Integral sliding mode control for flexible ball screw drives with matched and mismatched uncertainties and disturbances

The design of servo controllers for flexible ball screw drives with matched and mismatched disturbances and uncertainties is focused to improve the tracking performance and bandwidth of ball screw drives.A two degrees of freedom mass model is established based on the axial vibration characteristics of the transport ball screw,and the controller of an adaptive integral sliding mode is proposed combining the optimal design of state feedback gain matrix K to restrain the vibration and the matched disturbances and uncertainties.Then for the counteraction of the mismatched disturbances and uncertainties,a nonlinear disturbance observer is also developed.The trajectory tracking performance experiments and bandwidth analysis were conducted on experimental setup with the proposed control method.It is proved that the adaptive integral sliding mode controller has a high tracking performance and bandwidth especially for the axial vibration characteristics model of ball screw drives.And the ball screw tracking accuracy also has a considerable improvement with the application of the proposed nonlinear disturbance observer.

滚珠丝杠式惯容器非线性建模与参数辨识

针对滚珠丝杠式惯容器存在的非线性力学特征,首先,分析了滚珠丝杠式惯容器的工作原理,对惯容器的主要部件进行了非线性力学分析,建立了考虑摩擦、间隙以及丝杠弹性力的惯容器非线性力学模型;然后,在数控液压伺服激振试验台上进行了惯容器的力学性能试验,得到了惯容器在不同惯容系数以及不同激振输入下的力学响应特性;最后,根据试验结果分析了摩擦和间隙对惯容器力学性能的影响,得到了便于参数辨识的惯容器力学模型结构,实现了惯容器输出力仿真与试验结果的分析和对比。结果显示,二者在一个周期内的均方根值误差不超过7%,非线性模型呈现出良好的拟合精度,证明了所述方法的可行性和有效性。

滚珠丝杠式惯容器试验及力学性能预测

在数控液压伺服激振试验台上进行滚珠丝杠式惯容器力学性能试验,获得惯容器在不同惯容系数及不同激振输入下力学响应,通过分析惯容器存在的非线性因素及试验结果,揭示非线性因素影响惯容器的实际性能。考虑建立惯容器自适应神经网络模型,进行惯容器力学性能预测。由于BP算法易陷入局部最优且泛化能力弱,用遗传算法优化BP网络训练过程。基于非线性因素对惯容器力学性能影响机理,选惯容系数及惯容器在多个瞬态时间点位移、速度及加速度为神经网络输入,惯容器输出力为网络输出,并将试验所得1020组数据用于网络训练及预测,网络预测结果与试验结果吻合良好,说明所用方法正确合理,可为惯容器力学性能预测提供参考。

机电作动器动力学建模与电流跳变现象分析

针对机电作动器在带载位置跟踪性能检测试验中响应曲线峰值点处出现的电流跳变现象,推导机电作动器空气舵负载、永磁同步电机和传动机构的动力学与运动学方程,建立其多非线性因素动力学模型。从电能、动能、摩擦损耗和弹性能间相互转换的角度,解释电流跳变现象,证明电流跳变现象是由传动机构摩擦力瞬间反向造成的。仿真与试验结果表明,在57 N·m^570 N·m负载力矩条件下,电流曲线拟合误差最大为13.06%,决定系数最小为0.87,所建模型提高了机电作动器仿真分析精度,复现了电流跳变现象,对机电作动器功率损耗分析及故障诊断的仿真预估具有重要意义。

非线性电涡流惯质阻尼器力学性能仿真与试验

为提高板式电涡流阻尼器(ECD)的耗能减振效率,融合旋转式电涡流阻尼技术与滚珠丝杠式两节点惯质单元,发展与研制了一种非线性电涡流惯质阻尼器(NEMD).首先阐明了NEMD的整体构造与工作原理,然后综合半理论半仿真分析、三维电磁场有限元仿真分析与样机力学性能测试,获得了NEMD的轴向出力特性,提出了旋转式电涡流阻尼计算分析方法,最后总结建立了NEMD的两阶段设计方法.结果表明:NEMD实现了阻尼器惯性质量与电涡流阻尼的双重增效,显著提升了ECD的耗能减振效率;随着NEMD轴向速度的增加,电涡流阻尼力表现出先上升后下降的非线性特征;综合半理论半仿真与三维电磁场有限元仿真的电涡流阻尼力预测方法可以满足NEMD设计要求.

