直线电机驱动的数控机床XY工作台轮廓误差控制系统设计

作     者：彭振洲 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：熊静琪

授予年度：2013年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：XY工作台 直线电机伺服系统 质量变化 模糊控制 非线性PID控制 轮廓控制 

摘      要：在数控机床向着高速高精发展的潮流下，直线电机以其独有的速度和精度优势开始运用于数控机床，并开始逐步取代旋转电机加滚珠丝杠这一传统的伺服机构。直线电机驱动的XY工作台是数控机床中实现平面定位和进给的最基本的机构之一，在数控镗、铣、钻床以及各种加工中心中广泛应用。 数控机床XY工作台的轮廓精度是其最重要的指标，本文研究的目的是设计工作台的控制系统对其进行轮廓控制。在直线电动机驱动的XY工作台运行的过程中，有多种因素会影响直线电机伺服系统的运行，并影响到工作台运行的轮廓精度。如载荷变化、振动、摩擦、切削力变化等，此外在不同的加工过程中，工作台承载的工件质量不同，而质量的变化会使得直线电机伺服控制系统的控制效果下降，并最终影响工作台的轮廓精度。这些因素都是在设计轮廓控制系统过程中要考虑的问题。 首先，本文介绍了直线电机驱动的数控机床XY工作台的常见控制方法，以及这些控制方法在国内外的现状和发展前景，阐述了数控机床XY工作台的基本结构以及工作原理。分析并选择了适合本文的轮廓控制系统结构。 其次，分析了轮廓控制系统的结构以及设计要求，建立了轮廓误差模型，然后本文在高速高精要求下，建立了永磁同步直线电动机驱动的数控机床XY工作台的数学模型;根据直线电机XY工作台的特点，对工作台的单轴速度控制器和位置控制器进行设计。 在设计控制器的过程中，本文研究了广泛应用的PID控制在系统质量发生变化时的控制效果，并针对工作台在不同工况下质量会发生变化这一特点设计控制器。 第一，在速度控制环节采用模糊控制，在位置控制环节采用非线性PID控制，并根据研究对象的特点对其进行改进，相比传统PID控制能更好的应对质量变化;第二，在XY工作台轮廓控制上，采用实时轮廓误差估计模型计算出伺服进给系统的轮廓误差，使用交叉耦合控制器来分配X﹑Y轴的补偿量，实现对轮廓误差的实时补偿，提高工作台的轮廓精度。 最后使用MATLAB/simulink完成了直线电机XY工作台控制系统的建模与仿真。理论推导和仿真结果表明，模糊控制器、变参数非线性PID控制器运用于XY工作台单轴控制，能在不同工况下当系统质量发生变化时保持良好的控制效果。交叉耦合控制相比两轴独立控制，能更有效的提高工作台的轮廓精度。