基于位置预测方法的时栅数控转台控制系统设计

摘要

数控系统是数控机床的关键功能部件，是保证机床加工精度重要组成部分，数控系统中位移传感器的精度决定了数控系统的加工水平，现有的数控系统多以光栅为位置反馈单元。时栅位移传感器为课题组研制的一种新型传感器，以时空转换思想为理论基础，通过对时间的精准划分实现对空间的精确测量，具有抗干扰能力强、测量精度高等特点，在可靠性以及成本上都有较为明显的优势。把时栅作为角度测量元件应用于全闭环数控系统中不仅可以降低成本，而且提高了对环境的适应能力。但由于时栅是等时采样，而光栅利用莫尔条纹进行空间位置测量，二者工作原理不同，如将时栅直接应用基于光栅的数控系统会出现采样周期不同步和采样空间不同步的问题,无法直接与增量式数控系统相匹配。为了解决上述问题，本文以重庆计量质量检测研究院的“时栅位移传感器数控转台”项目为基础，研制基于位置预测方法时栅数控转台的控制系统，主要研究内容如下：　　1.根据时栅位移传感器的原理，分析了时栅的动态特性与静态特性，对时栅应用于光栅数控系统中时存在的位置反馈误差进行了研究，提出了解决动态位置反馈误差的研究方案。　　2.根据上述提到的反馈误差解决方案，研究了基于BP神经网络的位置预测方法：通过对当前值和过去角度值进行建模，预测出下一个周期的测量值，将预测值反馈至数控系统后，由系统发送脉冲驱动转台转动相应的角度值，这样就解决了动态位置反馈误差问题。并且提出了修正预测误差的方法，消除在预测测量中的反馈误差，使得静态测量的时栅传感器可应用于动态位置的连续反馈。　　3.为了验证预测方法的正确性，设计了基于时栅传感器的转台控制系统，系统包括兼容时栅的TTL增量式接口，能同时采集时栅和光栅反馈信息的同步采集卡，系统以HEIDENHAIN圆光栅采集的角度值为真值，时栅角度值为实测值，开展基于位置预测方法的时栅数控转台控制系统的实验研究。　　4.搭建了以时栅测量值为实测值、光栅测量值为真值的实验平台进行实验，实验结果表明，在静态测量条件下，设计的兼容时栅的TTL增量式接口对时栅的测量精度没有影响；在动态测量条件下，基于位置预测方法时栅传感器测量精度与光栅的测量精度误差在?2'的范围内波动，结果符合实验对精度的要求。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究的背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 数控转台国内外研究现状

1.2.2 检测元件发展现状

1.3 预测测量研究现状

1.4 本文研究内容

2 时栅数控转台动态位置反馈误差机理研究

2.1 时空坐标转换理论

2.2 时栅位移传感器

2.3 时栅传感器静、动态特性研究

2.4 动态位置反馈误差研究

2.5 本章小结

3 数控转台位置预测测量方法研究

3.1预测测量方法研究

3.2 基于BP神经网络的位置预测方法研究

3.2.1 BP神经网络结构

3.2.2 BP神经网络学习算法建模

3.3本章小结

4 模型仿真与优化

3.2.3 BP算法的优化

4.1 BP神经网络训练模型

4.2 改进的BP算法

4.3 本章小结

5 转台控制系统设计

5.1 时栅TTL增量式接口的设计

5.2 角度信息同步采集卡设计

5.3 电机与驱动器的选型

5.3.1 电机控制算法设计

5.4 本章小结

6 实验研究

6.1 实验平台的搭建

6.2 静态精度实验

6.3 动态精度实验

6.4 实验结果分析

6.5 本章小结

7 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果