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进给系统直接转矩控制与摩擦补偿研究

进给系统直接转矩控制与摩擦补偿研究

作者：陈志强天津大学

学位级别：硕士

目前数控机床进给系统的控制方法主要采用矢量控制,而与矢量控制相对应的直接转矩控制在进给系统中的应用较少,研究表明其在实时性上存在一定的优势,但相关问题尚待研究。本文以直线轴滚珠丝杠进给系统为研究对象,研究了直接转矩控制模... 详细信息

目前数控机床进给系统的控制方法主要采用矢量控制,而与矢量控制相对应的直接转矩控制在进给系统中的应用较少,研究表明其在实时性上存在一定的优势,但相关问题尚待研究。本文以直线轴滚珠丝杠进给系统为研究对象,研究了直接转矩控制模式下的进给系统机电耦合模型,并基于Lu Gre模型对进给系统的摩擦进行参数辨识与摩擦补偿。本文研究内容如下:基于集中参数法,建立了滚珠丝杠进给系统动力学模型。以此为基础,构建出矢量控制模式下进给系统机电耦合模型。同时,建立了基于滞环控制器、模糊PI控制器和滑模控制器三种直接转矩控制模式下,进给系统机电耦合模型,为后续的对比分析工作奠定了基础。基于LuGre模型,开展了摩擦力矩测试实验,利用西门子配套的Starter软件采集了电机转速及摩擦力矩。基于最小二乘法和粒子群优化算法,辨识出Lu Gre模型的静态和动态参数,为后续摩擦补偿研究奠定了基础。基于辨识的摩擦参数,建立了考虑摩擦的进给系统机电耦合模型。通过机电耦合仿真,对比分析了矢量控制及典型直接转矩控制模式下进给系统的动态性能。同时,基于机电耦合仿真,系统分析了基于滑模控制器的直接转矩控制模式下,关键控制参数和机械参数对进给系统动态性能的影响规律。基于摩擦参数辨识结果,设计了前馈控制摩擦补偿器,构建了考虑摩擦补偿的进给系统机电耦合模型。搭建了基于RT-LAB和OP4510的半实物仿真平台,开展了考虑摩擦的机电耦合仿真及自回环测试,通过对比分析验证了摩擦补偿器的可行性,为后续的工程应用奠定了基础。

关键词：进给系统直接转矩控制机电耦合参数辨识摩擦补偿

数控机床机电-刚柔耦合特性分析下的进给系统动态运动误差溯源方法

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机械科学与技术 2022年第10期41卷 1577-1584页

作者：卢成伟吴铖洋钱博增向皖生项四通宁波大学机械工程与力学学院浙江宁波315211 宁波精雕数控工程有限公司浙江宁波315211 上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室上海200240

动态运动误差是影响数控机床加工精度的关键因素,但因其具有时变性、随机性与动态性,研究难度大,其产生机理尚不明确,严重阻碍了机床加工精度的提升。本文旨在溯源进给系统的动态运动误差,提出了基于机电-刚柔耦合特性分析的数控机床进... 详细信息

动态运动误差是影响数控机床加工精度的关键因素,但因其具有时变性、随机性与动态性,研究难度大,其产生机理尚不明确,严重阻碍了机床加工精度的提升。本文旨在溯源进给系统的动态运动误差,提出了基于机电-刚柔耦合特性分析的数控机床进给系统动态运动误差溯源方法。通过不同进给速度下切削圆试件,基于三坐标标定与球杆仪圆测试分离出由机械结构引起的动态运动误差。同时,基于机电刚柔耦合动力学模型进行仿真分析,其仿真结果与实验分离结果吻合度达70%以上,从而验证了该方法的可行性与动力学模型的准确性。

关键词：进给系统动态运动误差机电-刚柔耦合圆试件

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数控机床进给系统时变特性建模与分析

机械科学与技术 2022年第1期41卷 104-110页

作者：姚亚健张铮湖北工业大学机械工程学院

在数控机床高速运动过程中，由于进给系统速度、加速度的变化，使得丝杠传动系统的固有参数如等效刚度、等效阻尼值发生变化，产生伺服动态误差，进而影响传动系统的动态性能和精度。为获得机床进给传动系统的时变特性模型，首先对其进... 详细信息

在数控机床高速运动过程中，由于进给系统速度、加速度的变化，使得丝杠传动系统的固有参数如等效刚度、等效阻尼值发生变化，产生伺服动态误差，进而影响传动系统的动态性能和精度。为获得机床进给传动系统的时变特性模型，首先对其进给系统进行动力学物理模型等效，采用集中参数法和控制理论建立其进给轴伺服模型。基于赫兹接触理论、铁木辛柯梁模型、能量耗散法给出了系统刚度、阻尼的理论计算模型，结合机床进给轴伺服模型，提出了五轴卧式加工中心的时变特性进给轴建模方法。通过给定正弦输入信号，利用MATLAB中Simulink模块仿真得到了时变特性下的进给轴输出值，并与传统伺服系统的输出值进行了对比分析。最后利用球杆仪进行了不同进给速度情况下的联动实验，验证了该模型的准确性。

