数控车床静压气体轴系回转误差补偿及控制方法的研究

摘要

随着科学技术的飞速发展，人们对数控车床轴系精度的要求越来越高，因此为了满足不断增长的高精度要求，要找到经济合理、技术可行的解决方案。针对提高数控车床主轴回转精度的问题，本文提出在采用的静压气体轴承上引入主动磁轴承，利用静压气体轴承作为主要承载元件，磁轴承作为辅助元件来修正主轴的回转误差。这样的结构具有回转精度高、承载力大、刚度大及可控性好等优点。
　　本文中数控车床的主轴系统包括两个静压气体轴承和两个主动磁轴承、一个止推轴承。首先对静压气体轴承和磁轴承进行结构的设计和参数的确定;通过对主轴系统的研究分析，对静压气体轴承进行静特性分析、磁轴承进行电磁力分析以及建立并分析系统单自由度和五自由度动力学模型;然后对主轴回转误差进行测量并进行去谐波分离，得出精确的回转误差图像;最后对控制系统进行设计:该系统是一个带有反馈的闭合系统，在主轴的前后端分别安装三个电涡流位移传感器，采集到的数值作为系统的输入，该数值经过A/D变换，转换成数字信号传入作为硬件CPU的数字信号处理器(DSP)中，得到磁轴承的控制律，把信号经D/A转换加载到磁轴承上，修正主轴的回转误差。
　　本文采用模糊自整定PID控制方法，针对系统的控制要求搭建系统仿真的平台，通过仿真验证在模糊自适应PID控制作用下主轴的回转精度能否得到大幅度的提高，验证控制系统的可行性与实用性，达到提高主轴回转精度的目的。设计基于TMS320LF2407A DSP的数控车床静压气体轴承轴系的控制系统，并对系统中的硬件部分和软件部分进行设计。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 数控车床及气体轴承简介

1．2．1 数控车床的研究与发展

1．2．2 气体轴承的研究现状

1．2．3 数控车床精密轴系回转误差简介

1．3 数控车床精密轴系回转误差研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 本论文的主要研究内容

2 静压气体轴承静特性及动力学研究

2．1 轴系的组成及其工作原理

2．2 静压气体轴承的静特性分析

2．2．1 静压气体轴承的结构设计

2．2．2 静压气体轴承建模与数值分析

2．2．3 静压气体轴承的参数优化设计

2．3 主轴系统的动力学建模

2．3．1 主动磁轴承的设计

2．3．2 主动磁轴承的电磁力分析

2．3．3 单自由度主轴系统的动力学模型

2．3．4 五自由度主轴系统的动力学模型

2．4 主轴系统的动力学模型仿真

2．5 本章小结

3 静压气体轴系回转误差的测量及控制系统

3．1 回转误差的测量

3．1．1 回转误差产生的机理及测量思路

3．1．2 回转误差的测量方法

3．2 回转误差的谐波分析与消除

3．2．1 谐波的分析与仿真

3．2．2 轴偏心的消除

3．2．3 三点法回转误差的提取

3．3 磁轴承的控制系统

3．3．1 控制方法及控制器的选用

3．3．2 其他组成部分的介绍

3．4 本章小结

4 基于MATLAB的磁轴承控制及误差补偿

4．1 轴系的控制系统及工作原理

4．2 单自由度系统的传递函数

4．3 模糊自整定PID控制器的设计

4．3．1 模糊控制器的原理以及结构

4．3．2 参数自整定方法分析

4．3．3 控制规则的确定

4．4 系统仿真与分析

4．5 主轴系统的不平横补偿控制

4．6 主轴回转误差的仿真

4．7 本章小结

5 轴系回转误差控制系统的DSP实现

5．1 数字信号处理器(DSP)的选择

5．2 控制系统的硬件设计

5．2．1 A／D和D／A通道设计

5．2．2 外围电路设计

5．2．3 DSP的最小系统

5．2．4 外部扩展储存器

5．3 控制系统的软件设计

5．3．1 数据格式处理方式

5．3．2 系统控制算法及程序设计

5．4 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

声明