基于直线电机直接驱动的非圆车削伺服进给系统

摘要

非圆截面零件能够产生特殊的运动规律,满足某些特殊的使用要求,在航空、航天、汽车、机床等行业有着广泛的应用。传统的非圆截面零件车削方法均需要采用一套中间传动机构来驱动刀具作快速往复运动,难以实现较高的控制精度和运动频率。直线电机在机床进给驱动上的应用日益广泛,它能提供非常高的速度、加速度和位置精度,大大提高了生产效率和工件表面质量。因此,在非圆车削过程中,采用直线电机直接驱动的快速进给伺服系统是一种较好的进给驱动选择方式。
　　本论文提出了一种新型直线驱动快速刀具进给机构以及非圆车削系统的总体设计。重点研究了非圆截面零件的软靠模生成,快速刀具进给机构的结构设计、数学模型和控制策略,快速刀具伺服系统的设计与实现以及有关的参数、性能测试与非圆车削实验,解决直线电机直接驱动的快速进给机构及其应用于非圆车削过程中所遇到的相关技术问题。
　　首先分析了非圆车削对刀具进给机构及控制系统实时性的要求,提出了非圆车削系统的总体设计方案和具有上下位机多处理器的控制系统结构。使用多轴运动控制器实现普通数控模块的实时控制,使用DSP控制器作为加工椭圆截面的专用模块,工控机负责系统管理、数据处理及人机交互等实时性要求较低的工作。采用多层次、模块化的思想,在Win2000平台下开发了非圆数控车削的软件系统。
　　以中凸变椭圆活塞为例,对非圆零件的型面特征进行了分析,采用先分解再合成的方法解决非圆车削时刀具轨迹的生成问题。将非圆型面划分为“椭圆截面”、“纵向型线”和“变椭圆度”三个基本特征,对每一种特征给出了相应的数学描述及数据处理方法,将各个特征进行合成得到非圆零件的软靠模,最终生成控制刀具运动轨迹的实时加工数据文件。
　　采用永磁动圈式直线直流电机驱动方式,设计了非圆车削快速刀具进给机构。根据其工作原理和结构特点,结合理论分析及实际应用,建立了快速刀具进给机构的数学模型,得到了伺服刀架的动态系统结构图和传递函数关系式。对直线刀架的动态特性和性能参数进行了分析,并通过仿真与实验研究验证了数学模型的正确性。
　　在对快速刀具伺服系统数学模型进行研究的基础上,针对进给伺服系统要求较高的位置跟踪性能的特点,提出了基于对象模型的前馈位置跟踪控制策略,并设计了相应的模糊参数自适应PID控制器和前馈控制器。研制出基于PCI总线和DSP控制器的快速刀具进给伺服控制系统。硬件上利用双口RAM进行数据交换,提高系统数据通信的可靠性和实时性,以TMS320F2812芯片为核心的数字控制器用于实现位置跟踪控制算法,达到较高的跟踪精度。软件上研究了PCI控制卡驱动程序的开发以及位置跟踪控制策略的算法实现。
　　建立了快速刀具进给机构和非圆车削加工的实验研究平台,对快速刀具进给机构的模型参数(弹性系数和阻尼系数)和性能参数(推力、速度、加速度等)进行了测试,对其快速刀具进给机构的动态性能进行了实验分析。最后针对本文提出的控制算法进行实验研究,对比实验结果表明了提出的控制策略的有效性。

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1 绪论

1.1 课题概述

1.2 非圆车削加工的发展与研究现状

1.3 非圆车削刀具进给驱动方式综述

1.4 非圆车削直线驱动控制技术综述

1.5 本文的主要研究内容与组织结构

2 非圆车削加工系统的总体设计

2.1 引言

2.2 非圆车削刀具径向进给运动特性分析

2.3 非圆车削加工系统的总体设计

2.4 小结

3 非圆截面零件的软靠模生成

3.1 引言

3.2 非圆截面零件型线的数学描述

3.3 非圆截面零件型线的数据生成

3.4 非圆截面零件型线的数据合成

3.5 小结

4 快速刀具进给机构的设计和建模

4.1 引言

4.2 快速刀具进给机构的设计

2.5 N/mm

4.3 快速刀具进给机构的数学模型

4.4 快速刀具进给机构的动态特性分析

4.5 快速刀具进给机构数学模型的仿真与实验研究

5 快速刀具伺服系统的跟踪控制策略研究

5.1 引言

5.2 快速刀具伺服系统的组成

5.3 快速刀具伺服系统的数学模型

5.4 快速刀具伺服系统的控制器设计

5.5 小结

6 基于PCI和DSP的快速刀具伺服系统设计与实现

6.1 引言

6.2 基于PCI和DSP的控制系统结构

6.3 控制系统硬件设计与实现

6.4 控制系统软件设计与实现

6.5 小结

7 实验研究

7.1 引言

7.2 实验准备

7.3 快速刀具进给机构的参数测试及性能实验

7.4 非圆车削实验研究

7.5 小结

8 全文总结与展望

8.1 全文总结

8.2 研究展望

致谢

参考文献

附录 攻读博士学位期间发表论文及取得成果