基于摩擦补偿的机床进给系统控制器

田晓伟

(潍坊科技学院 汽车工程学院,山东 寿光 262700)

机床是机械制造业的重要设备,随着机械制造业不断发展,机床设备的整体要求也随之提升,机床设备正面临着一次技术革新.机床的控制系统是控制机床精确运转的主要组成部分,也决定着机械加工的质量,因此，关于机床的控制系统研究吸引了国内外诸多专家学者.在国外:Jeong等[1]研究了机床的换刀装置的控制系统;Song等[2]研究了铣削机床的柔性化制造单元;Grigoriev等[3]研究了并联机床的控制系统的设计与研究,主要对其运动控制进行了研究.在国内:胡孔元等[4]研究了双臂数控焊接机床控制系统设计;梁媛等[5]基于PMAC对开放式组合机床控制系统进行了设计与研究;郑华林等[6]基于模糊PD控制理论对电解加工机床的控制系统进行了研究;荀群德等[7]基于PLC控制技术对六工位组合机床的控制系统进行了设计;叶树林等[8]研究了分布式电火花线切割机床的控制系统.虽然国内外专家学者对机床的研究逐年增多,但是大多集中在机床的基本控制理论和多自由度机床等方面,关于机床的进给系统的控制系统研究仍未见报道.本文以机床进给结构为研究对象,基于摩擦补偿对机床的控制系统进行设计与研究,为今后机床进给系统的控制系统研究起到指导意义.

1 机床进给系统的结构设计

图1为本文设计的基于摩擦补偿的机床进给系统.通过图1可以看出:本文设计的机床进给系统包含负载施加机构和机床导轨摩擦的测量机构两部分,主要通过安装传感器实现摩擦的测量.考虑机床的导轨摩擦力(F)与机床的旋转有关系,因此,测量装置上装有扭矩传感器和力传感器,并且摩擦力作为评价机床进给系统的性能好坏的重要指标,可以通过传感器测量得出.机床进给系统的合力需要通过计算完成,考虑机床进给系统的结构,可以将合力分为滚珠丝杠摩擦分力(FB)和LM导轨分力(FL),其计算公式如下:

式中:FL为导轨分力;F为导轨摩擦力;FB为丝杠摩擦分力;ML为导轨弯矩;TL为转矩;MB为丝杠弯矩;x″为导轨加速度.

由于机床导轨的承载方式大多是承受疲劳载荷,在疲劳载荷的情况下,机床导轨的Stribeck曲线和Hysteresis曲线也将是评价机床导轨的性能好坏的重要指标.本文通过预设疲劳载荷的方法,具体的载荷施加方式如图2所示[9].

图1 机床控制系统结构Fig.1 Machine tool control system structure

图2 疲劳载荷Fig.2 Fatigue load

根据图2所示的载荷施加方式,进行实验测试,测试完成后绘制部分Stribeck曲线和Hysteresis曲线如图3所示.根据图3可以看出:本文所设计的机床导轨结构设计合理可靠,Stribeck曲线和Hysteresis曲线符合设计标准.

2 机床导轨控制系统的设计

机床导轨的控制系统是机床正确进行运动的先决条件,是整个机床的运动控制的核心组成部分.机床导轨的控制系统主要由硬件系统和软件系统组成.机床的硬件系统主要采用PLC单片机进行控制,其软件系统主要对其控制策略进行设计.

图3 疲劳曲线Fig.3 Fatigue curve

2.1 软件系统设计

考虑本文所设计的机床导轨控制系统的重要特点是可以实现摩擦补偿,因此,本部分软件系统的设计首先应根据摩擦补偿的数学原理对摩擦补偿控制器进行方案设计[10].

为了设计状态观测器,提出了馈送驱动器的简单动态模型:

(3)

根据上述摩擦补偿器动态模型对机床导轨的控制策略进行设计,本文设计了5种控制策略,具体控制方式如图4所示.

