多股簧数控加工机床张力控制系统的设计与研究

摘要

多股螺旋弹簧（简称多股簧）是由钢索（多根钢丝按单层或多层同向捻制而成）绕制而成的圆柱螺旋弹簧。比普通单股弹簧强度高、使用寿命长、可靠性高、减振效果更好，但多股簧的设计和制造过程非常复杂，在民用产品上的应用较少，一般仅在军事装备中使用。近年来，随着民用产品的安全性，可靠性和稳定性受到重视，多股簧在民用市场上的应用正逐兴起。为此，提高多股簧的加工效率、合格率，降低制造成本对多股簧推广应用的意义重大。而在多股簧的加工过程中，造成产品不合格的主要因素是钢丝张力的不一致。
　　本文以提高多股簧加工过程中钢丝张力的控制精度为目标，在多股簧数控加工机床的张力控制系统的设计、系统特性、张力控制算法以及张力控制系统的实现等方面开展了研究。本文的主要内容如下：
　　①针对多股簧加工过程中的张力控制需求，提出了多股簧数控机床张力控制系统的设计方案。并基于张力控制系统的方案完成了对机床张力控制系统的机械结构和电气控制电路的设计。
　　②针对多股簧数控加工机床的张力控制，建立了张力控制的理论模型：放线端动力学模型、张力产生机理模型以及钢丝间张力相互作用机制模型。通过Simulink搭建的多输入多输出系统模型的仿真，验证了多股簧加工过程中钢丝张力的时变性和相互影响等特点。并对机床样机的张力控制系统的特性进行了试验研究，发现作用在线盘上的阻力矩的磁滞效应较大；检测装置受到自身重力分量和离心力的影响；钢丝张力波动随加工工艺参数的增大而增大。
　　③基于多股簧数控加工机床张力控制系统的特性，以不同的硬件资源为运算核，设计了基于上位机的模糊神经网络控制结构和基于下位机的PI神经网络（PINN）控制结构。并通过与不同工艺参数下不同控制方法（增量式PI、PI-PSO、MPIDNN）的试验结果的对比分析，验证了本文设计的两种算法的有效性。对比这两种算法得出，基于下位机的PINN控制算法经济性较好；而基于上位机的模糊神经网络的控制精度更高。
　　④基于多股簧数控加工机床张力控制系统的结构以及对控制系统的需求，提出了基于上、下位机主从模式的张力控制交互系统的结构以及相应的执行流程。并针对测量装置的影响，设计了基于检测模型的时域补偿方法，并分析了补偿误差的来源，得出补偿误差主要源于相位误差和模型参数的拟合误差。

目录

1 绪论

1.1 多股簧简介

1.2 张力控制的研究现状

1.3 选题背景及意义

1.4 论文的主要研究内容

2 多股簧数控加工机床的张力控制系统设计

2.1 引言

2.2 张力控制系统的需求分析

2.3 张力控制系统的方案设计

2.4 张力控制系统的结构和电气控制设计

2.5 本章小结

3 多股簧数控加工机床张力控制系统的特性

3.1 引言

3.2 张力控制的理论模型

3.3 张力控制的仿真分析

3.4 张力控制系统中重要部件的特性

3.5 张力波动的影响因素

3.6 本章小结

4 多股簧数控加工机床的张力控制算法研究

4.1 引言

4.2 基于下位机的PINN算法

4.3 基于上位机的模糊神经网络算法

4.4 算法的试验结果

4.5 两种张力控制方案的分析比较

4.6 本章小结

5 多股簧数控加工机床张力控制系统的实现

5.1 引言

5.2 人机交互系统的开发环境和编程语言

5.3 上位机张力控制系统的设计

5.4 下位机控制执行程序的设计

5.5 测量装置影响的剔除方法

5.6 传感器的标定

5.7 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文

B. 作者在攻读硕士学位期间的专利

C. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目