范大鵬 范世珣 魯亞飛 張連超

國防科技大學(xué),長沙,410073

數(shù)控機(jī)床高性能傳動(dòng)部件控制技術(shù)的研究進(jìn)展

范大鵬 范世珣 魯亞飛 張連超

國防科技大學(xué),長沙,410073

介紹了高檔數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)、刀具伺服等關(guān)鍵傳動(dòng)部件控制技術(shù)的研究進(jìn)展,主要包括滾珠絲杠的工作行為建模與控制方法、電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)、宏微結(jié)合驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)新技術(shù)以及智能刀具伺服技術(shù)等內(nèi)容。針對以上典型傳動(dòng)控制技術(shù),分別回顧了其發(fā)展歷程,總結(jié)了近年來的主要研究成果,歸納出各自的基本設(shè)計(jì)思想,討論了四種傳動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展趨勢以及研究中尚待解決的問題。

數(shù)控機(jī)床;精密;傳動(dòng)控制;研究現(xiàn)狀

0 引言

數(shù)控機(jī)床加工精度、效率等的不斷提高,對機(jī)床直線或回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的精度性能以及加工過程的穩(wěn)定性提出了更高的要求。新的數(shù)控進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)需要在高進(jìn)給速率(大于50m/min)、高加速度(大于1g)工況下達(dá)到亞微米級的定位精度,這意味著傳動(dòng)系統(tǒng)必須提供超過100Hz的伺服帶寬以及具備優(yōu)良的干擾抑制性能。滾珠絲杠與電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)裝置在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)中仍居主導(dǎo)地位。在高速、高精度定位過程中,滾珠絲杠系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)柔性不可忽視,彈性變形被證實(shí)為定位誤差的主要來源。滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)工作行為動(dòng)力學(xué)建模與分析、高帶寬控制方法研究近10年來得到了普遍重視。在高性能伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)配合下,直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)從理論上能夠?qū)崿F(xiàn)高帶寬、無限長傳動(dòng),但是其驅(qū)動(dòng)原理使其在工作過程中容易受到負(fù)載變化的影響。應(yīng)用直驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床,其加工精度、系統(tǒng)穩(wěn)定性極易受到切削力變化的影響。高干擾抑制性能的高帶寬控制系統(tǒng)研究成為直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)。

進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)、主軸傳動(dòng)系統(tǒng)、刀具是數(shù)控機(jī)床的重要基礎(chǔ)功能部件。從近年的研究工作看,機(jī)床精密傳動(dòng)的內(nèi)涵正在不斷深化,外延正在不斷拓展。滾珠絲杠、直線和力矩電機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)作為進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)與主軸傳動(dòng)系統(tǒng)的主要實(shí)現(xiàn)手段,對其動(dòng)力學(xué)行為與控制技術(shù)的研究得到了普遍重視;同時(shí),隨著宏微結(jié)合精密復(fù)合傳動(dòng)以及智能伺服刀具等新技術(shù)的出現(xiàn),柔順機(jī)構(gòu)、功能材料、現(xiàn)代設(shè)計(jì)制造、傳感控制等多學(xué)科領(lǐng)域的技術(shù)成果已越來越多地用于機(jī)床精密驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)技術(shù)研究,呈現(xiàn)多學(xué)科交叉的特點(diǎn),使得精密驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)裝置在組成上逐漸具有機(jī)構(gòu)、傳感、控制、驅(qū)動(dòng)一體化集成的特征。

從提高機(jī)床傳動(dòng)部件精度的技術(shù)途徑來看,一方面通過精密機(jī)械設(shè)計(jì)制造,改善機(jī)械傳動(dòng)部件內(nèi)部的摩擦、潤滑、振動(dòng)等特性來提高精度,另一方面通過在機(jī)械傳動(dòng)部件內(nèi)部增加傳感部件、驅(qū)動(dòng)部件、控制部件,構(gòu)成具有智能化特征的傳動(dòng)單元,以獲得更高的精度和響應(yīng)特性。相比前者,后者得到了更多的研究。

控制單元作為精密復(fù)合驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)的核心,起著對傳動(dòng)部件、驅(qū)動(dòng)部件的精度控制和能量分配的作用,當(dāng)前研究的重點(diǎn)集中在力擾動(dòng)抑制、驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)單元的摩擦與間隙等非線性因素補(bǔ)償、宏微復(fù)合運(yùn)動(dòng)的解耦控制等方面。

