A Two-stage Tuning Method of Servo Parameters for Feed Drives in Machine Tools

Based on the evaluation of dynamic performance for feed drives in machine tools, this paper presents a two-stage tuning method of servo parameters. In the first stage, the evaluation of dynamic performance, parameter tuning and optimization on a mechatronic integrated system simulation platform of feed drives are performed. As a result, a servo parameter combination is acquired. In the second stage, the servo parameter combination from the first stage is set and tuned further in a real machine tool whose dynamic performance is measured and evaluated using the cross grid encoder developed by Heidenhain GmbH. A case study shows that this method simplifies the test process effectively and results in a good dynamic performance in a real machine tool.

Research of novel oscillating wire feeding system using the AC servo motor

With the background of the control of additional mechanical force droplet transfer in MIG/MAG welding, regarding the AC servo motor as core, a novel oscillating wire feeding system has been developed with excellent performances of control and dynamic acceleration which is tested. System constitution and operation principle are introduced in this paper. Influences of parameters on dynamic acceleration performance are analyzed and discussed emphatically, such as oscillating frequency, oscillating amplitude and draw-back speed. Experimental result indicates that according to the technique of welding control, the novel wire feeding system responds rapidly to various kinds of control orders of wire feeding and draw-back, and realizes flexible control of welding wire axial movement, including dynamic shifting,oscillating and so on.

多频段共口径遥感信号接收天伺馈系统设计

针对多频段遥感信号接收系统对S/C/X/Ku/Ka五频段信号共口径接收、高精度指向和全空域过顶稳定跟踪需求,研制了一种多频段遥感信号接收天伺馈系统,解决了天线多频段共口径接收和波束窄、信号难捕获跟踪的技术难题。提出并采用“频率选择副面+旋转”换馈方式、高精度筋开槽微应力胶粘面板、时间最优的非线性多模自适应跟踪控制技术,实现了多频段信号高可靠共口径接收和高精度指向及稳定过顶跟踪。对塔测试结果表明,所设计的多频段共口径接收天伺馈系统具有优良的性能,天线增益、第一旁瓣电平、差波束零深、跟踪精度和指向精度等各项指标均满足指标要求;对星动态跟踪测试表明,Ka频段指向均方根误差优于0.0136°,Ka频段跟踪方位均方根误差优于0.0056°,俯仰均方根误差优于0.0045°。验证了所提天伺馈系统设计的有效性,可用于指导多频段大口径遥感接收天伺馈系统设计。

精密伺服串级进给冲压控制系统的设计与实现

为了提高冲压送料精度,提升冲压件的产品质量,针对当前卷料送料工艺的不足,设计了一种新型线材送料储料架结构,利用两级伺服协调匹配上料,并提出一种卷料储料串级进给速度控制方法。基于三菱PLC和上位机软件设计了一套精密伺服送料控制系统装置,根据精密伺服送料长度和冲压节拍,夹棍伺服控制储料架线材在高限周围波动,实现线材缓冲储料,该方法有效避免了线材在冲压送料时被拉伤的情况出现。可扩展的上位机设计方法,可同时监控多台送料系统,并自动生成报表,实现送料储料及冲压生产的在线管控。改进后的精密伺服自动送料系统的可扩展性和多样化程度更高,该系统装置已经在冲压相关企业中得到应用。

硅片磨床伺服进给系统仿真模型与分析

在硅片磨削时,硅片加工质量与硅片磨床的进给系统性能密切相关。为了提升硅片磨床进给系统的精度和稳定性,提出了采用上位机、运动控制卡、伺服驱动器、位置传感器进行闭环控制进给的技术方案。研究了伺服系统和机械系统两者之间的相互耦合关系,建立了动力学模型,搭建了基于PID控制的三闭环控制系统,采用MATLAB中Simulink模块对进给系统进行仿真分析。仿真结果表明,磨床进给系统速度波动量在1%以下满足硅片磨削对进给精度的要求。

