面向高性能数控系统的误差控制技术研究(2)

数控加工中使用的数控技术是由机械学、控制论、电子学、计算机科学四大基础学科发展起来的一门综合性的新型学科。正是由于这一点数控技术水平已经成为一个国家上述各个学科技术水平的综合性标志【２矧。随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，数控技术在现代制造业中发挥着越来越重要的作用。数控技术是数控加工的关键技术，是复杂型面加工的重要和必要手段、是柔性制造系统ＦＭＳ计算机集成制造系统ＣＩＭＳ和工厂自动化ＦＡ的技术基础【１３。５１。数控技术的采用可以实现全自动化和长时间无人管理，因此数控技术是工厂实现自动化的基础，是实现装备工业现代化的基础，是保证国防尖端工业发展的关键，是实现机械工业技术革新的战略重点。数控技术在未来国民经济建设中起着非常重要的作用。

大力发展和推广应用数控技术，用数控技术改造传统产业是提高产业竞争力的重要手段。在机床工具行业，机床数控化已经成为发展的必然趋势。而在机床数控化所涉及到的各项技术中机床数控技术是其中的核心技术。事实上数控技术不仅应用于机床，在工业机器人、微电子、轻工纺织、化工冶金等多个领域都发挥着重要作用。特别地，数控技术也是火炮操纵雷达、驱动导弹发射、导航平台控制等领域的关键技术。可以这样说：在未来现代化工业的整个领域中有机械运动的地方都可以看到数控技术的身影。随着电子信息技术的发展，制造业已进入

第一章绪论

了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一［１８ｊ９１。与传统的普通机床相比，数控机床无疑具有强大的技术优势，更适于以高速、高精、高效、柔性为特征的现代制造方式。作为现代制造业的加工母机和国民经济的重要基础，它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有无限放大的经济与社会效应。数控产业水平的提高，将带动整个工业制造水平的快速发展。因此，欧、美、日等工业化国家都在其工业化进程中大力发展数控产业，并始终保持着较高的制造水平。近几十年来，特别是近十几年来，工业发达国家，如美、日、德、意等国家数控机床的产量、产值和拥有量的数控化率均超过了２５％，５０％和１０％，并在此基础之上广泛进行了ＦＭＳ，ＣＩＭＳ和ＩＭＳ的理论和实用化研究工作。在世界范围内以日本ＦＡＮＵＣ和德国ＳＩＥＭＥＮＳ两家数控系统制造商为代表，这两家公司的产品在世界市场上的占有率超过８０％。仅２００４年发那科和西门子在我国销售的数控系统就分别达到１．２万台和７０００创２０捌】。

与此同时，随着国内数控系统制造厂家的技术进步，我国先后自行研制出了多种中高端的数控系统产品，如北京凯恩帝数控的Ｋ１０００Ｍ８ＤＩＩ，武汉华中世纪星ＨＮＣ．２２Ｍ，南京四开的ＳＫＹ２００３Ｎ，广州数控的ＧＳＫ９８３Ｍ，北京凯奇数控的ＮＣｌｌ０、ＮＣ３１０，大连光洋数控的ＧＤＳ０７Ｇ等［２２－２５】。然而就目前而言，在装备制造业下游子行业实际生产应用中，很少看到国产高端数控系统的身影。在历次举行的中国／国际机床展上，应用了国产高端数控系统的高档数控机床更是风毛麟角。究其原因，在于相对国外产品，国产系统没有大的技术突破，缺乏原始创新性，本应有的成本优势也因产量小而消耗。而在稳定性、可靠性、精度、品牌影响力等方面与国外产品存在的差距，使得终端用户难于消除疑虑从惯用的国外数控系统转移到国产数控系统上来。

