机床双驱进给系统机电耦合建模及动态特性分析

作     者：张佳冬 

作者单位：杭州电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李志华;黄震

授予年度：2024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：重心驱动进给系统 动态特性 机电耦合建模 同步控制策略 

摘      要：进给系统作为机床的关键加工单元,其动态特性和性能将直接影响到待加工部件的加工质量。对于采用重心驱动方式的双驱进给系统来说,其对称性的结构布局可以使得驱动力合力能够准确的作用于待加工部件的重心,具有减少加工时间、提高加工质量和高速高精的加工特点。本文以重心驱动进给系统为研究对象,通过理论分析和计算分别建立了重心驱动进给系统的机械系统动力学模型和伺服系统的控制模型,并结合重心驱动进给系统自身的机电耦合特性选取了较为合适的伺服系统单轴控制策略。针对传统交叉耦合控制策略存在的问题,提出了一种基于重心偏差预补偿的交叉耦合控制算法,并在此基础上建立了重心驱动进给系统的机电耦合模型。通过对所建模型的仿真分析,验证了重心偏差预补偿算法的优越性,并更进一步的探究了机械结构参数和阻尼参数以及机械耦合部分重心偏差对重心驱动进给系统动态特性的影响规律,为进给系统的性能与结构参数优化提供了一定程度上的理论参考。主要研究内容如下: (1)考虑到重心驱动进给系统的结合部刚度、阻尼和机械系统的3D空间耦合振动等因素,建立了重心驱动进给系统机械系统的动力学模型,使用状态空间法获得了机械系统的状态空间模型。 (2)建立了伺服系统的数学模型,并分别对伺服系统的单轴PID控制策略和滑模变结构控制策略进行了仿真分析,同时结合重心驱动进给系统的加工特性和机电耦合特性,最终选取PID控制策略为伺服系统的单轴控制策略,基于PID控制策略建立了伺服系统的三环控制模型,选取交叉耦合控制为伺服系统的同步控制策略。 (3)考虑到重心驱动进给系统中伺服系统与机械系统的能量转换关系与参数状态传递关系,提出了一种基于重心偏差预补偿的交叉耦合控制算法,分别使用重心偏差预补偿交叉耦合控制策略和传统的交叉耦合控制策略对重心驱动进给系统进行机电耦合建模,并通过仿真分析验证了重心偏差预补偿算法的优越性。 (4)通过理论计算获得了重心驱动进给系统的各阶固有频率和振型,并进一步分析了机械耦合部分工作台质量、位置、工作台导轨间距、同一侧导轨滑块间距、丝杠跨距等结构参数对系统固有频率的影响规律,为进给系统的结构设计优化提供了一定程度上的理论参考。 (5)分别探究了了重心驱动进给系统机械耦合部分重心在不同偏差对系统同步误差的影响规律与机械系统在阻尼下对系统机械耦合部分工作台的俯仰、侧倾、轴向振动和滚珠丝杠轴向位移的影响规律,为进给系统的性能优化提供了一定程度上的理论参考。