本文結(jié)合機(jī)床精密傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展過程介紹滾珠絲杠工作行為建模與控制技術(shù)、電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)、宏微結(jié)合驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)技術(shù)以及智能刀具伺服技術(shù)的研究現(xiàn)狀。

1 滾珠絲杠工作行為建模與控制

近幾年來,世界上很多研究機(jī)構(gòu)圍繞滾珠絲杠應(yīng)用于高速進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行了較多的研究,進(jìn)行了從簡單的集總參數(shù)彈簧質(zhì)量模型到相對復(fù)雜的有限元模型的研究,深入研究了滾珠絲杠軸向、徑向靜動(dòng)態(tài)變形以及結(jié)構(gòu)共振頻率對定位精度及伺服帶寬的作用規(guī)律。依據(jù)更加精確的滾珠絲杠工作行為模型,所進(jìn)行的先進(jìn)誤差補(bǔ)償與機(jī)械共振抑制的研究使得滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)方法有了新的突破與發(fā)展。

1.1 滾珠絲杠工作行為建模技術(shù)

現(xiàn)階段滾珠絲杠的行為建模技術(shù)主要分為三類:基于剛體質(zhì)量彈簧系統(tǒng)的集總參數(shù)模型、相對復(fù)雜的有限元模型以及更貼近工程實(shí)踐的混合建模分析技術(shù)。

集總參數(shù)模型具有模型自由度少、參數(shù)簡單、易于求解等特點(diǎn),在機(jī)床動(dòng)力學(xué)分析、伺服系統(tǒng)性能預(yù)測、機(jī)構(gòu)與控制一體化優(yōu)化綜合中得到成功應(yīng)用。Chen等[1]應(yīng)用該類模型對典型高速滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析與控制仿真,考慮滾珠絲杠副的軸向變形剛度、扭轉(zhuǎn)剛度以及直線導(dǎo)軌副的接觸剛度三類柔性特征,建立了單軸伺服系統(tǒng)的五自由度集總參數(shù)模型;運(yùn)用該類模型準(zhǔn)確預(yù)測了傳動(dòng)系統(tǒng)低頻模態(tài)的分布規(guī)律;通過伺服控制仿真,定量得出了滾珠絲杠副動(dòng)力學(xué)行為對動(dòng)態(tài)伺服精度的影響規(guī)律。對半徑50mm、進(jìn)給速率42m/min、加速度1g的高速圓弧插補(bǔ)進(jìn)行仿真的結(jié)果表明,傳動(dòng)系統(tǒng)柔性引入的終端定位誤差很難依靠傳統(tǒng)控制策略消除,僅依靠傳統(tǒng)S曲線加減速控制策略,穩(wěn)態(tài)定位誤差達(dá)到30μm。Kim等[2]將滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)的集總參數(shù)模型包含到伺服回路模型當(dāng)中,詳細(xì)分析和驗(yàn)證了模型機(jī)構(gòu)參數(shù)、電氣參數(shù)以及控制參數(shù)對整體傳動(dòng)與定位性能的影響,建立了同時(shí)包含滾珠絲杠動(dòng)力學(xué)約束與伺服控制動(dòng)力學(xué)約束的多目標(biāo)量綱一代價(jià)函數(shù),并基于該多目標(biāo)代價(jià)函數(shù)提出了一種滾珠絲杠伺服機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)與控制綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。與之類似的研究還有 Poignet等[3]、Yang等[4]的研究。

