裂隙围岩隧道爆破开挖断面轮廓控制研究与应用

为解决裂隙围岩隧道爆破掘进施工过程中断面轮廓控制不足、超欠挖严重的问题,以某隧道为例,通过分析掌子面爆破开挖过程中导致轮廓控制不足的主要因素,对炮孔装药结构、装药密度和光爆层厚度等进行了优化。现场爆破效果表明:采用优化后的爆破参数进行开挖,可有效控制爆破开挖断面轮廓,抑制拱顶岩体大面积离层,避免掌子面底部“根底”现象;隧道平均线性超挖量大幅降低80%,平均炮孔利用率提高至93.2%,有效降低了裂隙围岩隧道爆破开挖对围岩的损伤,改善了爆破效果。

基于参考调整轮廓误差的直驱XY运动平台自适应非线性滑模轮廓控制

针对精密直驱XY运动平台在执行加工任务时,易受到系统不确定性动力学及双轴协调匹配性的影响而产生轮廓误差的问题,提出一种基于参考调整轮廓误差(RACE)模型和不确定性补偿器(UC)的自适应非线性滑模轮廓控制(ANSMCC)方法。由于传统的将跟踪误差法向分量视作近似轮廓误差的方法并不适用于大曲率轮廓加工轨迹,因此,建立参考调整坐标系,通过坐标变换的方式计算得出更为精准的RACE模型。采用ANSMCC方法对轮廓误差进行控制,通过设计非线性滑模面可以有效提高系统的动态响应速度和轮廓跟踪精度。为进一步减小参考模型与实际对象之间的误差,设计UC对不确定性动力学进行补偿,从而提高系统的鲁棒性。实验结果表明,该方法能够有效克服直驱XY平台系统中不确定性动力学的影响,提高轮廓加工精度。

软岩隧道围岩爆破轮廓控制技术研究

为了解决隧道在穿越软岩时,隧道围岩爆破轮廓难以有效控制的问题,提出了在优化光面爆破过程中,利用设置缓冲炮眼参数的方法,对隧道围岩爆破轮廓进行控制。结合中(国)老(挝)铁路玉溪至磨憨段隧道施工爆破资料,建立了三维模型。采用ANSYS/LS-DYNA软件,对软岩隧道缓冲爆破过程进行数值模拟,分别得出了隧道裂纹扩展云图、有效应力曲线图和振动时间曲线图,对比得到了效果最优的缓冲眼参数。将数值模拟参数组合应用于隧道施工过程中,能够很好地评价围岩爆破轮廓控制效果。研究结果表明:①缓冲眼装药量为辅助眼装药量的60%~80%时,裂纹扩展模拟效果达到最优;②缓冲眼装药量为辅助眼装药量的60%时,在X轴方向振动速度最小,在Y轴方向振动速度变化不大;③在模拟取值范围内,有效应力与装药量呈正相关关系。当装药量为辅助眼的60%时,超挖量可以控制在10 cm以内,围岩起伏度小于5cm。

超精密机床模糊轮廓控制技术研究

为解决轮廓控制系统的非线性和时变性所引起的控制系统控制精确度低、鲁棒性差的问题,在建立了基于光学通用方程的非球光学曲面轮廓误差模型的基础上,提出了模糊耦合轮廓误差补偿控制策略.仿真和圆弧轮廓跟踪试验结果表明,这种结构的模糊轮廓控制器可以有效地提高轮廓控制器的鲁棒性,并能大幅度提高轮廓控制精确度.