丝杠进给系统运动控制研究

丝杠进给系统在运行过程中具有非线性、强耦合和参数时变等特点,由于传统PID控制器的参数固定,无法很好地适应系统变化,从而导致系统响应速度缓慢及跟踪性能较差。针对此类问题,将复杂的丝杠进给系统简化处理并建立二质量系统模型;对传统的模糊规则加以优化和改进,设计了一种模糊PI控制与加速度前馈补偿相结合的复合控制器。模糊PI控制器根据实际系统特性调整模糊规则,使得控制器参数自适应变化,提高控制效果;加速度前馈补偿控制器根据输入信号预先补偿系统,提升了系统带宽。在Simulink中搭建系统模型,在阶跃输入和干扰输入下对比观察2种控制器作用的系统响应曲线。经仿真验证,丝杠进给系统的动态特性、稳态特性和抗干扰能力都得到了明显地提升。

非圆截面及非对称型面高速精密车削关键技术研究

针对非圆截面及非对称型面的高速精密车削加工难题,提出一种基于快速刀具进给伺服系统的该类型面数控车削加工方法。通过分析非圆截面及非对称表面数控车削原理、快速刀具进给伺服机构及其控制方法,并通过车削实验验证了方法的有效性。首先,分析了非圆截面与非对称表面车削的原理、复杂几何形状工件的轮廓数据处理机制和方法,为高速精密车削提供准确的工件描述。其次,快速刀具进给伺服机构是实现高速精密车削的关键,分析了各种快速进给系统优缺点,提出了采用直线电机的快速刀具进给伺服机构,采用自抗扰控制算法控制快速刀具伺服系统。最后,通过试制的实验样机车削实验验证了基于自抗扰控制的快速刀具进给伺服机构及其数控车削系统的技术和方法的可行性。实验结果表明,该技术能够成功地实现非圆截面及非对称型面工件加工,并能够实现较高的尺寸精度和表面质量,满足复杂型面工件的加工需求。

基于三菱PLC的智能饲喂控制系统设计

我国经过几十年的发展,养殖规模世界第一。早期的人工小规模养殖生猪已经满足不了市场的需求,迫切需要转型,进行大规模、集约型养殖。要从制造大国到制造强国转变,就必须加快新一代信息技术、自动化与制造业深度融合。PLC(可编程控制器)在自动化设备中起着不可替代的作用,大大简化硬件设备。该文所完成的PLC智能饲喂控制系统,结合PLC、触摸屏、伺服电机、步进电机和变频器等,能完成饲料的自动投喂,大大减轻养殖户的工作量。

Novel AC Servo Rotating and Linear Composite Driving Device for Plastic Forming Equipment

The existing plastic forming equipment are mostly driven by traditional AC motors with long trans- mission chains, low efficiency, large size, low precision and poor dynamic response are the common disadvantages. In order to realize high performance forming processes, the driving device should be improved, especially for com- plicated processing motions. Based on electric servo direct drive technology, a novel AC servo rotating and linear composite driving device is proposed, which features implementing both spindle rotation and feed motion with- out transmission, so that compact structure and precise control can be achieved. Flux switching topology is employed in the rotating drive component for strong robustness, and fractional slot is employed in the linear direct drive component for large force capability. Then the mechanical structure for compositing rotation and linear motion is designed. A device prototype is manufactured, machining of each component and the whole assembly are presented respectively. Commercial servo amplifiers are utilized to construct the control system of the proposed device. To validate the effectiveness of the proposed composite driving device, experimental study on thedynamic test benches are conducted. The results indicate that the output torque can attain to 420 N-m and the dynamic tracking errors are less than about 0.3 rad in the rotating drive, the dynamic tracking errors are less than about 1.6 mm in the linear feed. The proposed research provides a method to construct high efficiency and accu- racy direct driving device in plastic forming equipment.

A Fast Tool Servo System for Fabrication of Micro-structured Surfaces on A Diamond Turning Machine

A fast tool servo (FTS) system is developed for the fabrication of non-rotationally symmetric micro-structured surfaces using single-point diamond turning machines.The constructed FTS employs a piezoelectric tube actuator (PZT) to actuate the diamond tool and a capacitive probe as the feedback sensor.To compensate the inherent nonlinear hysteresis behavior of the piezoelectric actuator,Proportional Integral (PI) feedback control is implemented.Besides,a feed-forward control based on a simple feed-forward predictor has been added to achieve better tracking performance.Experimental results indicate that error motions in the performance of the system caused by hysteresis can be reduced greatly and the micro-structured surface is successfully fabricated by implementing the FTS.

