进给伺服系统中复杂低速摩擦的作用机理及控制补偿方法研究

The full closed loop controlled feed servo system subjected to complex low-velocity friction will be investigated in this project. Dynamic modelling, friction compensition and experiment reserch of the feed servo system will be proceeded. The dynamic equation of the feed servo system will be established included in the advanced friction model. And the parameter identification method for the system with nonlinear friction will be developed combining with the system identification theory. The contribution of low-velocity friction characteristics on the dynamic responses of the system will be obtained by changing the key parameters of the friction model. Moreover, the action mechanism will be analyzed and the influence patten of the low-velocity friction will also be revealed. Furthermore, the friction compensator based on the advanced friction model for low-velocity friction compensition will be put forward in connection with two opration states of the feed servo system, such as low-velocity feeding and velocity reversion. The nonlinear dynamic stability of the closed loop control system will be studied. The general criterion of the control parameter adjustment to reduce or vanish the limit cycle of the feed servo system will be given. In addition, the experiment platform of a feed servo system with closed loop controllor will be established. Our own experiment control software will be developed, and the parameter identification and friction compensation experiments will be carried out. At last, the research and experiment conclusions will be used to the feed servo system of the CNC machine tool in the plant. Therefore, The theoretical research will be examined and corrected according to the practical application. All of research results can provide theoretical and experimental supports for the improvement of the dynamics reserch level, operating accuracy, structure optimum design and reliability growth of CNC machine tool feed servo systems.

本项目主要以受复杂低速摩擦影响的全闭环进给伺服系统为研究对象进行动力学建模、摩擦控制补偿及实验研究。建立计入改进摩擦模型的进给伺服系统动力学方程，结合系统辨识理论开发含非线性摩擦的系统的参数辨识方法。通过改变摩擦模型中的关键参数获得低速摩擦特性对系统动态响应的贡献量，分析其作用机理，揭示影响规律。针对进给伺服系统低速进给和速度换向这两种运行状态，提出基于改进摩擦模型的摩擦补偿器，进行低速摩擦补偿。同时，进行闭环控制系统非线性动力学稳定性的研究，给出控制参数调整与极限环减小或消失的关系的一般准则。搭建闭环控制进给伺服系统测量实验平台，自主开发控制软件，进行系统参数辨识和摩擦控制补偿的实验验证。最后，将所得结论应用于工况下数控机床进给伺服系统，实现理论与实践的相互修正。研究成果可在提高进给伺服系统动力学研究的水平、提高进给伺服系统运动精度、结构优化设计和可靠性增长等方面提供理论基础和实验支持。

进给伺服系统作为一种精密的位置跟踪与定位系统，由于相对移动部件间存在着强非线性摩擦，使其在低速时出现爬行现象,稳态时有较大的静差或出现极限环振荡等。本项目主要以受复杂低速摩擦影响的全闭环进给伺服系统为研究对象进行动力学建模、摩擦控制补偿及实验研究。（1）搜集和整理国内外文献，综合并分析了进给系统的结构形式、结构特点及适用场合，系统地阐述了几种进给系统力学模型及其特点，并从力学模型、问题侧重点和研究方法上，分析了机械系统诱发粘滑摩擦的原因；（2）基于经典的进给系统单自由度力学模型，推导出了工作台临界爬行速度和进给系统结构参数和摩擦参数的函数关系，利用临界爬行速度——进给位置关系曲线，提出了进给系统结构参数辨识的非线性优化方法，在结构参数辨识基础上，深入分析库仑和Stribeck摩擦模型在描述摩擦现象的不同机理，利用图形匹配技术提出了Stribeck摩擦模型参数的分段辨识法。根据发生粘滑时极限环曲线的封闭性及规律性，使用改进链码特征识别法，提出了stribeck摩擦参数辨识的遍历搜索法；（3）利用泰勒级数将stribeck摩擦模型分别从正速度方向和负速度方向进行极限逼近，根据判稳条件，获得了含摩擦系统出现极限环的条件；（4）建立综合考虑轴的扭转刚度、齿轮的啮合刚度、丝杠螺母副接触刚度、丝杠轴和轴承轴向刚度、导轨接触面摩擦的进给伺服系统的多自由度力学模型和数学模型，找出机械传动系统中的刚度薄弱环节；（5）结合LuGre摩擦模型，较为全面的给出了摩擦对系统等效粘性阻尼的贡献，并通过仿真计算找出了影响系统等效粘性阻尼大小的影响因素及规律；（6）建立了高速滚珠丝杠副磨损的微接触模型和预紧力减小的数学模型，得到了轴向载荷和丝杠转速对接触面处磨损频率、单粗糙峰的磨损深度及有效接触率的影响规律；（7）提出PID+前馈控制补偿方案，能够最大程度的提高系统的跟踪性能和定位性能；（8）采用ML10双频激光干涉仪对CK61200-16/63重型数控镗车床横向进给系统进行了现场测试，为理论分析提供了实验数据。通过本项目研究，分析了摩擦在进给系统的作用机理，提出了新的参数辨识方法和相应的控制补偿方法，发表学术论文9篇，SCI收录4篇，EI收录2篇，培养了3名硕士研究生，研究成果可在提高进给伺服系统动力学研究的水平、提高进给伺服系统运动精度、结构优化设计和可靠性增长等方面提供理论基础和实验支持。