摘 要

数控机床是目前工件加工制造的重要设备，进给系统是高精高效数控装备的核心系统，其系统结构和控制精度将直接影响装备的工作性能。传统的进给系统所采用的驱动方式单电机单丝杠驱动，这种方式虽然能满足一定的精度，但是对于高速高精加工方面还是存在一定的不足，并且往往很难保证轴驱动力准确作用于运动部件的重心，对机械装备的寿命产生较大影响。

为了克服上述单驱进给方式的一些缺点，一种双驱同步进给方式应运而生，其采用两台电机通过两根丝杠一起驱动工作台作进给运动，能大大提高机械装备的运动精度和传动装置使用寿命。但使用这种方式时，会存在由于外界干扰等因素所造成的两电机不完全同步既产生同步误差的问题。

针对精密双驱进给系统高精度高稳定性的需求，本文基于倍福系统对双驱控制系统的硬件平台进行搭建，并对双驱控制策略进行建模与仿真，最后对双驱控制系统的软件进行设计。具体内容如下：

1. 阐述了双驱同步控制系统的总体方案设计，在此基础上对双驱控制系统的硬件进行了计算与选型，实现了双驱同步控制系统平台的集成。
2. 建立双驱同步伺服进给系统的数学模型，通过对伺服系统的电流环、速度环、位置环的数学模型的分析，建立单轴无耦合系统的数学模型，在此基础上提出一种混合交叉耦合-主从同步控制策略，并与传统的主从控制策略和交叉耦合控制策略的性能进行了对比。
3. 对双驱控制系统的软件进行设计，以BECHOFF公司的TWINCAT软件为平台，利用ST语言进行了双驱同步控制软件的编程。

关键词：双驱进给，同步控制，仿真，伺服系统

Abstract

NC machine tool is the important equipment of the workpiece machining, and the feed system is the core system of high precision and high efficiency CNC equipment, whose system structure and control precision will directly affect the performance of the equipment. The traditional drive way of feeding system is to use a single motor. although it can satisfy a certain precision, but for high speed and high accuracy machining still exists some deficiencies, and often it is difficult to ensure shaft drive the exact role in the center of gravity of the moving parts, the life of machinery and equipment have greater impact

In view of the above single drive feed system of some shortcomings, a dual drive synchronous feed arises at the historic moment, the single degree of freedom dual motor double driving device arranged in parallel to the drive component moving, greatly improve the motion accuracy and transmission machinery device service life. But in this way, there will be the problem of synchronous error caused by the two motor is not completely synchronous due to the external disturbance and other factors.

Aming at the demand of precision dual-drive feed system with high precision and high stability, this paper build hardware platform of dual-drive system based on the Beckhoff control system. the dual-drive control strategy modeling are established and simulated. Finally, the dual-drive control system software are designed. Specific studies are as follows:

1. The overall design of dual-drive synchronous control system are described. Based on this, hardware dual-drive control system were calculated and selection to achieve an integrated dual-drive synchronous control system platform.
2. Establishing a synchronous dual-drive servo system mathematical model. Through analysing the mathematical model of the servo system current loop, velocity loop and position loop, a uniaxial no coupling system mathematical model is establishment, and based that a mixed cross-coupling - master-slave synchronization control strategy is proposed, which is compared with the performance of traditional master-slave control strategies and cross-coupled control strategies.
3. Double-drive control system's software are designed. Based on BECHOFF's TWINCAT, using ST language to program dual-drive control software.

Key words: Dual-drive feed, synchronous control, simulation, servo system

目录

中文摘要 3

Abstract 4

第一章 绪论 8

1.1 课题的研究背景与意义 8

1.2 相关技术的国内外研究现状 8

1.2.1双驱同步控制技术的国内外应用现状 8

1.2.2双驱同步控制策略的国内外研究现状 9

1.3 课题来源 10

1.4本文的主要研究内容 10

第二章 双驱控制系统的设计与搭建 11

2.1 引言 11

2.2 双驱控制的基本原理 11

2.3双驱同步控制系统的总体架构 12

2.4 双驱同步硬件控制系统设计与集成 13

第三章 双驱同步运动控制策略设计与分析 21

3.1 单轴无耦合运动系统模型 21

3.1.1电流环的数学模型 21

3.1.2 速度环的数学模型 22

3.1.3 位置环的数学模型 23

3.2 双驱进给系统模型 25

3.2.1 主从同步控制策略 26

3.2.2 交叉耦合同步控制策略 30

3.2.3混合交叉耦合—主从控制策略 32

第四章 同步控制软件的设计与测试 38

4.1 双驱同步控制系统软件界面的设计 38

4.2 变量连接和双驱同步功能的实现 39

4.3 与硬件系统的传输调试 43

第五章 总结与展望 44

5.1 全文总结 44

5.2 展望 44

参考文献 46

致谢 48

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景与意义

数控机床是工件加工制造的重要设备，是一种柔性的、高效能的自动化机床。高效高精数控装备的核心系统是进给系统，进给系统的驱动方式一般分为线性电机驱动和滚珠丝杠驱动两种。传统的单滚珠丝杠驱动具有成本低，工作可靠，传动效率高等优点；但当驱动力不通过工作台重心位置时，会产生扭转力矩，使工作台发生扭转，造成系统震动，刚度不足，对工件的尺寸精度和表面质量造成不良的影响。线性电机结构简单、定位精度高、灵敏度高；但也存在成本高、效率低、发热量大以及对外部干扰非常敏感等缺点，这也使其应用受到限制^[1]。

现代的高效高精加工要求数控机床的进给驱动系统具有高稳定性、高速度、高精度和良好的刚度等。双驱同步进给系统能够满足上述要求，也克服了上述单驱进给的缺点。它利用两台电机，通过两根丝杆同时驱动一个工作台进行进给运动。两个驱动电机应保持较高的同步性，并具有复杂的机械耦合关系，当系统受到一些外部因素的干扰时，将会造成两部电机不同步，从而导致工作台发生扭斜等问题，最终造成工作台精度难以保证，这也正是双驱同步进给系统的难点^[2]。在双驱进给系统的设计中，因为机械结构部分没有太多的精度提升空间，为了保证系统更优秀的性能，只能把重点放在同步控制策略上，这也是目前双驱研究领域的重要问题。

1.2 相关技术的国内外研究现状

1.2.1双驱同步控制技术的国内外应用现状

随着数控机床技术和同步控制技术的发展，越来越多的数控机床都开始使用双驱滚珠丝杠同步驱动技术。