关键词：进给系统动力学模型伺服动态误差时变特性

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基于滚珠丝杠传动的机床进给系统建模与分析

机床与液压 2023年第13期51卷 166-171页

作者：陈哲钥张建业吕张成刘浩天津工业大学机械工程学院天津300387 天津工业大学天津市现代机电装备技术重点实验室天津300387

为了研究机床进给系统的动态特性,提升摩擦力影响下的运动控制效果,建立机床进给系统动力学模型与机电耦合仿真模型。定义基于赫兹接触理论与吉村允效法的部件结合部刚度,通过控制变量法分析进给系统一阶固有频率的影响因素,利用有限元... 详细信息

为了研究机床进给系统的动态特性,提升摩擦力影响下的运动控制效果,建立机床进给系统动力学模型与机电耦合仿真模型。定义基于赫兹接触理论与吉村允效法的部件结合部刚度,通过控制变量法分析进给系统一阶固有频率的影响因素,利用有限元软件对动力学模型进行验证,解释误差出现的原因。并利用PID控制加前馈控制对比分析有无摩擦补偿下的运动控制效果。结果表明:工作台质量和位置以及丝杠螺母副刚度变化对进给系统一阶固有频率影响显著;加入的前馈补偿能够有效消除因黏性摩擦产生的“平顶”、“死区”不良现象。

关键词：滚珠丝杠进给系统机电耦合前馈控制

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滚珠丝杠进给系统机电能耗实验研究

机床与液压 2022年第8期50卷 62-68页

作者：陈木荣广东理工学院电气与电子工程学院广东肇庆526100

为深入探索数控机床能耗规律、发挥能耗匹配在数控机床关键部件选型上的指导作用,针对数控机床滚珠丝杠进给系统的机电能耗进行了实验研究。进给系统总能耗可分为伺服电机电功耗以及由各部件相对运动产生的机械功耗(MPC)。因此,首先通... 详细信息

为深入探索数控机床能耗规律、发挥能耗匹配在数控机床关键部件选型上的指导作用,针对数控机床滚珠丝杠进给系统的机电能耗进行了实验研究。进给系统总能耗可分为伺服电机电功耗以及由各部件相对运动产生的机械功耗(MPC)。因此,首先通过设计全新的实验装置,在多组转速及负载转矩条件下,对伺服驱动电机的电功耗及电效率进行了测量与分析;进一步,考虑4种不同导程滚珠丝杠,对进给系统各部件的MPC进行实验研究,阐明滚珠丝杠的结构参数对系统功耗的影响,以及进给系统功耗与工作台速度的关系。结果表明:电机的工作状态对其效率以及整个进给系统的功耗有很大影响,且影响功耗的最关键因素之一是电机转速,系统功耗是电机效率和机械部件相对运动产生MPC之间的权衡。研究结果有助于从能耗角度进行滚珠丝杠及伺服电机的合理选型,以及对机床进给参数的优化。

关键词：滚珠丝杠副进给系统能耗电机效率机械功耗

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数控机床进给系统热误差补偿与建模方法研究

数控机床进给系统热误差补偿与建模方法研究

作者：刘杉厦门大学

学位级别：硕士

在机械加工中,数控机床的精度直接决定了产品的精度,因此减小数控机床误差,提高其加工精度具有十分重要的意义。研究表明,数控机床的热误差占总误差的比例达40%-70%对机床精度有重要影响。机床进给系统热误差直接影响其定位精度,不仅随... 详细信息

在机械加工中,数控机床的精度直接决定了产品的精度,因此减小数控机床误差,提高其加工精度具有十分重要的意义。研究表明,数控机床的热误差占总误差的比例达40%-70%对机床精度有重要影响。机床进给系统热误差直接影响其定位精度,不仅随时间变化,还与空间位置密切相关,研究相对复杂。因此,本文针对数控机床进给系统的热特性和热误差建模展开研究,以机床热特性实验及分析为基础,分别从有限元和数据驱动的角度对其进给系统热误差建模方法进行探究,实现对热致误差识别与补偿。具体工作如下:(1)搭建数控机床X轴进给系统热致误差监测平台,设计完成进给系统热特性实验,探究进给速度、负载和行程对系统热特性和热误差分布的影响,并完成变速实验,获取建模所需的实验数据。(2)建立X轴进给系统的有限元分析模型,实现两种不同的热源加载方式,对进给系统的稳态温度场、瞬态温度场和热变形场进行分析,将仿真结果与实验结果进行对比,证明了有限元模型的有效性。并依据仿真模型进一步探究不同进给速度对进给系统热特性的影响,弥补了实验探究中不能了解进给系统整体温度场的不足。(3)对比不同机器学习回归算法,验证了多元线性回归对于温升与热伸长关系建模的优越性,并通过多元线性回归方法分别建立升温和降温阶段的温升-尾端热伸长模型,得到具有较强泛化能力的温升-热伸长模型。(4)实验表明,进给系统在运行行程内的热致误差呈线性分布,因此分别建立升温和降温阶段基于关键测点的多元回归热误差线性模型,并据此对进给系统热致误差进行补偿;针对动态热源导致非线性热误差的问题,利用BP神经网络建立热误差模型,将温度和位置作为输入,对热误差也实现了较高的预测准确率。

