高效強(qiáng)力銑數(shù)控A軸的動(dòng)力學(xué)及控制技術(shù)研究.pdf

1、A軸銑頭作為五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床必備的關(guān)鍵功能部件，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部件眾多，傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)緊湊，驅(qū)動(dòng)及控制困難，剛度不易保證，相比機(jī)床本體設(shè)計(jì)、制造及裝配難度更大，因而，A軸銑頭的參數(shù)水平對機(jī)床的加工品質(zhì)影響最大，成為機(jī)床加工能力顯著提升的關(guān)鍵。A軸銑頭的研究重點(diǎn)可以概括為提高傳動(dòng)和定位精度、增大驅(qū)動(dòng)扭矩和提高銑頭剛度。目前，各種性能指標(biāo)均有所提高，但能成功兼顧各方面指標(biāo)的案例還較少，因而，進(jìn)行系統(tǒng)分析，同時(shí)提高A軸的精度和扭矩顯得尤為重要，在設(shè)

2、計(jì)中通常還需要考慮盡量增大擺角范圍、提高響應(yīng)速度、提高銑頭在復(fù)雜環(huán)境中的可靠性等性能。
　　由于整體葉盤高效強(qiáng)力復(fù)合數(shù)控銑削加工過程中存在載荷高、轉(zhuǎn)速高、沖擊大、切削力大、加工扭轉(zhuǎn)變形嚴(yán)重等問題，為增強(qiáng)銑削加工過程的抗剪切效果，保證整體葉盤高效強(qiáng)力復(fù)合數(shù)控銑削加工順利進(jìn)行，必須設(shè)計(jì)制造大功率、大扭矩、高精度和高剛性的A軸功能部件。本文結(jié)合國家科技重大專項(xiàng)“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”課題：航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤高效強(qiáng)力復(fù)合數(shù)控銑床開發(fā)

3、及應(yīng)用(項(xiàng)目編號：2013ZX04001081)，針對用于鈦合金、高溫合金等難加工材料銑削的大功率、大扭矩、高精度和高剛性數(shù)控A軸的非線性動(dòng)力學(xué)特性和高精度控制技術(shù)進(jìn)行了深入研究，主要工作及成果如下：
　　為滿足A軸的大扭矩、大功率、高精度和高剛性，首先，從結(jié)構(gòu)布局、驅(qū)動(dòng)方式、鎖緊系統(tǒng)和消隙方案等方面對A軸的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)；其次，從總體架構(gòu)、工控機(jī)單元、運(yùn)動(dòng)控制卡、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電主軸單元和位置檢測單元等方面對A軸的控制系統(tǒng)進(jìn)

4、行了設(shè)計(jì)；最后，結(jié)合機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)，對A軸進(jìn)行了總體詳細(xì)設(shè)計(jì)。
　　在A軸的柔體非線性動(dòng)力學(xué)研究方面，首先，分別基于圓板理論和有限元理論對嚙合齒的變形量進(jìn)行了計(jì)算，通過將兩者計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比得到了齒變形的形狀系數(shù)及其變化規(guī)律；其次，建立了A軸的柔體非線性動(dòng)力學(xué)模型，對模型中的非線性摩擦和組合彈性系數(shù)進(jìn)行了辨識與計(jì)算，并分析了系統(tǒng)參數(shù)變化對A軸動(dòng)態(tài)性能的影響。最后，通過設(shè)計(jì)基于擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測器(ESO)的滑?？刂?SMC)系統(tǒng)對A

5、軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中存在的彈性變形及非線性摩擦進(jìn)行了補(bǔ)償控制。
　　在參數(shù)攝動(dòng)和負(fù)載干擾下A軸的動(dòng)力學(xué)特性研究方面，首先，研究了啟動(dòng)扭矩、負(fù)載扭矩、運(yùn)動(dòng)方向和系統(tǒng)參數(shù)之間的相互關(guān)系，揭示了蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)自鎖的數(shù)學(xué)本質(zhì)，并建立了含有非線性動(dòng)力學(xué)參數(shù)和不確定性負(fù)載扭矩的A軸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程。其次，基于雙極性sigmoid函數(shù)和雙曲線正切函數(shù)分別設(shè)計(jì)了兩種自適應(yīng)滑?？刂破?ASMC)，并基于Lyapunov理論設(shè)計(jì)了兩種ASMC中參數(shù)調(diào)節(jié)的自適

6、應(yīng)律，從而保證了閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。再次，設(shè)計(jì)了基于線性二次型最優(yōu)控制(LQC)和SMC相結(jié)合的魯棒控制算法(LQSMC)，該方法以A軸系統(tǒng)狀態(tài)空間表達(dá)式及LQC為基礎(chǔ)，通過引入基于卡爾曼濾波器和控制輸入的狀態(tài)估計(jì)，對系統(tǒng)狀態(tài)空間模型進(jìn)行改進(jìn)并定義新的滑模面方程，使得改進(jìn)后的控制算法在性能上接近LQC并能有效抑制SMC的抖振。最后，根據(jù)動(dòng)靜態(tài)摩擦的不同動(dòng)力學(xué)特性，設(shè)計(jì)了兩種不同的積分型滑?？刂破?ISMC)。ISMC的引入較好地削弱了