機床商務網技術文章
龍門加工中心雙驅系統(tǒng)的同步控制
閱讀：948 發(fā)布時間：2020-8-12伯特利數(shù)控 加工中心 鉆攻中心
前言：
在長行程、高精度、超重型龍門數(shù)控加工中心的各種結構形式中，雙電動機驅動方式得到了越來越多的應用。這種結構的優(yōu)點在于可以使加工中心獲得較高的結構剛性和較好的動態(tài)性能。但是由于龍門加工中心滑枕和刀架的移動會使龍門機構形成非對稱結構和非對稱負載，會導致兩軸動態(tài)特性有差異，從而使雙驅動系統(tǒng)產生同步誤差，影響加工精度，嚴重時甚至會使兩軸互相拉扯，破壞加工中心。如果能夠從剛度、阻尼以及質量等影響機械系統(tǒng)動態(tài)特性的基本因素出發(fā)，建立精確的雙軸同步系統(tǒng)模型，找到影響同步精度的主要因素，對于雙軸同步驅動控制系統(tǒng)的設計以及雙軸同步誤差補償算法的研究，都具有非常重要的意義。
龍門式雙驅動結構同步控制的研究越來越受到國內外學者們的重視。Ivdn等[1]針對雙驅龍門式工業(yè)機器人，提出了基于模型解耦的同步與反饋控制實現(xiàn)了模型的解耦控制；程瑤等[2]從質量、阻尼和剛度等基本因素出發(fā)，分析了動梁式龍門加工中心同步系統(tǒng)的不同步誤差的影響因素，得到了這些因素對同步性能的影響規(guī)律；何*[31以雙滾珠絲杠同步驅動為研究對象，利用有限元結合集中參數(shù)的方法，由拉格朗日方程推導出雙滾珠絲杠同步驅動軸的動力學模型，為同步控制提供了參考模型；Lin等[4]針對龍門式雙驅定位平臺，提出了基于三自由度動態(tài)模型的非奇異終端滑模智能控制方法，該方法綜合使用模糊邏輯理論和遞歸神經網絡方法以及非奇異滑模變結構控制，解決了雙驅系統(tǒng)非線性和參數(shù)不確定性的控制問題；陸世榮等[5]提出了雙伺服電機同步運行的控制策略，該控制方法基于線性二次型調節(jié)器的性能指標設計了控制器，并采用轉矩擾動觀測器進行前饋補償以克服突加負載對系統(tǒng)的影響，實現(xiàn)了系統(tǒng)良好的同步性能和抗干擾性。以上學者都只注重雙驅動同步控制算法的研究，對雙驅動系統(tǒng)模型尤其是雙軸耦合模型沒有作詳細分析，沒有考慮負載的移動以及強干擾力對同步精度的影響。
本文以ZK5540A龍門數(shù)控銑床為例，根據動梁式龍門數(shù)控加工中心的結構特點及運動特性，將龍門加工中心雙驅動系統(tǒng)的龍門機構的運動分為平移和旋轉兩部分，然后根據拉格朗日方程，建立雙軸機械耦合模型。按照設定點協(xié)調控制方法[6]建立雙驅動系統(tǒng)模型。為降低干擾對雙驅動系統(tǒng)同步性能的影響，設計干擾觀測器，對干擾進行補償，提咼系統(tǒng)的抗干擾性。后，通過仿真驗證了本文所提出的同步控制方法的可行性。
龍門數(shù)控加工中心雙驅動系統(tǒng)（圖1)由電氣伺服系統(tǒng)和機械伺服系統(tǒng)組成。機械伺服系統(tǒng)包括龍門機構和傳動裝置，兩運動軸通過龍門機構實現(xiàn)耦合；電氣伺服系統(tǒng)包括驅動電機、反饋裝置和控制器。驅動系統(tǒng)采用H相永磁同步電機，具體模型參照文獻[7-8]，本文主要是對龍門加工中心雙軸耦合部分和傳動裝置進行建模。
龍門加工中心的機械描述
一個典型的龍門機構如圖2所示。雙驅動系統(tǒng)中兩個伺服電機通過傳動系統(tǒng)驅動受靜壓導軌約束的滑座1和滑座2,滑座通過螺栓連接帶動龍門立柱和橫梁，橫梁上面安裝可沿Y方向滑動的滑枕和刀架，刀架承受切削載荷。理想情況下兩軸位移X, = X2，但是由于滑枕和刀架的Y方向移動，會使龍門機構的重心偏離幾何中心，這樣就會造成兩伺服軸動態(tài)性能的差異，加上強切削力的干擾作用，使龍門機構傾斜產生同步誤差。