关键词：数控机床进给系统热误差建模热误差补偿

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产线进给系统动态响应特性数字孪生研究

产线进给系统动态响应特性数字孪生研究

作者：谢丽军华中科技大学

学位级别：硕士

近年来,数字孪生作为智能制造落地实现的关键使能技术,越来越受到重视。加工产线与加工装备是制造系统中的重要组成部分,为此,本文基于电机换向器加工产线进行了数字孪生建模方法研究,并特别针对产线中加工装备上直接决定加工质量的伺... 详细信息

近年来,数字孪生作为智能制造落地实现的关键使能技术,越来越受到重视。加工产线与加工装备是制造系统中的重要组成部分,为此,本文基于电机换向器加工产线进行了数字孪生建模方法研究,并特别针对产线中加工装备上直接决定加工质量的伺服进给系统,探索了数据驱动的进给系统高保真数字孪生建模方法。本文的研究工作主要有以下几方面:(1)根据电机换向器加工产线的特点,提出产线的五维数字孪生建模框架与数据驱动的进给系统高保真数字孪生建模方案。(2)根据所提数字孪生建模方案,利用Tecnomatix软件平台建立了生产系统中伺服进给系统、机器人、夹爪等关键设备的功能模型和控制接口。并基于OPC UA的通讯架构,实现了产线中多源异构数据的实时采集与通讯,建立了物理实体与孪生模型间的虚实交互通道。(3)针对产线中车外圆机台等加工装备伺服进给系统孪生模型精度低的问题,通过理论推导、Simulink仿真与实验验证,分析了位置环增益、位置、速度、加速度、间隙等因素对进给系统动态响应跟随误差的影响规律,得出了位置与跟随误差基本无关,而速度、加速度、间隙等因素会对跟随误差产生较大影响,且速度对跟随误差的贡献率最大的结论。同时通过速度稳态误差系数法实现了跟随误差的分解。(4)提出了数据驱动的进给系统跟随误差预测方法,确定了非稳态跟随误差的LSTM网络预测模型结构,以指令速度、指令加速度和加速度跃变、间隙摩擦滞后等非线性标记特征作为输入特征,实现了对跟随误差的准确预测。利用跟随误差的预测值,对进给系统数字孪生模型的动态响应特性进行了修正,建立了高保真的进给系统数字孪生体。在不同轨迹下对数字孪生模型跟随误差预测效果进行了验证,预测偏差为0.005mm左右,说明该孪生模型能够准确的反映进给系统实际的动态响应特性。

关键词：数字孪生产线进给系统动态响应特性神经网络

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考虑热效应的单轴进给系统轴向刚度特性研究

考虑热效应的单轴进给系统轴向刚度特性研究

作者：肖文韬华中科技大学

学位级别：硕士

滚珠丝杠进给系统作为机床末端关键执行部件,其动力学特性直接影响着零件的加工精度,而轴向刚度是保证进给系统传动性能的重要参数之一。在高速、高加速度的工况下,温度、冲击等因素引起的进给系统轴向刚度变化更为显著,进而影响系统的... 详细信息

滚珠丝杠进给系统作为机床末端关键执行部件,其动力学特性直接影响着零件的加工精度,而轴向刚度是保证进给系统传动性能的重要参数之一。在高速、高加速度的工况下,温度、冲击等因素引起的进给系统轴向刚度变化更为显著,进而影响系统的传动性能。为此本文从热膨胀变形的角度分析了热效应对系统轴向刚度的影响规律,对高速加工机床综合性能的提高具有重要意义。本文具体研究工作内容如下:针对进给系统的动力学特性,开展了模态锤击实验,获得了进给系统的轴向振动特性。在此基础上,建立了进给系统的轴向动力学理论模型,并采用粒子群优化算法对模型的动力学参数进行辨识。利用该理论模型,研究了刚度参数与系统固有频率之间的关系,为后续分析轴向刚度的影响因素提供了理论基础。开展了进给系统热源的理论建模与分析,为有限元仿真边界条件的设定提供依据;建立了基于有限元的温度场仿真模型,研究了进给系统温度场的分布规律。并对进给系统开展了热态特性实验,验证了仿真模型的合理性和可行性,获得了进给系统中的温度关键点和滚珠丝杠的热变形规律,为后续热变形引起的轴向刚度变化规律提供了分析依据。最后结合上述进给系统的动力学特性和热态特性分析,基于材料力学和Hertz接触理论分别建立了滚珠丝杠和滚珠丝杠副的轴向接触刚度理论模型,研究了工作台位置、运动冲击以及热效应对进给系统轴向刚度的影响规律,并开展了与工作台位置、运动冲击、温升相关的实验模态分析,对上述影响规律进行了验证。