2.2 控制系统硬件系统设计

控制系统的硬件系统是整个控制系统执行的前提,是软件系统的载体.本文设计的机床导轨控制系统的硬件系统依靠PLC实现.硬件系统的设计主要是根据软件系统提出的策略对硬件系统电路进行设计,硬件系统的电路主要包括主电路和控制电路.

考虑PLC电路板本身自带内部电源的特点,为了避免外接负载及电源对内部电源的干扰,设计主电路如图5所示.

主电路主要是保证电源为机床进给系统提供动力,控制电路主要是控制机床进给系统的精确运动.本文基于软件系统提出的5种基本控制策略,对控制电路进行分模块设计,具体的控制电路设计如图6所示.

图4 控制策略Fig.4 Control strategy

图5 主电路Fig.5 Main circuit

图6 控制电路Fig.6 Control circuit

2.3 控制系统仿真测试

为了测试本文所设计的控制系统的可行性,基于5种控制策略所设计的控制系统进行仿真,仿真结果如图7所示.通过仿真可以看出:在2.0～2.2 s之间的区域中的跟踪误差证明,当由于DOB中的滤波器引起的时间延迟而发生反转时,所提出的PD控制策略比DOBVSC和PD+FF+DOB更有效.在4.0～4.2 s之间的区域中,通过对基于模型的摩擦补偿方法PD+FC和PD+FC+LE比较可以看出,所提出的PD+FC控制策略维持摩擦补偿性能更好.

2.4 控制系统的实验研究

为了验证控制系统的仿真结果的可靠性,根据所提出的控制策略进行实验平台的实验验证.在进行机床进给控制系统的结构设计时,本文对机床进给系统的Stribeck曲线和Hysteresis曲线进行了探究,前述曲线的探究并未考虑控制系统的控制策略,在此基于控制系统的PD+FC+LE控制策略对Stribeck曲线和Hysteresis曲线进行拟合,具体拟合结果如图8所示.通过图8可以看出,本文基于PD+FC+LE控制策略的Stribeck曲线和Hysteresis曲线的实测值和拟合值高度一致.

图7 仿真结果Fig.7 Simulation results

本文考虑系统的稳定性,在4.0～4.2 s之间的区域中,PD+FC控制策略维持摩擦补偿性能更好,因此，选择除PD+FC+LE控制策略进行实验,分别对比了各控制策略之间实验值和仿真值的误差,实验结果如图9所示.

图8 拟合结果Fig.8 Fitting results

图9 实验结果Fig.9 Experimental results

通过实验结果可以看出,比较了由不同补偿控制方法控制的进给驱动器的跟踪误差,实验值和模拟值的误差低于7%,说明提出的各个控制策略都是可行的,但是,基于状态观察法比其他方法更有效,特别是当轴速度反转发生时.因此,本文设计的机床进给控制系统的状态观察法(PD+FC)属于最优控制策略.

3 结论

(1) 分模块设计了机床的进给系统的结构,并通过多分析部疲劳载荷试验,探究了机床进给系统的Stribeck曲线和Hysteresis曲线.

(2) 基于摩擦补偿控制原理,提出了馈送驱动器的动态模型的数学模型,并根据动态模型提出了机床进给系统的5种控制策略,进行了控制系统的软件设计;与此同时,提出了基于PLC的控制方式的硬件系统,并绘制了主电路和控制电路图.

(3) 基于机床进给系统的硬件和软件系统对其进行了仿真,仿真结果显示:在2.0～2.2 s之间的区域中PD控制策略比DOBVSC和PD+FF+DOB更有效;在4.0～4.2 s之间的区域中,PD+FC控制策略维持摩擦补偿性能更好.

(4) 为了验证仿真结果的正确性,采用试验方法对其进行验证,根据实验结果可以看出,不同补偿控制方法控制的进给驱动器的跟踪误差,实验值和模拟值的误差低于7%,并且状态观察法(PD+FC)属于最优控制策略.

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