大范围变负载直驱进给系统误差机理及控制方法研究

The linear motor feed drive system used in CNC machine tools which has no mechanical deceleration link and the processing load in a wide range of changes (up to 1:100 above thrust ratio) directly acting on the motor, causes a substantial change of actual control model and parameters. Control method using the fixed parameter model and a small range of parameter adjustment model can not adapt to changes in a wide range of precise control seriously restricts the application of the direct drive system in precision high speed machining.The control error mechanism during direct drive feeding process are put forward and the error caused by a wide variable load and its regular pattern are studied in this project.Based on the study of variable parameters and variable model control method for the strong electromechanical coupling direct-drive system, the separating load region and adapt to the continuous large-scale load change variable parameters or variable control algorithm is suggested.Combined with the rapid response requirements for the direct drive system,the offline or online modeling which cover the parameter range of the variable parameter control model is created and the sub-domain controller and the switching index function is designed.Through theoretical research and experimental verification, a integrated direct drive feed system control mode adapt to a wide range of variable load of high speed and high precision combined with measurement, feedback and control law is developed and lay the theoretical and technical foundation to promote the development of top grade CNC machine tools direct drive processing technology .

面向数控机床的直线电机加工进给系统, 无机械减速环节，加工中切削负载的大范围变化（可达到1：100以上推力比）直接作用于电机，引起实际控制模型及参数的大幅度变化。使用固定参数模型的控制方法无法适应负载大范围变化精确控制，严重制约着直驱系统在精密高速加工中的应用。项目研究数控机床直驱进给系统误差的形成机理，探索直驱加工过程中负载变化引起控制误差变化对系统产生误差的影响规律；研究强机电耦合直驱系统变参数、变模型控制方法，提出分负载域及适应连续负载变化的分域控制策略；结合直驱控制的快速响应要求，采用离线或在线的方式建立覆盖参数变化范围的变参数控制模型，并设计分控制器、切换指标函数及控制律。通过理论研究和实验验证，提出适应大范围负载变化条件下，高性能集成直驱系统控制方法，为推动高档数控机床直驱加工技术的发展奠定理论和技术基础。

在数控机床加工过程中，由于切削负载的大范围变化直接作用于直线电机，会引起控制模型及相关参数的大幅度改变。先前参数不可变模型控制方法已经不能满足负载大范围变化精确控制，这会对于直驱系统在精密加工过程中的应用产生不良影响。通过对数控机床直驱进给体系物理结构和运动过程的定性与定量分析，提出结构本源系统非线性与过程随机非线性误差规律与加工误差理论。根据直驱进给电磁结构非线性系统与加工过程变负载建模原理和方法，建立符合加工特征的机电深度耦合系统的变结构、变参数模型，作为精确进给控制的模型基础。提出直驱进给系统适应大范围变负载分域控制策略，通过在线快速自识别、自判断、控制律自选择智能化调整方法，获得直驱进给系统大范围变负载情况下的非线性误差抑制效果。通过理论研究和实验验证，在适应大范围负载变化条件下，提出高性能集成直驱系统控制方法，为推动高档数控机床直驱加工技术的发展奠定理论和技术基础。