双丝杠进给系统同步误差影响因素及其控制方法研究

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工作台进给系统是数控机床的关键部件,其控制精度直接影响数控机床的工作性能。传统的工作台大多采用单电机驱动单滚珠丝杠的方式,但这种结构在重载和高速的情况下工作台容易产生扭转趋势,影响运动精度。采用双电机驱动双滚珠丝杠共同带动一个工作台的驱动方式虽然可以获得较大的负载能力,但两根丝杠之间存在同步误差,影响工作台的同步精度,因此对双丝杠进给系统影响同步误差的因素和同步控制方法开展研究具有重要的意义。本文以双丝杠进给系统为研究对象,建立了双丝杠进给系统的机电耦合模型,分析了进给系统同步误差的影响因素,设计了不同的控制算法,对比分析研究了不同的同步控制算法对系统同步跟踪误差的影响,最后进行了同步控制策略的实验验证。本文所做的主要研究工作如下:(1)对双丝杠进给系统的控制部分和机械部分分别进行了分析,建立了双丝杠进给系统机电耦合模型;设计并分析了双丝杠进给系统的三环参数,使用MATLAB/Simulink对该机电耦合模型进行了仿真,为后续同步误差的影响因素分析和同步控制策略的设计提供了基础。(2)在双丝杠进给系统机电耦合模型基础上,运用MATLAB/Simulink软件对模型进行了仿真,分析了内部因素(丝杠轴向刚度、阻尼和导程)和外部因素(进给速度、负载位置和摩擦力)对同步误差的影响。(3)基于模糊控制与滑模控制理论,设计了单轴模糊滑模控制器,提高了单轴跟踪精度以及响应速度;同时设计了模糊自适应PID交叉耦合控制算法进行两根丝杠之间的协调控制,以提高其同步性能;并与传统PID控制算法进行了对比仿真,结果表明:本文-设计的控制方法具有较好的跟踪精度和同步性能。(4)设计并搭建了双丝杠进给系统同步控制系统实验平台,首先在该实验平台上完成了双丝杠进给系统跟踪误差实验,验证了本文所设计控制策略的有效性和可行性;其次采用激光干涉仪完成了双丝杠进给系统单轴定位精度检测实验,结果表明:单轴模糊滑模控制比单轴PID控制具有更好的跟踪精度和定位精度;模糊自适应PID交叉耦合控制能够减小两轴间的同步误差。
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