基于切向-轮廓控制与位置补偿的凸轮轮廓控制

为解决凸轮磨削系统的轮廓控制问题,在分析轮廓误差的基础上,提出了一种位置跟踪补偿算法与切向-轮廓控制相结合的控制策略。在两运动轴间引入切向-轮廓控制,将轮廓误差坐标变换于切向-轮廓坐标系中。对此变换后得到的两个误差分量,单独设计其对应的控制器。为弥补切向-轮廓控制带来的不足,在位置环外增加补偿器,通过额外补偿跟踪误差,以保证系统性能,同时提高了系统各轴对输入信号的跟踪能力。所提控制策略在Simulink仿真平台上的实验结果表明,该策略减小了系统的跟踪误差和轮廓误差,具有良好的跟踪性能与轮廓性能。

基于全局任务坐标系的二轴电液系统轮廓控制

将基于正交全局任务坐标系(GTCF)的非线性自适应鲁棒控制(ARC)方法扩展应用于二轴电液系统的轮廓运动控制,以解决精确轮廓控制的难题.构造二轴电液系统在笛卡尔坐标系下的非线性动力学模型,并将该模型坐标变换于正交全局任务坐标系中.针对此变换后得到的强耦合非线性动力学模型及其中存在的参数不确定性、不确定非线性和建模误差,利用非线性自适应鲁棒控制方法综合二轴电液系统的轮廓运动控制器.该控制器可以灵活地调整轮廓控制刚度与跟踪控制刚度,可在保证系统稳定的前提下尽可能地提高轮廓控制的性能.将所提控制方法与基于交叉耦合的自适应鲁棒轮廓运动控制方法进行对比实验,结果表明,所提方法即使在单轴跟踪误差较大的情况下仍然实现了更为精确的轮廓控制,在实验条件下轮廓误差的均方根值在15μm以内,表现出良好的轮廓控制性能与协调性.

基于等效误差法的直线电机XY平台轮廓控制

对于直线电机驱动XY平台,非线性的系统动态、曲线轨迹的轮廓误差模型相对复杂以及传统控制无系统化参数调整规则等问题影响其轮廓加工精度。采用适用于多轴非线性运动系统轮廓控制的等效误差法,建立可用于一般曲线且容易计算的XY平台等效误差非线性模型,使轮廓控制问题转换为稳定化的问题。对非线性误差动态模型进行反馈线性化处理后设计状态反馈控制器,使轮廓误差趋近于零。理论推导与仿真结果表明所设计控制系统能有效提高XY平台的轮廓加工精度。

铝合金轮毂曲面CNC机械抛光轮廓控制方法研究

研发了新型圆柱坐标式五坐标联动轮毂曲面CNC机械抛光专用机床,该机床能实现三个气动或电动抛光轮同步抛光轮毂表面。机床采用双层立式的主体机械结构。抛光轮运动轨迹数据源于轮毂CAD/CAM模型。机床控制系统采用抛光轮位姿和抛光力混合控制策略。实验结果表明,轮毂CNC机械抛光后表面粗糙度与手工抛光的表面粗糙度相当,但抛光效率高10倍以上。

基于工作坐标系的最优轮廓控制及其仿真

在多轴轮廓运动中,轮廓误差是比跟踪误差更为重要的性能指标,但在实际应用中轮廓误差是难以计算与使用的。通过在期望轨迹上建立Frenet坐标系作为工作坐标系,轮廓误差可以用位置跟踪误差在工作坐标系中的法向分量来近似。然后将系统动力学方程由全局坐标系变换到工作坐标系,在工作坐标系下采用最优线性二次型(LQR)方法来设计最优轮廓控制器,通过提高法向误差分量的权值来改善轮廓精度。在XY平台模型上进行的系统仿真实验表明,与基于全局坐标系的计算力矩控制相比,该方法有效地提高了轮廓精度,具有明显的优越性。

基于摩擦观测器的直接驱动XY平台轮廓控制器设计

针对高精度直线电机驱动XY平台轮廓控制系统,将摩擦补偿与轮廓控制相结合,提高系统轮廓精度。设计基于LuGre模型的状态观测器及摩擦估计器以消除摩擦非线性对系统的影响,采用适于一般自由曲线轮廓控制的实时轮廓误差法建立系统轮廓误差模型与切向误差模型,结合观测状态,设计基于摩擦补偿的轮廓控制器。理论的分析和仿真结果表明,所设计控制系统能够提高XY平台的轮廓精度。

