慢刀伺服車削機(jī)床PID參數(shù)優(yōu)化及其刀具路徑規(guī)劃研究.pdf

1、慢刀伺服(Slow Tool Servo，STS)車削技術(shù)不同于傳統(tǒng)車削，是一種新型的精密車削加工方法，通過C、X、 Z三軸聯(lián)動帶動金剛石刀具相對于工件端面在圓柱坐標(biāo)內(nèi)實(shí)現(xiàn)螺旋形軌跡的切削運(yùn)動，主要應(yīng)用于加工各類復(fù)雜曲面。慢刀伺服車削相關(guān)技術(shù)的研究，國外起步較早，并已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)應(yīng)用;國內(nèi)的相關(guān)研究近些年才剛剛起步，尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，并未形成工業(yè)加工能力。慢刀伺服車削技術(shù)主要應(yīng)用在國防軍事、空間觀測、光學(xué)測量、民用消費(fèi)等領(lǐng)域。本文基

2、于自主研發(fā)的慢刀伺服裝置，對慢刀伺服車削相關(guān)技術(shù)開展了相關(guān)研究，具體研究內(nèi)容如下:
　　1)慢刀伺服車削機(jī)床控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化。以C軸為例，推導(dǎo)了基于IMAC的帶有速度與加速度前饋的PID控制算法的交流伺服電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。將速度環(huán)簡化為三階振蕩系統(tǒng)，利用階躍響應(yīng)信號進(jìn)行系統(tǒng)辨識，獲得簡化的控制系統(tǒng)框圖。最后用粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行PID參數(shù)優(yōu)化，并通過仿真分析速度前饋和加速度前饋對減小跟蹤誤差的效果。
　　2)復(fù)雜曲面的慢

3、刀伺服車削刀具路徑規(guī)化。在簡要介紹車床結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，分析了曲面的數(shù)學(xué)描述方法，并對擬加工曲面進(jìn)行可加工性判別。分析包括等角度離散、等弧長離散和綜合離散在內(nèi)的三種刀觸點(diǎn)離散方法，并分析各離散方法的優(yōu)缺點(diǎn);根據(jù)曲面能否用代數(shù)方程表達(dá)，提出了兩種不同的Z向刀具幾何形狀補(bǔ)償方法;選擇IMAC提供的PVT插補(bǔ)作為機(jī)床的運(yùn)動軌跡插值算法。在分析已有的PVT入口參數(shù)生成算法的基礎(chǔ)上提出了三轉(zhuǎn)角法，相關(guān)仿真分析結(jié)果表明本文提出的三轉(zhuǎn)角法可以將插補(bǔ)誤差縮

4、小約一個數(shù)量級。
　　3)漸進(jìn)多焦點(diǎn)曲面的設(shè)計(jì)和慢刀伺服車削加工方法研究。首先建立了評價(jià)漸進(jìn)多焦點(diǎn)曲面質(zhì)量的泛函，并利用變分差分的方法求解泛函極值，計(jì)算出了漸進(jìn)多焦點(diǎn)曲面上的離散點(diǎn)坐標(biāo)。基于離散點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，嘗試?yán)秒pn次均勻B樣條插補(bǔ)和Zernike多項(xiàng)式擬合的方法構(gòu)造完整漸進(jìn)多焦點(diǎn)曲面，結(jié)果表明雙n次均勻B樣條插補(bǔ)效果更好，并且插補(bǔ)精度和B樣條次數(shù)關(guān)系不大，故最終選擇計(jì)算更為簡單的雙3次均勻B樣條插補(bǔ)進(jìn)行曲面構(gòu)造。相關(guān)分析表明用

5、該種方法構(gòu)造的漸進(jìn)多焦點(diǎn)曲面的實(shí)際光焦度分布和像散分布圖像與理想分布情況吻合度較好。最后對構(gòu)造的完整漸進(jìn)多焦點(diǎn)曲面進(jìn)行刀位點(diǎn)軌跡規(guī)劃和算法誤差分析。
　　4)典型復(fù)雜曲面的慢刀伺服車削加工實(shí)驗(yàn)?；贑＃語言編寫了慢刀伺服車削機(jī)床控制軟件，并利用本文第三章的刀具軌跡生成方法，編寫了慢刀伺服車削數(shù)控程序生成軟件，進(jìn)行了環(huán)曲面、漸進(jìn)多焦點(diǎn)曲面和陣列面（球面陣列、正弦陣列面）的慢刀伺服車削加工實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了前文相關(guān)理論的正確性和可行