数控系统运动平滑处理、伺服控制及轮廓控制技术研究

论文摘要

开放式高性能数控系统的研究不仅要使数控系统体系结构开放，更重要的是要结合计算机技术、自动控制技术、机械加工的最新技术，实现高速度、高精度、高可靠性的数控加工，将数控机床的加工质量、功能、可靠性提高到一个新的水平。论文针对开放式、高性能数控系统发展需要，对数控系统的几个主要关键技术-加减速控制、曲线插补方法、伺服控制、轮廓控制进行了深入研究。高精度CNC系统中要求对机床进行平滑的运动控制。在分析常用加减速方法特性基础上，提出一种避免产生加加速度j阶跃的加减速方法，称为基于j控制的新加减速方法，详细分析了该加减速方法的轮廓运动控制方程。该方法使加减速运动更加平滑，减小了机床振动与冲击。对于复杂型面零件的高速、高精度数控加工，线性插补存在明显不足。论文深入研究了NURBS曲线插补，并结合提出的CNC系统中进给速度的自适应控制方法，在满足加减速特性、最大轮廓误差、最大向心加速度约束的基础上，可获得尽量高而且平滑的进给速度。进给伺服系统的性能直接影响和决定CNC系统的快速性、稳定性和准确性。论文在对位置控制器中PID控制性能以及前馈控制性能进行深入分析的基础上，设计了一个非线性PID位置控制器来提高伺服系统跟随性能。该控制器使系统的响应加快，提高了跟随精度。论文分析了电气扰动对进给伺服系统精度的影响，设计了一种电气扰动（如漂移、电压波动等扰动）观测与补偿器，将电气扰动观测出并补偿到位置控制器的输出中，提高了伺服系统的跟踪精度和抗干扰能力。数控机床系统的轮廓加工轨迹是多轴协调运动的合成结果，针对多轴高精度复杂型面零件数控加工需要，提出了一种基于NURBS插补器的简单实用的多轴交叉耦合控制方法，该方法显著减小了轮廓误差，提高了轮廓精度。论文分析了轮廓误差产生的根源，主要针对机床各轴动态特性不一致、位置环增益不匹配、正交轴垂直度误差进行分析并提出了一种补偿控制方法，进行了误差补偿实验。在上述关于运动平滑处理、伺服控制、轮廓控制方法论述的基础上，论文最后采用“PC机内嵌入运动控制器”的开放式体系结构搭建了一个数控实验平台，并进行了加减速控制实验、伺服控制实验、交叉耦合控制实验，验证了所研究方法的有效性。

论文目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 数控技术和数控系统的发展

1.2 高性能数控系统研究的几个关键技术

1.3 课题来源及研究的意义、主要内容

1.4 论文结构

2 CNC系统运动平滑处理和NURBS曲线插补算法的研究

2.1 CNC系统中加减速方法研究

2.1.1 常用加减速方法及特性分析

2.1.2 一种基于j控制的新加减速方法

2.1.3 加减速控制的自适应处理

2.2 CNC系统中进给步长的自适应控制研究

2.2.1 对最大轮廓误差限、最大向心加速度约束的控制

2.2.2 进给步长自适应控制

2.3 NURBS曲线插补方法研究

2.3.1 NURBS曲线插补在高速高精度数控加工中的意义

2.3.2 NURBS曲线插补算法

2.3.3 基于进给速度自适应控制的NURBS曲线插补流程

2.3.4 NURBS曲线插补实例

2.4 NURBS曲面直接插补流程

2.5 本章小结

3 CNC系统伺服控制和扰动补偿控制方法研究

3.1 引言

3.2 用非线性PID进行伺服控制

3.2.1 位置控制器中PID控制的性能分析

3.2.2 CNC系统中前馈控制性能分析

3.2.3 采用非线性PID控制进行位置伺服控制

3.3 对电气扰动的补偿控制

3.3.1 扰动的危害及其补偿控制

3.3.2 对电气扰动的观测及补偿控制

3.3.3 电气扰动观测补偿器仿真

3.4 本章小结

4 CNC系统轮廓控制方法研究

4.1 引言

4.2 研究轮廓控制方法的必要性

4.3 多轴交叉耦合控制方法

4.3.1 交叉耦合控制方法的研究进展及不足

4.3.2 多轴交叉耦合控制方法

4.3.3 多轴交叉耦合控制仿真试验

4.4 轮廓误差根源分析与补偿方法

4.4.1 数控机床轮廓误差因素

4.4.2 轮廓误差因素分析

4.4.3 轮廓误差补偿方法及实验

4.5 本章小结

5 加减速及轮廓控制实验

5.1 实验平台及实验方法

5.2 加减速及轮廓控制实验

5.2.1 基于j的加减速方法和直线加减速方法实验对比

5.2.2 非线性PID位控与常规PID位控的性能对比

5.2.3 轮廓控制实验

5.3 本章小节

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文情况

创新点摘要

致谢

大连理工大学学位论文版权使用授权书

数控系统运动平滑处理、伺服控制及轮廓控制技术研究

论文摘要

论文目录

相关论文文献

猜你喜欢