关键词：进给系统动力学热特性轴向刚度

基于混合驱动数字孪生模型的进给系统剩余寿命预测

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基于混合驱动数字孪生模型的进给系统剩余寿命预测

作者：李嘉然兰州理工大学

学位级别：硕士

数控机床作为制造业的“工业母机”,其智能化的发展关系到国家核心竞争力、产业安全和经济安全。在智能化发展的过程中,建立精准、高实用性的数字化模型是智能化的基础。然而,当前的建模方法存在很大的不足,尤其体现在模型的精度上。最... 详细信息

数控机床作为制造业的“工业母机”,其智能化的发展关系到国家核心竞争力、产业安全和经济安全。在智能化发展的过程中,建立精准、高实用性的数字化模型是智能化的基础。然而,当前的建模方法存在很大的不足,尤其体现在模型的精度上。最近几年,数字孪生技术逐渐成为研究热点,通过在虚拟空间中建立物理空间大型复杂设备的孪生模型,实现了虚拟空间对物理世界的全局映射和实时反馈,满足了制造业智能化的内容与目标。此外,将数字孪生技术应用于数控机床的预测性维护,预测数控机床的剩余寿命,可以有效地解决传统的寿命预测方式成本大、耗时长的问题。本文以数控机床进给系统为研究对象,基于数字孪生技术的理念和方法,完成了数控机床进给系统剩余寿命的总体设计、进给系统混合驱动数字孪生模型的构建及验证、进给系统数字孪生模型的自适应更新、基于数字孪生模型的进给系统剩余寿命预测四个部分的内容研究,具体工作如下:首先,本文深入探讨了数控机床进给系统故障与性能的关联,包括故障发生的原因、故障模式和故障对性能的影响等方面。同时,研究了数字孪生技术在数控机床进给系统中的应用,探究了其结构和组成,并从数字孪生空间、物理空间、物理数据、虚实交互空间、孪生数据五个维度阐述了其特点和功能,解析了数字孪生模型的核心技术和关键应用场景。在此基础上,为了实现数控机床进给系统的健康状态监测和预测性维护,本文研究了数字孪生技术在寿命预测中的可行性,并提出了将数字孪生模型应用于数控机床进给系统剩余寿命预测的解决方案。其次,为了搭建多领域的数字孪生机理模型,对进给系统的内部运行机理进行了详细分析,将其机理模型分为电气子系统、控制子系统和机械子系统三大模块,并设计了一种多级分层建模方式。选用Simulink/Simscape多领域建模工具完成了数字孪生机理模型的搭建。此外,提出了基于长短记忆神经网络(LSTM)的进给系统数字孪生数据驱动模型的建模方法。通过采集大量的实验数据并归一化处理后,选择合理的训练参数作为LSTM的输入输出,实现了数字孪生数据驱动模型的精确构建,并与机理模型融合,共同构成进给系统的数字孪生模型。为验证数字孪生模型的准确性,进行了双轴进给系统的虚实同步运动实验。结果表明,该方法构建的数字孪生模型精度高达95%以上,可以为数控机床的智能化维护和优化提供有力的支持。然后,提出了数字孪生模型更新框架,由物理层、感知层、模型更新层、数字孪生体层四个部分组成,可以实现数字孪生模型的实时更新和优化。在此基础上,介绍了一种基于带有遗忘因子的递推最小二乘算法的数字孪生模型在线更新方法,该方法考虑了历史数据的重要性和更新因素的权重,可以快速准确地更新数字孪生模型。通过双轴进给系统在变工况下的实验,验证了数字孪生模型在线更新方法具有较高的精度和实用性,能够有效提高模型的适应性。最后,分析了数控机床进给系统定位误差性能退化的机理,并提出了一种基于数字孪生模型的进给系统定位误差预测方法。该方法利用数字孪生模型仿真预测得到在不同间隙下的定位误差,并根据定位误差性能退化量的分布规律,构建了基于正态分布的退化量分布模型和阈值分布模型,进一步建立了剩余寿命预测模型,预测了数控机床的剩余寿命。

关键词：数字孪生进给系统自适应更新可视化仿真剩余寿命预测