基于极坐标法的直线电机XY平台轮廓控制

对于直线电机驱动XY平台,非线性的系统动态、曲线轨迹的轮廓误差模型相对复杂以及传统控制无系统化参数调整规则等问题影响其轮廓加工精度。采用适用于非线性运动系统轮廓控制的极坐标法,建立可用于一般曲线且容易计算的直线电机XY平台极坐标误差非线性模型,使轮廓控制问题转换为稳定化的问题。对非线性误差动态模型进行反馈线性化处理后设计状态反馈控制器,使轮廓误差趋近于零。理论推导与仿真结果表明所设计控制系统能有效提高直线电机XY平台的轮廓加工精度。

基于交叉耦合结构的轮廓控制器设计

针对工业控制中常出现的双轴伺服系统轮廓控制问题,在分析典型曲线轨迹轮廓误差的基础上,设计了一种具有位置闭环反馈和轴间协调控制器的交叉耦合控制(CCC)结构。通过CCC结构进行轮廓误差估计,利用轮廓误差分配系数把估计值补偿到各伺服轴上以实现精确轮廓控制,并给出了基于轮廓误差传递函数的稳定性分析。在X-Y双轴平台上进行实验,结果表明:与传统非耦合情况相比,交叉耦合控制结构下的轮廓误差在平均值,最大值和均方根值减小了63.01%,56.28%和62.07%。

半闭环三轴机床静态解耦轮廓控制及螺距误差补偿

为提高半闭环三轴机床加工精度,首先提出单伺服轴的螺距误差补偿方法;在建立半闭环三轴机床解耦轮廓系统模型基础上,研究了静态解耦轮廓控制器的设计,并在所提出的静态解耦轮廓控制系统上实现了螺距误差补偿。实验结果表明,算法有效地实现了轮廓的切线、法线和副法线方向的解耦跟踪控制。加入螺距补偿后,机床加工半球的最大圆度误差由55μm缩小到12μm。

振镜矢量扫描的自适应轮廓控制

分析了振镜矢量扫描系统的拐角轮廓误差,采用扫描矢量间进行自适应延时的方法来保证轮廓精度和扫描效率。研究了拐角误差与延时量、扫描速度、矢量间的夹角、系统动态参数之间的关系,给出了延时量的计算方法。实验验证了算法的正确性。

大断面隧道轮廓控制爆破技术研究与应用

预留光面爆破层全断面一次爆破技术和导爆索三角形搭接起爆周边孔技术是控制大断面隧道轮廓成形效果的有效手段。介绍并对比研究了这2种爆破模式,给出相应的工程应用条件;分析了预留光面爆破层全断面一次爆破技术优势,给出预留光爆层爆破参数计算公式;分析了导爆索三角形搭接传爆机制,对传爆时间进行理论计算,结果显示该搭接方式可以在5ms内将起爆信号传至整个爆破网路、相邻炮孔最大起爆时差小于1ms。以东天山隧道工程为背景,对2种爆破模式进行现场试验,结果表明2种模式均可有效控制开挖断面轮廓,提高炮孔痕迹率,降低超挖量。2种模式的适用条件分别为:Ⅳ级围岩较好情况下及Ⅲ级围岩以上可应用预留光面爆破层全断面一次爆破技术,Ⅳ级围岩较差情况下乃至Ⅴ级围岩可应用导爆索三角形搭接起爆周边孔技术。