有限元模型相對復(fù)雜,但它能夠描述傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)細(xì)節(jié)特征,與集總參數(shù)模型相比,它不僅能夠描述絲杠傳動(dòng)的一般靜態(tài)、動(dòng)態(tài)時(shí)不變特性,而且能夠描述機(jī)床全工作空間內(nèi),螺母帶動(dòng)工作臺(tái)在絲桿上運(yùn)動(dòng)過程中傳動(dòng)特性的變化情況。然而,機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的全有限元模型過于龐大,難以直接指導(dǎo)傳動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì),因此,模型降維與變換技術(shù)是有限元模型有效應(yīng)用的關(guān)鍵。van Brussel[5]提出一種應(yīng)用成分模態(tài)縮減綜合技術(shù)(component mode reduction synthesis,CMRS)進(jìn)行模型降維的有效方法,可將模型的自由度數(shù)縮減三個(gè)數(shù)量級,應(yīng)用降維后的模型可以有效預(yù)測傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為的位置依賴性;在此基礎(chǔ)上,將降維后的模型轉(zhuǎn)化為狀態(tài)空間模型,進(jìn)一步應(yīng)用平衡截?cái)喾ɑ騂ankel范數(shù)近似法等控制模型降階技術(shù),可以得到適用于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的低階“真實(shí)模型”。類似的研究還有Schafers等[6]的研究。然而,應(yīng)用CMRS技術(shù)進(jìn)行模型降維,模型精度與降維過程中所保留的特征節(jié)點(diǎn)的選取有關(guān),對于復(fù)雜零件如何有效保留特征節(jié)點(diǎn)仍需繼續(xù)深入研究。此外,綜合應(yīng)用有限元技術(shù)和多體動(dòng)力學(xué)技術(shù)進(jìn)行絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)仿真分析時(shí),運(yùn)動(dòng)副結(jié)合部的時(shí)變特性仿真是當(dāng)前研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。

綜合集總模型與分布參數(shù)模型(梁分析法、有限元模型)的優(yōu)點(diǎn),近5年來很多學(xué)者對混合建模方法進(jìn)行了研究。該方法的基本思想是:將主要傳動(dòng)部件——滾珠、絲杠視為柔性體,應(yīng)用分布參數(shù)模型建模;將傳動(dòng)末端的螺母、工作臺(tái)作為剛體處理,應(yīng)用彈簧質(zhì)量模型進(jìn)行建模。該技術(shù)的研究重點(diǎn)是絲杠分布參數(shù)模型的建立和絲杠與螺母運(yùn)動(dòng)副結(jié)合面的建模與列式。目前,絲杠建模技術(shù)主要有以下兩種:①將絲杠看作一根完整的梁,應(yīng)用梁的解析方程建模列式,與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對證明,該方法能夠精確預(yù)測傳動(dòng)系統(tǒng)的開環(huán)動(dòng)力學(xué)特征[7-9];②應(yīng)用梁單元對滾珠絲杠進(jìn)行有限元建模,與前者相比,這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以得到更為簡潔有效的模型描述形式[10-13]。傳動(dòng)副結(jié)合面的建模用于描述運(yùn)動(dòng)、振動(dòng)與力從絲杠到工作臺(tái)的傳遞過程,是滾珠絲杠混合模型的另一重點(diǎn)?，F(xiàn)有的技術(shù)均采用剛度矩陣描述結(jié)合面?zhèn)鲃?dòng)特性,其發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段:僅考慮絲杠的軸向和扭轉(zhuǎn)變形;考慮絲杠的軸向、扭轉(zhuǎn)和橫向變形;綜合考慮絲杠的軸向、扭轉(zhuǎn)和橫向變形以及三者間的耦合關(guān)系。絲杠分布參數(shù)模型、傳動(dòng)副傳遞矩陣模型與螺母及工作臺(tái)體的剛體模型共同構(gòu)成了滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)的混合模型,為該類傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了重要工具。

1.2 滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)控制技術(shù)

根據(jù)滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)工作行為建模分析結(jié)果,在高速以及中重載荷條件下,滾珠絲杠在傳動(dòng)過程中表現(xiàn)出顯著地柔性體特征,存在以下固有問題:①低頻固有模態(tài)限制傳動(dòng)動(dòng)態(tài)性能[14];②軸向、徑向模態(tài)引起工作臺(tái)游走,限制動(dòng)態(tài)定位精度。因此,高檔數(shù)控機(jī)床滾珠絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)均工作于全閉環(huán)狀態(tài)。滾珠絲杠低階模態(tài)主動(dòng)阻尼與主動(dòng)抑制控制技術(shù)、軸向、徑向工作臺(tái)游走動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)、彈性體非最小相位特性鎮(zhèn)定控制技術(shù)是近10年來該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。同時(shí)考慮絲杠分布參數(shù)特性、潤滑條件的不一致性以及負(fù)載分布情況引起的摩擦條件時(shí)變特性等非線性因素影響,滾珠絲杠在高速傳動(dòng)工況下表現(xiàn)出顯著的模型時(shí)變性。線性、非線性參數(shù)時(shí)變控制技術(shù)在傳動(dòng)系統(tǒng)控制中的應(yīng)用在近5年,特別是最近2年得到了較多重視。