因此，根据国内外机械制造自动化发展现状，从我国的实际出发，除必要的跟踪研究以外，有必要集中人力和资金进行机械制造自动化关键设备和基础理论与技术研究。例如高性能数控系统，高精度伺服控制技术、高性能主轴驱动技术等。这对我国机械制造水平的提高，特别是更高层次的综合自动化的开发以及对国民经济的发展均具有重要意义。为此，必须开展厂泛深入的基础理论和基础技术的研究工作。新一代数控装置，实现高速度、高精度、高效率和高可靠性的加工是优先考虑的问题［２８－３０】。应该指出，高速度、高精度、高效率和高可靠性这４个高性能指标是统一的整体。实现高速度的技术通常采用：高速运算技术、快速插补技术、超高速通讯技术和全数字伺服控制技术等。实现高精度的技术通常采用高分辨率位置检测技术、数字式伺服控制技术等；实现高效率的技术通常采用高性能伺服控制技术、自动检测技术等。因此要实现高性能控制，高性能数控系统伺服控制器设计是基础和关键技术之一。２

第一章绪论

１．２高性能运动控制中的误差控制研究

高速高精度加工是目前最重要的研究领域之一，其目的在于提高机械加工生产率以及改善加工质量。然而，高速高精度加工在实用之前也面临着许多挑战。最主要的问题是在存在扰动、非线性、模型和参数不确定性的情况下设计高性能伺服控制器。当使用有限带宽的伺服控制器时，伺服延迟也成为引起位置误差的主要原因，并会随着高速加工时进给速度的提高而更加严重。现代加工系统由伺服系统所支持，伺服系统提供两类基本功能：调节和操纵。伺服系统的跟踪性能通常用两个指标来衡量：跟踪误差和轮廓误差。跟踪误差是指控制对象的理想位置与实际位置之差，而轮廓误差是指理想轨迹与实际轨迹之差。在机械加工中，工件的尺寸精度是由轮廓误差所决定的。从数控机床控制系统的角度看，机床控制是一个动态系统，控制系统中不确定因素的产生主要是由于：系统的输入包含有随机扰动，如机床振动、热变形、刀具破损、工件材料硬度不均等；系统的测量传感器具有测量噪声；系统数学模型的参数甚至结构具有不确定性。一般把第

一、二类不确定因素称为不确定环境因素，把第三类不确定因素称为不确定模型因素【３６】。

工件的尺寸精度由轮廓精度所决定这个事实激发了许多研究者将重点放在了改善轮廓精度上。根据误差的分类数控系统的控制策略又可分为跟随控制（ｔｒａｃｋｉｎｇｃｏｎｔｒ０１）与轮廓控制（ｃｏｎｔｏｕｒｉｎｇｃｏｎｔｒ０１）两类。这样，改善轮廓精度的方案分为两大类：一类是基于提高单轴运动精度的方法；另一类是基于多轴协调运动的控制方法１３８，３９］。

１）基于提高单轴运动精度的方法

在轮廓控制系统中，多轴位置伺服系统准确跟踪指定轨迹的能力是非常重要的。随着高精度、高速度的加工日益增长的需要，这一性能要求变得更为迫切。任意一个坐标运动轨迹的偏差或故障将会导致整个运动规律的变化，最终造成轮廓加工误差，因此，轮廓系统的性能很大程度上取决于各轴位置伺服系统的性能。对单轴位置伺服系统控制技术的研究是轮廓控制与补偿技术的一个重要研究内容。基于此，相当多的研究者将重点放在改善各进给运动轴的位置控制性能，通过各种先进的控制与补偿技术提高伺服系统的跟随性能，从而间接达到改善系统轮廓精度的目的上。目前在跟随控制中大多采用ＰＩＤ控制器［４１－４。７１。ＰＩＤ控制具有结构简单、稳定性好、鲁棒性强等优点。但由于其对静态与动态、鲁棒性与控制性能等之间的矛盾通常采用折衷的方法，因此有时导致系统并不能取得满意的性能。另外理论研究的假设条件往往与实际系统存在较大差异。某些控制策略应用前要先对被控对象做简化处理，否则分析与计算的复杂程度太高，不便利用。但

实际系统是相当复杂的。对于系统的参数变化、干扰以及各种非线性因素在内的建模误差的研究还不够，控制器的鲁棒性有限；或者控制理论本身的研究还不够成熟，对于控制器参数设计、稳定性分析等方面还不够完善 …… 此处隐藏：3471字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……