床设备的重要元素,在定位及加工过程中具有举足轻重的作用,其控制性能的好坏直接影响工件加工质量和工作效率。本文在全面分析特殊工件加工工艺要求的基础上,对精密测量与磨削装备的运动控制系统做了深入研究。根据新一代精密修磨设备的加工精度及控制表面粗糙度的要求,设计了专用的控制系统方案；构建了“工业计算机+GALIL运动控制器”的双CPU数控系统,核心为GalilDMC 1846运动控制器,根据IPC与DMC之间的数据交互原理,编写了运动控制程序和上位机控制软件；针对“一体双工位”的机体结构,设计了运动轴的伺服系统,确定进给系统中伺服电机、伺服驱动器和传动机构的参数与选型等。要实现精密测量与修磨,伺服系统的动态性能是决定性的因素。为此,针对三环串级全闭环控制方案,对系统的建模方法进行了研究,提出了一种基于实验数据辨识被控模型的简便建模方法,通过最小二乘法辨识得到模型参数,解决了解析法中参数无法估计的问题,为控制器PID参数优化提供了依据；分析了位置控制器中PID控制、前馈控制和低通滤波控制对控制系统的作用效果。工件连续加工过程中,设备要有良好的跟随特性,使实际运动轨迹尽可能接近程序给定的轨迹,即应具有较高的轮廓随动精度。跟随误差是产生轮廓误差的主要因素,本文提出了使用速度前馈补偿的方法抑制加工轮廓误差,并给出了速度前馈参数确定的实际方法,经实验验证该方法能够有效地提高加工精度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 运动控制技术概述
• 1.2 硬脆材料回转体及其加工设备综述
• 1.3 加工误差来源的分析
• 1.4 本文的主要工作
• 2 专用装备组成及伺服系统设计
• 2.1 专用装备的组成及工作流程
• 2.2 装备进给伺服系统设计
• 2.2.1 全闭环控制方式
• 2.2.2 伺服电机选型
• 2.2.3 伺服控制器选型
• 2.2.4 位置反馈器件选型
• 2.3 传动系统模型及其机械特性分析
• 2.4 本章小结
• 3 运动控制系统的构建
• 3.1 设备及工艺对控制系统的要求
• 3.2 修磨设备的控制系统设计
• 3.2.1 控制系统总体结构
• 3.2.2 Galil DMC18x6运动控制器
• 3.3 Galil控制卡硬件设计及信号连接
• 3.4 工控机与运动控制器数据交互
• 3.5 本章小结
• 4 运动控制系统建模方法研究
• 4.1 解析法建模
• 4.1.1 系统的模型结构
• 4.1.2 Galil运动控制器内部控制器
• 4.1.3 三相永磁同步电动机模型分析
• 4.2 辨识建模方法
• 4.2.1 系统模型辨识方法介绍
• 4.2.2 一种适合本系统的辨识方法
• 4.2.3 实验条件及拟合过程
• 4.3 本章小结
• 5 位置控制器控制策略的研究
• 5.1 传统PID及其算法
• 5.2 高频噪声的抑制
• 5.3 基于PID的复合控制策略
• 5.4 控制器参数整定方法研究
• 5.4.1 现场整定方法
• 5.4.2 基于辨识模型结果的离线参数配置
• 5.5 本章小结
• 6 伺服动态轮廓误差及其控制方法研究
• 6.1 工件策略与修磨过程分析
• 6.1.1 测量过程与定位精度
• 6.1.2 修磨加工过程
• 6.2 精密修磨装备的伺服控制过程分析
• 6.3 轮廓误差的控制
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 控制系统人机界面
• 附录B 模型辨识程序
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