电火花成型机主轴直线驱动伺服控制关键技术研究

摘要

在电火花成型加工中，主轴需要反复地进给与抬刀，而现有的电火花成型机一般采用“旋转电机+滚珠丝杠”的传动方式，使得加工的精度与效率受到较大的限制。本文在宁波市科技攻关项目(2011B1031)的支持下，用直线电机替代了传统的旋转电机来驱动主轴的伺服系统。该“直接驱动”的方式取消了中间传动环节，因而避免了因机械传动产生的间隙、摩擦损耗、响应滞后等问题，提高了系统运行的效率与快速响应能力。除此之外，由于采用的直线电机在电火花成型加工的抬刀过程中能提供较大的加速度，有利于加工屑排出。因此，对直线电机驱动的电火花成型机主轴运动的研究有着重要的实用价值。
　　本文以电火花成型机主轴为研究对象，设计了适用于电火花成型加工的直线驱动的伺服系统。全文共分为六章:
　　第一章:简述了课题的研究背景和意义，介绍了电火花成型加工、直线电机的国内外研究现状以及直线电机在数控机床的应用现状，并阐明了本文的主要研究内容。
　　第二章:设计直线驱动主轴结构，分析其运行时多重扰动力并建立数学模型。结合有限元分析软件分析直线电机固有的端部效应及齿槽效应，并对直线电机运行过程中摩擦力和负载扰动进行分析，基于上述扰动分析建立直线电机的数学模型，为直线电机的控制提供理论基础。
　　第三章:设计基于干扰观测的主轴伺服控制系统。以电火花成型机主轴伺服系统为对象，基于矢量控制原理对永磁同步直线电机进行控制，并考虑主轴配重机构设计基于扰动观测的模糊控制器，以满足电火花成型加工中快速抬刀与慢速进给的要求，实现对主轴伺服系统的精确控制，并通过Matlab/Simulink对主轴直线电机与控制系统进行仿真。
　　第四章:完成主轴控制系统硬件电路与程序。针对电火花成型加工要求，设计了基于TMS320F2808的模块化硬件电路，包括电源电路、显示器接口电路、CAN接口电路、A/D采样电路、驱动模块等电路。基于DSP开发软件CCStudio v3.3对系统软件进行设计，在构建系统软件总体构架后对主要模块软件进行了设计，实现了控制系统软件的设计。
　　第五章:完成直线驱动电火花成型实验样机。根据电火花成型加工的特点，为满足其大范围调速的要求，分别对慢速进给与快速抬刀进行实验分析，并通过分析验证本文的基于干扰观测的模糊速度控制能够较好的与参考速度保持一致，在主轴换向时能及时响应，达到了预期的效果。
　　第六章:总结了本课题的研究成果，分析概述了直线电机在电火花成型加工应用中任然存在的问题，并对今后的研究方向进行了展望。

目录

声明

论文说明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 论文研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 电火花成型加工研究现状

1．2．2 直线电机在数控机床的应用研究现状

1．2．3 现有研究存在的不足

1．3 论文研究内容及结构

1．3．1 研究内容

1．3．2 论文结构

1．4 本章小结

第2章 直线驱动主轴设计分析与建模

2．1 引言

2．2 面向直线驱动主轴一体化结构设计

2．2．1 基于直线电机的主轴结构设计

2．2．2 基于气动平衡的主轴配重机构设计

2．3 主轴直线电机多重扰动分析

2．3．1 主轴直线电机端部效应扰动分析

2．3．2 主轴直线电机齿槽效应扰动分析

2．3．3 主轴摩擦及负载等多重扰动力分析

2．4 考虑多重扰动的永磁同步直线电机数学模型

2．4．1 永磁同步直线电机概述

2．4．2 永磁同步直线电机坐标变换

2．4．3 永磁同步直线电机状态空间方程

2．5 本章小结

第3章 主轴伺服系统控制器设计及性能仿真

3．1 引言

3．2 直线驱动伺服控制系统总体方案设计

3．2．1 直线电机矢量控制方法

3．2．2 直线电机矢量控制系统结构

3．2．3 空间电压矢量脉宽调制

3．2．4 主轴气动配重控制

3．3 基于模糊理论伺服系统控制器设计

3．3．1 模糊控制基本原理

3．3．2 基于速度信号的模糊控制器设计

3．3．3 基于扰动观测的主轴控制器设计

3．4 主轴控制器速度仿真分析

3．4．1 直线电机Matlab／Simulink模型

3．4．2 基于扰动观测的速度模糊控制器建模

3．4．3 仿真结果分析

3．5 本章小结

第4章 主轴伺服系统的软硬件设计

4．1 引言

4．2 主轴伺服系统硬件设计

4．2．1 DSP控制器介绍

4．2．2 硬件系统结构总体设计

4．2．3 控制电路及主电路设计

4．3 主轴伺服系统软件设计

4．3．1 软件结构整体设计

4．3．2 控制系统主程序设计

4．4 本章小结

第5章 主轴伺服系统实验研究

5．1 引言

5．2 实验平台设备选型

5．3 安装与调试

5．4 实验结果与分析

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 论文研究工作总结

6．2 未来研究工作展望

参考文献

附录