基于LPV理论的高速滚珠丝杠进给系统运动及振动主动控制方法研究

Ball screw feed systems have been widely used in the machine tool feed systems for its outstanding advantages like high stiffness and transmission efficiency. The quality of processed surface for parts is affected by the tracking accuracy of the feed motion to the reference trajectory directly. However, the vibration modes can be excited in high-speed cutting process, which can limit the achievable bandwidth and deteriorate the tracking performance. furthermore, the feed system is a system with time-varying uncertainties, which can be affected by external disturbances, feedback noise and other factors in the cutting process. As the results, how to design a servo controller to suppress the structure vibration of feed system and obtain Robustness to uncertainties, external disturbances and feedback noise has become a research hotspot. To achieve the above objectives, the least squares identification method and multi-point interpolation method will be used by the applicant to establish a LPV model which can reflect the vibration characteristics of ball screw feed system. Then the LPV controller of feed system will be designed based on linear fractional transformation and hybrid H2/ H∞ control under D-stability constraints. Finally, the controller performances will be evaluated comprehensively through contrast experiments, which include tracking performance test, closed-loop system bandwidth test and vibration test. To summarize, this study can provide a new design method for servo controller of high performance CNC machine tool feed system.

滚珠丝杠进给系统因其较高的刚性和传动效率，已经广泛的应用于机床进给系统中。进给运动对参考轨迹的跟踪精度直接影响零件加工表面量。然而在高速切削过程中，会激发出进给系统的振动模态，限制伺服带宽以及降低系统跟踪性能。并且进给系统具有时变不确定性，在切削过程中，还会受到外界干扰和反馈噪声等因素的影响。因此如何设计伺服控制器来抑制进给系统结构振动，并对不确定性、外界干扰和反馈噪声具有鲁棒性，已经成为目前的研究热点。为了实现以上目标，申请者拟通过最小二乘辨识方法和多点插值方法建立能表现滚珠丝杠进给系统振动特性的LPV模型；然后基于线性分式变换以及D-稳定约束下的混合H2/ H∞控制设计进给系统的LPV控制器；最后通过对比实验，包括跟踪性能测试、闭环系统带宽测试以及振动测试来综合评价控制器性能。综上所述，本研究能够为高端数控机床进给系统的伺服控制器提供新的设计方法。

滚珠丝杠进给系统因其较高的刚性和传动效率，已经广泛的应用于机床进给系统中。进给运动对参考轨迹的跟踪精度直接影响零件加工表面量。然而在高速切削过程中，会激发出进给系统的振动模态，限制伺服带宽以及降低系统跟踪性能。针对系统低频状态建立了刚体控制模型，针对系统高频状态建立能表现一阶振动模态的柔性控制模型，针对系统参数不确定性建立具有不确定性的柔性控制模型以及建立能够体现系统动态时变特性的LPV模型，并在课题所搭建的高速滚珠丝杠进给实验系统对控制模型的参数进行辨识。.考虑到滚珠丝杠进给系统存在的时变振动模态，设计并联结构控制器来实现控制要求。控制器由两个部分组成：1）跟踪控制器是针对系统柔性控制LTI模型设计的采用带参考轨迹的线性二次型调节控制器；2）振动抑制控制器由一系列局部µ综合控制器插值组成，然后基于鲁棒控制器Youla参数化方法，插值得到能够有效抑制系统时变柔性模态的增益调度控制器。.在滚珠丝杠传动系统中，因为工作台位置影响着动态刚度，所以共振模态的自然频率将随着工作台运动发生变化，进而恶化控制系统的跟踪性能和稳定性。根据所建立的不确定模型，采用参数依赖的Lyapunov函数进行了稳定性验证，从理论上保证了插值增益调度控制器在运行条件变化时的闭环稳定性。上述提出的控制算法均在不同实验设备中与常用的经典控制算法和现有的先进控制算法进行了比较，分析和实验结果验证了所提出方法的先进性和有效性。