針對低頻固有模態(tài)的測量與控制,相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量研究。早期的主要研究手段是在指令和反饋信號通道設(shè)置陷波器,濾除可能激發(fā)傳動(dòng)系統(tǒng)共振頻率的控制信號[11,15-18]。該方法雖然能夠防止控制系統(tǒng)本身激發(fā)滾珠絲杠的共振頻率,但無法抑制外部干擾激發(fā)的傳動(dòng)系統(tǒng)共振頻率。此外陷波器的設(shè)置將顯著改變系統(tǒng)的相位特征,限制系統(tǒng)閉環(huán)帶寬。隨后一些研究者提出了主動(dòng)阻尼與主動(dòng)振動(dòng)抑制控制方法。Erkorkm az等[11]和Kamalzadeh等[19]應(yīng)用滑模變結(jié)構(gòu)控制器,結(jié)合零極點(diǎn)配置技術(shù),設(shè)計(jì)了一種滾珠絲杠主動(dòng)振動(dòng)抑制控制器,該控制器可以抑制低階共振頻率,與PID加陷波器的控制結(jié)構(gòu)相比,顯著提高了傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和魯棒性能。一些研究證實(shí),應(yīng)用加速度計(jì)反饋配合前饋控制也是振動(dòng)抑制行之有效的手段[20]。

針對軸向、徑向模態(tài)引起的工作臺(tái)游走,重點(diǎn)在于如何有效估計(jì)滾珠絲杠軸向、徑向以及扭轉(zhuǎn)變形量,如何根據(jù)估計(jì)值規(guī)劃數(shù)控指令或設(shè)計(jì)有效的前饋控制算法[19,21-23]。針對模型參數(shù)的時(shí)變特性與不確定性,Sym ens等[24]研究了變增益控制方法,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。Zhou等[18]研究了自適應(yīng)陷波器在滾珠絲杠模態(tài)抑制中的應(yīng)用,使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造陷波器參數(shù)與工作臺(tái)位置之間的函數(shù)關(guān)系,并通過仿真證明其控制方法存在一定的優(yōu)越性。van Brussel等[5]將H∞控制應(yīng)用于滾珠絲杠傳動(dòng)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì),通過實(shí)驗(yàn)證明其具有優(yōu)良的魯棒性,但是單純應(yīng)用H∞控制時(shí),傳動(dòng)系統(tǒng)對外生干擾的抑制能力有限。自適應(yīng)滑模變結(jié)構(gòu)控制將自適應(yīng)擾動(dòng)觀測器與滑模變結(jié)構(gòu)控制結(jié)合在一起,由滑模變結(jié)構(gòu)控制保證伺服系統(tǒng)對模型不確定性的魯棒性,由自適應(yīng)擾動(dòng)觀測器估計(jì)外部擾動(dòng)并生成補(bǔ)償信號以抑制外部擾動(dòng),自適應(yīng)滑模變結(jié)構(gòu)控制被證明同時(shí)具有較好的魯棒性與優(yōu)良的外生干擾抑制性能,近幾年來得到了機(jī)床伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)＜业年P(guān)注[19,21,25]。

2 電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)

與滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)技術(shù)相比,電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)無機(jī)械傳動(dòng)鏈,可以從根本上避免傳動(dòng)鏈彈性變形引起的動(dòng)靜態(tài)誤差與振動(dòng)問題,越來越多地在高檔數(shù)控機(jī)床中得到應(yīng)用。電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)必須由力矩電機(jī)配合伺服控制系統(tǒng)共同實(shí)現(xiàn),伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平是決定該類傳動(dòng)系統(tǒng)整體性能的關(guān)鍵因素之一。伺服控制系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性以及魯棒性能一直是影響整體傳動(dòng)性能的重要指標(biāo)。圍繞直驅(qū)伺服系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)特性以及魯棒性的提高,近年來發(fā)展了多種伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

直驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)由力矩電機(jī)直接帶動(dòng)負(fù)載,對切削力、摩擦力等加工過程中的外生干擾力矩、加工過程中的工件質(zhì)量變化等因素十分敏感,必須為其設(shè)計(jì)魯棒性強(qiáng)的伺服控制[26-28]。高帶寬、高魯棒性、強(qiáng)干擾抑制能力是此類伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)難點(diǎn)。傳統(tǒng)PID加前饋的控制算法已經(jīng)不能滿足愈來愈高的性能指標(biāo)要求。近10年來,線性二次型最優(yōu)控制[29-30]、H∞控制[26,31-34]、擾動(dòng)觀測與前饋補(bǔ)償控制技術(shù)[35-37]、滑模變結(jié)構(gòu)控制[31,36,38-39]以及自適應(yīng)魯棒控制技術(shù)[40-42]在機(jī)床的直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到了普遍重視。以上研究表明,應(yīng)用自適應(yīng)魯棒控制、擾動(dòng)與模型不確定性觀測及其前饋補(bǔ)償技術(shù)、滑模變結(jié)構(gòu)控制技術(shù),可以獲得動(dòng)態(tài)性能好、魯棒性強(qiáng)的控制器設(shè)計(jì)。而H∞控制性能取決于加權(quán)函數(shù)的設(shè)計(jì),同時(shí)H∞控制基于對象的線性假設(shè),將非線性因素看作系統(tǒng)不確定性進(jìn)行處理,單獨(dú)使用 H∞控制固然可以獲得魯棒性能優(yōu)良的控制器設(shè)計(jì),但其性能指標(biāo)過于保守,難以獲得滿意的控制效果。綜合以上控制技術(shù)各自優(yōu)勢,開展混合型控制方法的研究是目前主要的技術(shù)發(fā)展趨勢。

3 宏微結(jié)合驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)新技術(shù)

粗精兩級驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)技術(shù)在過去的20年里得到了普遍重視。傳統(tǒng)的電、液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及機(jī)械傳動(dòng)裝置受到制造精度、傳動(dòng)間隙、非線性摩擦以及機(jī)械結(jié)構(gòu)共振頻率等因素的限制,定位精度與動(dòng)態(tài)性能均有限。壓電陶瓷、音圈電機(jī)等微制動(dòng)器與柔順機(jī)構(gòu)相結(jié)合,可以得到無摩擦、高頻響的小行程精密定位機(jī)構(gòu)。結(jié)合兩者優(yōu)勢的粗精兩級宏微結(jié)合的傳動(dòng)技術(shù)被公認(rèn)為是較好的大行程、高精度、高頻響精密傳動(dòng)技術(shù)解決方案,如宏微機(jī)器人操作手[43-48]、粗精兩級 XY坐標(biāo)工作臺(tái)[49-52]等。海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備[53-57]也利用該原理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)讀寫裝置,利用MEMS技術(shù)制造的精級驅(qū)動(dòng)器可實(shí)現(xiàn)高速尋址與跟蹤。

控制單元作為粗精兩級驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)的核心,起著對傳動(dòng)、驅(qū)動(dòng)部件進(jìn)行精度控制和能量分配的作用。從近年來該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢看,粗精兩級定位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)大體可分為兩類:多輸入多輸出(MIMO)設(shè)計(jì)技術(shù)和單輸入單輸出(SISO)設(shè)計(jì)技術(shù)。粗精定位工作臺(tái)動(dòng)力學(xué)模型是典型的多輸入多輸出系統(tǒng),因此M IMO設(shè)計(jì)方法,如LQG/LTR設(shè)計(jì)[57]以及奇異值分析與綜合技術(shù)[54]被證明是行之有效的解耦控制方法。此外,一些情況下,由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的配置和控制目標(biāo)不同,粗精兩級工作臺(tái)間的相互作用可以忽略不計(jì),這種情況下,SISO設(shè)計(jì)也能達(dá)到一定的控制效果。系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系還決定于系統(tǒng)的硬件配置,如一些應(yīng)用中,末端位移與粗精兩級臺(tái)體間的相對位移均可得到,這種情況下可設(shè)計(jì)類似文獻(xiàn)[55]中的單輸入雙輸出的解耦控制器。除了動(dòng)力學(xué)方面的考慮之外,精級傳動(dòng)裝置通常行程有限,精級傳動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)飽和是引起系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能惡化的重要因素。文獻(xiàn)[58]針對這一問題提出了零運(yùn)動(dòng)解耦控制策略,并通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)該控制策略可以有效保證精級傳動(dòng)裝置始終工作于有效工作區(qū)。該文獻(xiàn)同時(shí)提出了粗精兩級定位時(shí)間最優(yōu)軌跡控制策略,在閉環(huán)控制器最優(yōu)的假設(shè)下進(jìn)一步提高定位跟蹤過程的快速響應(yīng)能力。綜上所述,總結(jié)現(xiàn)有技術(shù)特征,粗精兩級驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)裝置的控制技術(shù)包含以下技術(shù)要點(diǎn):