精密滚珠丝杠副轴向振动激励因素的试验研究

由于精密滚珠丝杠副的轴向振动是影响定位精度和噪声的重要因素,对多根型号为4020×1200的滚珠丝杠进行了在不同速度下的轴向振动试验。试验结果表明,滚珠丝杠副的轴向振动由一个随转速而变化的周期性激励因素引起,为确定此激励源,分析了不同激励因素。分析结果表明,滚珠进入返向器时的冲击是滚珠丝杠副轴向振动的主要激励因素。

考虑非线性弹性力的滚珠丝杠系统分岔与混沌特性分析

应用弹性力学位移法及Galerkin法建立了数控机床进给系统滚珠丝杠的数学模型,指出非线性弹性力作用下的滚珠丝杠系统可以用有阻尼的Duffing方程来描述,并用林滋-庞加莱奇异摄动法求得系统的自由振动二次近似解析解.通过参数辨识仿真及试验研究对模型进行验证,发现在进给系统运动过程中,受轴向力、径向力、扭矩等多种载荷作用的影响,滚珠丝杠系统会发生非线性振动,出现分岔及混沌现象,系统刚度随工作台位置的不同而变化,呈现出非线性规律,使运行中的系统固有频率不稳定.根据工作台振动加速度时间序列和频谱图存在的混沌特征,断定进给系统是一个非线性动力学系统,可为数控机床的动态系统辨识提供依据.

基于RBF神经网络的丝杠热误差模型研究

数控机床的定位精度是反映机床性能的一项重要指标,由丝杠和螺母相对运动产生的热变形严重影响定位精度。结合丝杠热变形的非线性等特点,采用径向基函数神经网络方法建立丝杠热变形误差模型。同时在XHFA2420大型仿形定梁龙门加工中心,对模型进行了实验验证。

高速双螺母滚珠丝杠副轴向接触刚度研究

对双螺母预紧的滚珠丝杠副进行了接触受力分析,推导出接触变形的公式,建立了滚珠丝杠副的轴向刚度计算公式。研究分析了影响滚珠丝杠副轴向刚度的几个主要因素,包括预紧力、螺旋升角、接触角等,给出了这几个因素与滚珠丝杠副轴向刚度对应的关系曲线,为新型高速滚珠丝杠的合理设计提供了理论基础。

一种单喷管双摆电动伺服系统的设计与建模

针对新型战术导弹对摆动喷管伺服系统提出的小型化大功率要求,提出了一种基于电动伺服系统的单喷管双摆驱动装置。该装置使用2个相互垂直的直线式电动伺服机构共同推动喷管进行摆动,采用无刷直流电机和滚珠丝杠减速器的结构形式,实现了系统的高功率密度和高效率,可提供大输出力矩,并具有良好控制精度。通过对该系统进行运动分析与建模,研究了2个直线式电动伺服机构的运动非线性特性及相互间交连耦合干扰,分析了两者的成因、随摆角分布规律及其对喷管摆动角位置精度的影响,给出了任意摆角下的双通道指令计算方法,据此采用双通道协同工作的方式精确控制喷管摆动方向和摆动角度。

高性能电动舵机系统高保真建模方法研究

针对传统二阶环节模型对舵系统实际特性反映不足的缺陷提出一种全局耦合结构模块化的高保真建模方法。在对建模流程进行阐述的基础上,以"无刷直流电机/滚珠丝杠副/拨叉"类型电动舵机为对象进行高保真建模研究。分析了系统高保真模型组成结构,并对其中伺服电机、传动比、机械惯量和传动柔度等非线性因素的建模方法进行详细阐述。利用simulink进行仿真结果表明,建立的高保真模型对舵机输入输出特性和内部状态特性的表现能力与实际系统高度一致,有效保证了系统模型的真实度,对提高飞行器制导控制回路的仿真精度有重要作用。

具有丝杠热误差补偿功能的在线检测软件的开发

文章结合丝杠热变形的非线性等特点,采用径向基函数神经网络方法建立丝杠热变形误差模型。同时基于Windows平台开发了相应的补偿软件,该软件可以同时对机床几何误差与主轴、丝杠热误差进行补偿,有效地提高了在线检测精度。软件系统在MAKINO立式加工中心上进行了实验验证,补偿效果明显。

滚珠丝杠精密磨削表面加工质量及其试验研究

通过正交试验设计和单因素分析法对滚珠丝杠滚道磨削工艺开展了试验研究,分析了磨削时砂轮粒度、砂轮速度、丝杠速度以及磨削深度对滚珠丝杠表面质量影响的主次顺序,得出了各工艺参数对表面质量的影响规律,为丝杠和螺母磨削工艺参数的选择提供了依据。另外试验研究了滚道表面质量对滚珠丝杠副摩擦力矩和噪声性能的影响,明确了滚道表面粗糙度和摩擦力矩之间的关系。试验结果表明,提高丝杠滚道表面加工质量能够有效降低滚珠丝杠副摩擦力矩和噪声。