基于NURBS插补与等效误差法的直接驱动XY平台轮廓控制

为满足复杂型面零件的高速高精加工要求,采用造型功能强大的NURBS曲线插补的方法作为指定加工曲线的路径给定。对于由两台直线电机驱动的XY平台,系统的非线性、不确定因素以及曲线轨迹的轮廓误差模型相对复杂等问题影响其轮廓加工精度。采用适用于多轴非线性运动系统轮廓控制的等效误差法,建立可用于自由曲线跟踪且容易计算的XY平台等效误差非线性模型。为使采用等效误差法设计的控制器与NURBS插补路径给定兼容,采用Sylvester隐式化方法将NURBS曲线的参数形式转换为代数形式,从而将两者恰当的进行结合。综合使用两种方法设计二阶滑模控制器,在满足自由曲线加工的同时亦削弱了非线性因素的影响,使直线电机XY平台达到高精加工的要求。仿真结果表明,所设计的控制器能有效地提高XY平台的轮廓加工精度。

基于模型预测轮廓控制的自动驾驶车辆路径跟踪控制

为了实现无人驾驶汽车的路径跟踪和避障功能,基于模型预测轮廓控制提出一种路径跟踪控制策略。首先将二自由度单轨车辆模型和Pacejka轮胎模型结合在一起搭建整车模型,遵循模型预测的思路将路径规划和跟踪问题结合为一个非线性优化问题,利用线性化得到线性时变模型,在每个采样时间内以凸二次规划的形式建立非线性优化问题的局部逼近。其次,为了使车辆在跟踪路径的时候维持稳定,结合车辆稳定包络线,施加横向稳定性约束,并通过施加车道线边界约束,实现自动驾驶车辆的避障功能。最后将Matlab/Simulink和Carsim结合进行联合仿真。仿真结果表明,所设计的控制器在较宽路面能自主规划出一条最短路径,实现了跟踪和避障功能,同时维持了车辆在行驶中的稳定性和安全性,在赛道竞速下具有较明显的优势。研究结果可为结构化道路下的汽车自动驾驶提供技术参考,具有一定的应用价值。

多轴伺服系统的非线性PID交叉耦合轮廓控制

针对多轴伺服系统动态特性不匹配及轴间耦合带来的轮廓控制问题,在分析系统轮廓误差的基础上,将非线性PID控制器(NLPID)应用于单轴位置控制和交叉耦合控制(CCC)。对于任意轮廓曲线,非线性PID交叉耦合轮廓控制(NLPID-CCC)在加快伺服轴动态响应提高单轴跟踪精度的同时,实时估计轮廓误差后进行动态增益补偿至各轴,实现轴间信息共享减小系统轮廓误差。利用X-Y平台以典型的圆轮廓进行实验,结果表明:与变增益CCC方法相比,NLPID-CCC方法在轮廓误差的均方根值、最大值和平均值分别减少了30.77%、32.65%和30.43%,有效加快了伺服轴动态响应,提高了系统的轮廓加工精度。

基于H_∞反馈的直接驱动XY平台切向轮廓控制设计

为了提高XY平台的轮廓加工精度,在分析系统轮廓误差的基础上,提出将H∞速度反馈控制器和切向-轮廓控制器(TCC)相结合的控制策略。在速度环内采用H∞鲁棒控制理论设计反馈控制器,在具有模型摄动及外部干扰的情况下,保证了闭环系统的鲁棒稳定性和鲁棒性能,TCC使得XY平台之间的耦合作用消除,且轮廓控制器设计变得更加直接和简单。单轴系统采用IP(积分-比例)控制与速度前馈控制相结合的复合控制器。仿真结果表明所设计控制系统在保证具有较好的跟踪性能、鲁棒性能的同时轮廓精度大大提高。

基于Cs轮廓控制功能的曲轴类工件数控车削加工

以圆形截面曲轴为例,分析了曲轴类工件的加工特点和加工|方法。基于Cs轮廓控制功能,对曲轴类工件的数控车削加工进行了介绍。粗加工采用多轴铣削加工,精加工采用具有Cs轮廓控制功能的数控车削加工,可以显著提高曲轴类工件的加工效率和加工精度。分析了曲轴偏心比和加工过程中刀具工作参数的变化规律,确认Cs轮廓控制功能适用于小偏心比曲轴类工件的数控车削加工。同时给出了Unigraphics软件的后处理方法和圆形截面曲轴的加工编程实例。