(1)粗級驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)裝置用于跟蹤期望的運(yùn)動(dòng)軌跡,精級驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)裝置用于校正因粗級驅(qū)動(dòng)器帶寬限制造成的高頻跟蹤誤差;

(2)依據(jù)頻域回路成型分析技術(shù)原理,粗級控制器在低頻帶必須具備高增益,以響應(yīng)控制指令輸入,精級控制器在高頻段應(yīng)具有足夠高的增益,以補(bǔ)償高頻擾動(dòng)引入的定位誤差;

(3)粗精兩級控制指令的生成需滿足運(yùn)動(dòng)解耦條件,避免精級傳動(dòng)機(jī)構(gòu)行程飽和;

(4)完成閉環(huán)控制器設(shè)計(jì)后,依據(jù)粗精兩級驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)閉環(huán)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行軌跡規(guī)劃設(shè)計(jì),優(yōu)化動(dòng)態(tài)跟蹤性能。

隨著微電子、光電子、生物醫(yī)學(xué)、航空航天、先進(jìn)制造、微/納制造等工程技術(shù)的快速發(fā)展,追求高傳動(dòng)精度和高動(dòng)態(tài)性能是未來新型傳動(dòng)方式探索的主要目標(biāo)。未來5～10年內(nèi),精密傳動(dòng)技術(shù)研究面臨的需求是設(shè)計(jì)和制造柔性/柔順串并聯(lián)、宏微結(jié)合的多自由度有源傳動(dòng)系統(tǒng)。該新型宏微結(jié)合驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)方式的動(dòng)力學(xué)行為描述及其成因亟待深入研究,相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)、力和能量的解耦控制策略研究也有待解決。此外可以預(yù)見,粗級控制器需要具備優(yōu)良的智能性與魯棒性,以適應(yīng)柔性傳動(dòng)引入的非線性動(dòng)力學(xué)問題,提高各類外部擾動(dòng)以及模型不確定性的抑制能力,降低精級傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的行程要求與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性;同時(shí),由于精級多自由度柔順傳動(dòng)機(jī)構(gòu)支撐剛度和傳動(dòng)柔度的限制,在高動(dòng)態(tài)性能傳動(dòng)指標(biāo)要求下,在精級控制器不可避免地面臨機(jī)械振動(dòng)問題,因而魯棒模態(tài)鎮(zhèn)定控制技術(shù)的研究具有重要意義。

4 智能刀具伺服技術(shù)

先進(jìn)的金剛石切削技術(shù)使得亞微米級精度的類鏡面表面車削成為可能。傳統(tǒng)金剛石車削技術(shù)主要得益于高速主軸以及液體靜壓導(dǎo)軌的應(yīng)用。為了進(jìn)一步提高制造精度,國外學(xué)者提出了智能伺服刀具技術(shù)[59-60]。智能伺服刀具與相應(yīng)的輔助控制算法相結(jié)合,具有高分辨率、高伺服剛度和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)的顯著技術(shù)特征。將智能伺服刀具應(yīng)用于金剛石切削機(jī)床,可進(jìn)行非軸對稱自由曲面車削,智能伺服刀具也可應(yīng)用于大型立軸非球面鏡金剛石車削機(jī)床[61-63]。

典型智能伺服刀具的結(jié)構(gòu)如圖1所示?，F(xiàn)階段可以用于智能伺服刀具的制動(dòng)器主要有壓電陶瓷[60,62-64]、音圈電機(jī)[65]、正交磁場電磁制動(dòng)器[66-67],支承軸系多采用無摩擦、高頻響的柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)或分布柔順機(jī)構(gòu)。MIT大學(xué)Lu等[66-67]設(shè)計(jì)了正交磁場電磁制動(dòng)器和多DSP多速率超高速伺服系統(tǒng),并將其應(yīng)用于金剛石車削智能刀具設(shè)計(jì),達(dá)到了23kH z頻響和亞微米的動(dòng)態(tài)定位精度,如圖2所示。圖3所示為瑞士ACTICUT公司的數(shù)控加工用智能刀具產(chǎn)品[68],其內(nèi)部由機(jī)構(gòu)、傳感器和驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成,可用于精密數(shù)控車削,可以使生產(chǎn)率提高25%,表面質(zhì)量提高75%,刀具夾具費(fèi)用降低10%,切削過程噪聲減小90%。

