摘 要

随着制造业的快速发展，数控机床正朝着高速高精的方向发展，而进给系统作为数控机床的主要部件，其控制性能的好坏直接决定数控机床的工作性能。传统的数控机床采用单电机驱动作为数控机床的进给方式，但是其结构刚性较差，难以保证轴的驱动力准确作用于运动部件的重心，影响加工精度。为了解决这一问题，很多学者对双驱同步的控制方法进行研究，即在同一方向上采用双伺服电机加双滚珠丝杠构成的双驱同步进给系统，提高系统的结构刚度，以提高机床的加工精度和使用寿命。但是由于两个驱动电机难以保持较高的同步性，该进给系统对双驱同步控制策略提出了更高的要求。

本文针对传统的双驱同步控制策略存在的问题，提出提前补偿的控制方法来提高双轴的同步精度，即工作台在单轴的驱动下，测出其不同位置下不同行程的定位误差，并拟合出工作台的起始位置和定位误差的关联曲线，在机床实际工作时，根据拟合曲线计算出相应的定位误差，提前分别补偿给两轴的控制指令，以提高双轴各自的定位误差，进而降低其同步误差。在双驱工作台上对提前补偿的控制方法进行实验验证，并与传统的主从控制策略进行比较，为双驱同步控制提出新的思路。

关键词：双驱进给，同步控制，同步误差，控制策略

Abstract

With the rapid development of manufacturing, CNC machine tools are developing towards high-speed and high-precision, and feed system as the main part of the CNC machine tool, directly determines the performance of CNC machine tools by its control performance. The traditional CNC machine tools adopt single motor drive as the feeding mode, but its structural rigidity is poor. It is difficult to guarantee that the driving force of the shaft accurately acts on the center of gravity of the moving parts and it will affect the machining precision. In order to solve this problem, the center of gravity driving principle has been widely studied and applied, which adapts dual servo motor and double screw in the same direction composing of dual drive synchronous feed system to improve the structural stiffness of the system for the processing accuracy and service life of the machine tool. However,the two drive motors are difficult to guarantee a high synchronization,so this feed system put higher requirements on the dual-drive synchronization control strategy.

In this paper, according to the existing problems of the two-wheel-drive synchronization control strategy, the advance compensation method is proposed to improve the synchronization accuracy of the biaxial, that is, the workbench is measured under the uniaxial drive, and the positioning error of the different stroke is measured Fitting the starting position of the workbench and the positioning error of the correlation curve, in the actual work of the machine, according to the fitting curve to calculate the corresponding positioning error, respectively, in advance to compensate for the two-axis control instructions to improve the positioning of the biaxial Error, and thus reduce its synchronization error. The control method of advance compensation is experimentally verified on the double drive table, and compared with the traditional master and slave control strategy, a new idea is put forward for the double drive synchronization control.

Key words:dual drive feed, synchronous control, synchronization error, control strategy

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题的研究背景及意义 1

1.2 相关技术的国内外研究现状 1

1.3 本文研究内容及结构 4

第2章 双驱同步控制系统的集成 6

2.1 双驱同步进给系统的原理 6

2.2 双驱同步控制系统的总体架构 6

2.3 双驱同步硬件系统的设计与集成 7

2.3.1 控制系统关键硬件的选型 7

2.3.2 控制系统硬件的集成 8

2.4 本章小结 9

第3章 伺服进给系统模型的建立与分析 10

3.1 永磁同步伺服电动机的数学模型 10

3.2 伺服系统三环的设计 12

3.2.1 电流环的设计 13

3.2.2 速度环的设计 13

3.2.3 位置环的设计 14

3.3 本章小结 15

第4章 双驱同步控制策略仿真与分析 16

4.1 单轴无耦合控制策略的仿真 16

4.2 传统的双驱同步控制策略的仿真 17

4.3 本章小结 20

第5章 基于双驱工作台的提前补偿实验与分析 22

5.1 引言 22

5.2 基于PID控制的单轴调试实验 22

5.3 机床提前补偿实验 25

5.4 传统的主从控制与提前补偿控制的同步误差比较 27

5.5 本章小结 30

第6章 总结与展望 31

6.1 全文总结 31

6.2 展望 31

参考文献 32

致谢 33

绪论

课题的研究背景及意义

近年来，数控机床已经成为机床工业最主要的产品，它是集机械、电气、电子等技术为一体的机电一体化产品。数控机床产业是体现国家战略地位和国家综合国力水平的重要产业，其制造水平的高低是衡量一个国家工业制造整体水平的重要标志之一^[1]。数控机床在我国大中型企业已占有有越来越大的比重，但是由于国内起步较晚，国产数控机床的性能仍难以满足市场的需求，我国高端数控机床主要依靠进口。

目前，数控机床正朝着高速、高精、高效的方向发展。进给系统作为数控机床的驱动与执行部分，其动态特性对数控机床的加工精度和加工效率非常重要^[2]。目前较为典型的进给系统有直线电机驱动和伺服电机配合滚珠丝杠驱动两种。直线电机驱动结构紧凑，传递误差较小，但在高载荷的情况下容易发热和振动，且价格昂贵。伺服电机配合滚珠丝杠的进给方式虽然性价比较高，但是由于机床受到扰动，热变形等因素的影响，伺服电机的轴向驱动力难以准确作用于工作台的重心，影响加工精度。