高速空心滚珠丝杠螺母副热特性的影响因素分析

滚珠丝杠作为机床伺服进给系统的重要元件,其热变形会降低伺服进给系统的定位精度,在机床高速化发展的过程中,滚珠丝杠热变形成为其发展的瓶颈,采用通有冷却介质的空心滚珠丝杠为解决这一问题提供了方法。空心滚珠丝杠定位精度受到以下因素影响:滚珠丝杠轴向载荷、转速、通入空心滚珠丝杠的冷却介质的种类、冷却介质流速以及空心滚珠丝杠内孔的大小,这些因素不仅影响空心滚珠丝杠的冷却效果,而且对空心滚珠丝杠的变形也有很大的影响。研究结果表明:轴向载荷和转速对温度影响较小;专业冷却油更适合用于滚珠丝杠的冷却,合理控制其温升和热变形;热变形和热-结构耦合的分析,给出了最佳内孔直径。为空心滚珠丝杠的设计及研究提供理论依据。

滚珠旋压非线性动力学有限元模拟

滚珠旋压是一种精密的薄壁管材加工方法。滚珠与模环和工件的接触形式决定了滚珠同时进行公转和自转运动。为了更加精确的分析滚珠旋压的力能参数,本文基于有限元软件Ansys建立了滚珠旋压工艺的非线性动力学分析模型,通过对滚珠摩擦状态的设定,使得模拟结果更加接近实际工况。通过对所计算的三向旋压力与实验数据的对比,验证了模型的可靠性;进而对不同工艺参数下的旋压力进行了计算,得出了旋压力随不同工艺参数的变化规律,为滚珠旋压的工艺与设备设计提供参考。

高速大行程滚珠丝杠副智能测控平台的伺服控制

为了研究滚珠丝杠副的动态特性如定位精度、重复定位精度、速度及加速度跟踪、动态摩擦力矩、负载扰动、预紧力、疲劳性能、温升和机械振动等对滚珠丝杠副精度保持性能的影响,针对五轴联动加工中心高速大行程滚珠丝杠副设计了一套伺服电机+滚珠丝杠副高速运转、直线电机模拟负载扰动、多通道信号采集的智能精密测控试验平台;建立了测控平台时变参数不确定性和外力扰动的优化动力学模型;提出了基于遗传算法的自适应非线性PID双位置反馈的控制算法和速度、加速度前馈误差补偿的控制策略。试验结果表明,该控制策略具备小的跟踪误差、较强的抗干扰能力和稳定性,满足测控平台的试验需求。

滚珠丝杠副传动效率的模型建立及试验研究

传动效率是衡量滚珠丝杠副的传动性能的重要指标,目前传动效率的研究对接触面的摩擦润滑情况缺少深入分析,试验研究较少且多是针对某型号样件。为了得到更符合实际情况的传动效率模型并对传动效率影响因素进行分析,基于载荷分布理论,分析考虑工艺误差的滚珠丝杠副承载运动情况,再结合弹流润滑理论得到滚珠丝杠副在不同工况下的摩擦系数变化规律,从而得到新的传动效率模型,再对传动效率影响因素进行计算和分析,最终设计试验验证传动效率模型并分析不同轴向负载、转速、预紧力、润滑粘度对传动效率的影响。试验结果表明新模型的计算值与试验值的相对误差最大为6.42%,验证了新模型的有效性与合理性。

横杆单端铰接的球杆系统设计及敏感因素分析

以球杆系统为研究对象,设计了一种横杆单端铰接的球杆系统。该系统通过旋转电位计设定小球在横杆上理想位置,通过高频近距离激光位移传感器检测小球的实际位置,由单片机内部的PID算法控制输入到滚珠丝杠电机驱动器的PWM输出频率,使滚珠丝杠电机正、反转,从而实现小球停在设定理想位置。在Matlab/Simulink中进行建模仿真对影响系统稳定性的不同敏感因素进行研究。结果表明小球初始位置、滑动摩擦对系统稳定性产生影响。

单螺母滚珠丝杠副轴向刚度的分析研究

滚珠丝杠螺母副的轴向刚度对数控机床进给系统的定位精度有着很大的影响。根据Hertz理论,推导了单螺母滚珠丝杠螺母副的轴向刚度计算公式,分析了其影响因素,并运用Matlab仿真软件进行了仿真,得出了其关系曲线。结果表明,增大滚珠丝杠轴向载荷、滚珠数目及螺旋升角,减小接触角和曲率比,都可以提高单螺母滚珠丝杠副的轴向刚度。

滚珠丝杠结构参数对系统非线性振动的影响

以机床进给系统为研究对象,运用拉格朗日方程建立其动力学模型。考虑到弹性力的非线性化因素,建立了含有阻尼的Duffing方程来描述进给系统。利用MATLAB/SIMULINK对系统进行动力学仿真,分析丝杠长度、导程以及直径等因素对系统相轨迹的影响。分析结果表明,随着丝杠结构参数的变化,相平面上两个稳定焦点分布于中心两侧,相轨迹呈螺旋线的形式趋于两焦点并发生相互交叉现象,最终在焦点附近达到稳定状态。最后实验验证表明,系统存在混沌特征,滚珠丝杠进给系统是一个非线性系统,为实际工程中的应用提供了理论依据。