基于摩擦补偿的两轴直驱伺服进给系统自适应非线性滑模轮廓控制

为满足两轴直驱伺服进给系统的高精度加工要求,提出一种基于摩擦补偿的自适应非线性滑模轮廓控制(ANSMCC)方法,以兼顾加工精度和响应速度要求。建立适用于大曲率轮廓加工的等效轮廓误差模型,同时考虑系统中存在的不确定性动态的影响,建立准确且能实时补偿的改进LuGre非线性摩擦力动力学模型。为提升两轴直驱伺服进给系统轮廓性能,设计基于非线性滑模面的ANSMCC方法,其中非线性滑模面包含轮廓误差分量,通过改变非线性滑模面中增益矩阵值的大小可实时改变系统的阻尼比,从而协调轮廓误差与系统响应速度的关系。实验结果表明,所提方法可以克服系统运行过程中不确定性动态的影响,准确跟踪大曲率轮廓曲线,提高轮廓加工精度。

基于三菱PLC的二维送料机构控制系统设计

以二维送料机构为被控对象,三菱PLC为主控元件,进行了控制系统硬件电路原理图的绘制,并结合原理图编写程序完成了控制系统的设计。运算结果表明,本设计可实现二维送料机构作业过程中对给定方向、给定距离的精确控制,具有良好的应用前景。

一种进给伺服系统非线性PID交叉耦合控制

提高多轴伺服系统的轮廓跟随性能是现代计算机数控加工的重要应用之一。针对传统交叉耦合控制方法对自由曲线轨迹的轮廓跟踪精度较差以及传统PID控制系统抗扰性和鲁棒性较差的问题,提出一种基于自抗扰控制的交叉耦合轮廓误差补偿综合控制策略,该策略由用于位置环反馈控制和轮廓误差补偿的新型非线性PID(NLPID)、位置伺服控制器TNP-ADRC和基于NLPID的变增益交叉耦合控制器组成。在MATLAB/Simulink环境下对方波信号跟踪和标准圆轮廓加工过程中轮廓误差的变化情况进行仿真,仿真结果表明:与传统PID交叉耦合控制相比,该方法不仅能够有效提高系统的鲁棒性以及抗干扰能力,并且能够显著提高多轴运动控制系统的轮廓加工精度。

三轴电磁-压电混合驱动快速刀具伺服的轨迹跟踪控制

三轴快速刀具伺服(Fast Tool Servo,FTS)具有更高的刀具空间运动柔性,逐渐用于复杂光学曲面和微纳结构表面的切削加工。针对所研制电磁-压电混合驱动三轴FTS存在的轴间耦合、高频谐振和迟滞非线性等因素对轨迹跟踪性能的影响,研究综合补偿策略实现三轴空间轨迹的高性能跟踪控制。以陷波滤波器抑制系统高频谐振,以前馈解耦补偿弱化平面轴间耦合;针对法应力电磁驱动和压电驱动的迟滞非线性,提出以线性动力学模型级联Prandtl-Ishlinskii模型描述各轴的动态迟滞特性,并构建无需直接求逆的迟滞前馈补偿模型,实现系统的迟滞非线性补偿。谐波扫频测试结果表明:所采用的陷波滤波器可以很好地消除高频谐振,前馈解耦补偿可将平面XY轴间的耦合幅值降低约14 dB。宽频域内迟滞建模结果表明:平面XY轴和Z轴的动态迟滞建模误差分别小于±2.2%和±1.8%。以PID为主控制器,对宽频谐波(10~100 Hz)的跟踪结果表明:采用综合补偿策略获得各轴的最大跟踪误差约为仅采用逆动力学前馈补偿的25%~50%,进一步对空间螺旋球面轨迹进行了跟踪测试,证明了所构建的综合补偿控制策略的有效性。