智能刀具可用于超精密零件表面微觀輪廓加工和加工過程的顫振抑制。新型高速高剛度制動(dòng)器、柔順支撐機(jī)構(gòu)、超高速多DSP多速率伺服控制器設(shè)計(jì)、高速主軸溫度補(bǔ)償技術(shù)、高速主軸轉(zhuǎn)角位置標(biāo)定技術(shù)、刀具伺服與高速主軸角位置協(xié)調(diào)控制與軌跡規(guī)劃技術(shù)是智能伺服刀具的技術(shù)核心。新型高剛度磁致伸縮制動(dòng)器、電致伸縮制動(dòng)器的研究為該技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展注入了新的活力。

圖1 智能伺服刀具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

圖2 M IT設(shè)計(jì)的金剛石車削智能刀具及其驅(qū)動(dòng)器

圖3 瑞士ACTUCUT公司的智能刀具

5 展望

隨著力學(xué)、材料、機(jī)械學(xué)科的不斷發(fā)展,以及傳感器、驅(qū)動(dòng)、控制技術(shù)的不斷革新,高性能傳動(dòng)部件越來越多地體現(xiàn)出機(jī)電一體化的特征。在未來的幾年中,開展機(jī)床傳動(dòng)部件動(dòng)力學(xué)特性和現(xiàn)代控制方法研究,進(jìn)一步提高傳動(dòng)的精度和動(dòng)態(tài)性能,設(shè)計(jì)智能、可靠、經(jīng)濟(jì)的高性能傳動(dòng)部件,將成為該領(lǐng)域基礎(chǔ)和應(yīng)用研究的主要內(nèi)容。

可重構(gòu)性作為機(jī)床柔性化設(shè)計(jì)需求的重要內(nèi)容,要求機(jī)床各個(gè)部件具備即插即用的功能特性。這就需要機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)、功率傳動(dòng)部件以及信息控制部件實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。為了適應(yīng)這一要求,傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)必須符合機(jī)床整體設(shè)計(jì)的要求,向其他各功能部件提供標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)械、電子以及軟件接口。

從機(jī)電結(jié)合的觀點(diǎn)來看,在未來的發(fā)展中,工業(yè)機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床之間的界限將會(huì)逐漸模糊。機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新,尤其是配套控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新是一項(xiàng)重要研究內(nèi)容。并聯(lián)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在大型加工中心中的應(yīng)用將會(huì)繼續(xù)得到重視,而智能傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、柔順傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在機(jī)床工作臺(tái)、主軸傳動(dòng)、刀具伺服以及高精度測量系統(tǒng)中的應(yīng)用將會(huì)得到更多的關(guān)注。

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Current Status of Control Research on NCMachine Transmission Components

Fan Dapeng Fan Shixun Lu Yafei Zhang Lianchao
University of Defense Technology,Changsha,410073

Numerical control work tables and tool servos are the key transm ission components of advanced NCmachines.Current status of research on themodeling and controlof NCwork tablesand tool servosw ere reviewed herein,w hich included dynamic behavior analysismethod and control design method of ball-screw driven servomechanism,advanced controller design techniques for directdrive,novel techniques in coarse/fine dual stage d rive and transmission design and intelligent tool servos design.For each field,the development history w as reviewed,main contributions were surveyed,basic design princip leswere summarized,and the p rob lems w hich required further investigation w ere discussed,respectively.

numerical contro l(NC)machine;p recision;transmission control;current status

TG659

1004—132X(2011)11—1378—08

2011—01—13

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50875257)

(編輯 蘇衛(wèi)國)

范大鵬(通訊作者),男,1964年生。國防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)閿?shù)控技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)以及精密光電跟蹤平臺(tái)測控技術(shù)。范世珣,男,1982年生。國防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院博士研究生。魯亞飛,男,1985年生。國防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院碩士研究生。張連超,男,1979年生。國防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院講師。