回转类非圆轮廓磨削过程变结构控制理论及方法研究

摘要

凸轮轴、曲轴、转子发动机内腔等回转类非圆轮廓零件是发动机的核心部件其轮廓精度直接影响发动机的性能。该类零件是通过X-C两轴联动实现磨削加工的更确切地说，X轴的直线运动跟踪C轴的旋转运动完成被加工工件的轮廓加工。由于被加工零件的轮廓特点，其轮廓精度受到了各伺服轴的跟踪性能、速度的突变、加速度的冲击、磨削力波动等多种因素的影响，研究该类零件的轮廓误差控制方法，对于提高其廓形精度具有重要的理论和实际意义。　　揭示了非圆轮廓磨削力随着非圆轮廓曲率变化的规律。对单颗磨粒作为切削刀具参与磨削进行了受力分析，推导了非圆轮廓磨削的瞬时磨除体积，根据X-C联动磨削原理，建立了非圆轮廓的X-C联动磨削力模型。变化的非圆轮廓曲率是影响X-C联动磨削力的重要因素，定量分析了X-C联动磨削力和复杂非圆轮廓曲率半径之间的关系。分别对凸轮轮廓、椭圆轮廓、转子发动机内腔轮廓进行了曲率半径和非圆磨削力的计算及仿真。研究了X-C联动磨削力对非圆轮廓磨削加工过程的影响，探讨了X-C联动磨削力和两轴运动位置的关系。　　进行了非圆轮廓磨削用机床X轴和C轴跟踪性能的变结构控制研究。设计了各轴常规PID控制器和滑模变结构控制器，通过仿真对两种控制策略的控制精度及抗扰动能力进行了对比，滑模变结构控制方法无论在控制精度上还是抗扰动能力上均具有较好的控制性能。滑模变结构控制方法的强鲁棒性使得非圆轮廓磨削加工机床的各轴运动具有更好的跟踪性能。　　针对滑模变结构控制的抖振问题，使用模糊控制器调整变结构控制器中指数趋近律的切换控制系数，使其随着系统参数变化和干扰变化进行实时调节。通过仿真分析，基于模糊指数趋近律切换控制系数的等效滑模控制可以有效抑制抖振，既实现了高精度控制，又保留了滑模变结构方法抗扰动能力强的特点，变结构控制方法为非圆轮廓的高精度磨削加工控制提供一种研究思路。　　研究了非圆轮廓误差与两伺服轴跟踪位置误差之间的关系。通过对非圆内轮廓、非圆外轮廓的廓形变化分析，推导了由单个伺服轴跟踪滞后引起的非圆轮廓误差。　　提出了一种X-C两轴联动运动控制方法一耦合增强控制方法。由于X-C两轴联动磨削加工不同于X-Y两轴联动磨削加工，根据交叉耦合控制的思想，设计了基于变结构控制的两轴耦合增强控制器，将X轴和C轴的跟踪位置误差化为非圆轮廓廓形误差进行耦合对比，并将比较结果增强相对滞后量大轴的跟踪速度，使其快速跟踪另一轴的运动，以减小非圆轮廓的廓形误差，提高廓形精度。　　在数控凸轮轴磨床上进行了实际磨削过程的误差测量试验。完成了凸轮磨削加工过程中的X轴和C轴跟踪滞后量的数据采集，以验证仿真结果的有效性。搭建了X轴系统和C轴系统的试验台，分别对X轴系统和C轴系统的PID控制方法、滑模变结构控制方法、模糊滑模变结构控制方法进行了试验，模糊滑模变结构控制方法可以实现非圆轮廓磨削机床伺服轴的高精度位置跟踪。进行了基于变结构和模糊变结构的X-C两轴联动耦合增强控制器的仿真试验，X-C联动耦合增强控制可以加快X轴的跟踪速度，减小两轴之间的相对滞后量，以实现两轴运动的协调性控制。

目录

第一个书签之前