伺服送料器结构刚度对送料精度的影响分析

对金属冷弯成型生产线中伺服送料器的送料精度问题进行研究,分析伺服送料器结构刚度对送料精度的影响。通过分析,找出伺服送料器结构刚度的薄弱环节,为结构优化提供依据。

基于机床进给伺服系统中频振动抑制研究

伺服系统以其高性能、高精度等优势被广泛应用于数控机床和机器人上。机床进给伺服系统中由于滚珠丝杠等传动装置刚度有限,柔性连接方式易引发振动而影响其稳定性与精度。针对旋转进给伺服系统中存在的中频振动,提出一种基于二阶状态观测器的速度扰动观测补偿中频振动抑制方法,由速度观测器观测出的速度与实际速度反馈相减,通过带通滤波提取振动信号,作为补偿给到速度反馈上,抵消系统振动,提高系统带宽并保持稳定性和精度。最后在不同的速度环增益下,通过仿真和实验验证了所提方法的有效性。

自动钻机给进位置伺服系统动态特性仿真分析

针对自动钻机给进位置控制精度低,影响自动上扣和卸扣成功率,进而影响自动钻机全自动施工流畅性的问题,利用AMESim建立自动钻机给进位置伺服系统动态仿真模型,详细介绍模型参数设置方法,并通过仿真结果验证模型的正确性。然后采用控制变量法仿真分析各器件和参数对给进位置伺服系统动态误差的影响程度,并根据仿真结果、综合成本与实施可行性,优化伺服系统液压与电控设计参数,提高自动钻机给进位置控制精度。最后在神东煤炭集团石圪台煤矿进行了现场试验,结果表明:优化后的自动钻机自动上扣和卸扣成功率由之前的92%提高到了98%,极大地提高了自动钻机全自动施工流畅性。

给水泵汽轮机高压调节电液伺服阀紧固螺栓断裂分析

针对某火电厂给水泵汽轮机高压调节电液伺服阀紧固螺栓发生断裂失效的问题,采用化学成分分析、硬度检测、显微组织分析、断口扫描分析及受力仿真计算等方法进行分析。结果表明:螺纹表面尤其是螺牙底部存在机加工缺陷,在安装预紧力过大导致第一根螺栓发生多源疲劳断裂,随后其他螺栓因静载荷过大直接发生瞬时韧性断裂。这可为电液伺服阀紧固螺栓的安装及检验提供借鉴。

旋压机横向进给电液伺服系统退让量分析

旋压机横向进给广泛采用电液伺服闭环控制,横向进给的退让量参数对旋压产品的质量有直接影响,是工艺人员最为关心的问题。以自动控制原理为理论基础,建立阀控非对称伺服油缸电液伺服系统的数学模型,采用MATLAB软件的Simulink模块作为工具对数学模型进行模拟仿真。以某三轮旋压机横向进给电液伺服系统为研究对象,分析斜坡信号在不同速度和不同负载时的退让量指标,同时进行工艺试验,将工艺试验退让量结果与模拟仿真结果进行对比分析,验证了模拟仿真的正确性,得到了旋压机横向进给电液伺服系统斜坡响应的稳态误差与进给速度的关系和阶跃响应的稳态误差与负载变化的关系。

低频伺服力激励下进给系统建模与动态响应分析

针对精密丝杠直线进给系统在低频伺服力激励下产生动态响应的原因及机理进行了建模研究,提出了一种进给系统动力学模型。其特色在于不同于伺服输出力高频成分或其他方向高频激励可能会引起机械系统共振的建模分析,描述了伺服电动机的伺服输出力的低频谐波成分对进给系统动态响应的影响。采用集中参数法建立了进给系统的动力学模型,利用拉格朗日方法,推导了精密车床进给系统的运动方程。仿真和试验结果表明:1伺服力矩中存在着众多的谐波成分,频率数值远远低于进给系统的第一阶固有频率66 Hz,而且随着速度的增大,频率分量增大;2刀尖点在z轴进给方向振型所对应的第一个固有频率,仿真与试验结果误差在5%之内,验证了所建动力学模型的有效性;3与测量的匀速运动下刀塔运动速度响应对比,所建模型能有效地反映伺服输出力低频谐波成分对机械系统动态响应的影响;响应的幅值变化量15%左右。最后指出,在精密机床进给系统设计中,必须考虑伺服激励的低频谐波成分带来机械系统的微小强迫振动。