基于速度场的直接驱动XY平台任意轨迹规划与精密轮廓控制

XY数控平台是实现多轴高档数控机床平面X、Y坐标运动的关键功能部件。直线电机直接驱动是提高数控机床加工速度和精度的必然要求和发展趋势。传统的轨迹跟踪控制在直接驱动数控平台实现高速和复杂轨迹跟踪时有很大的轮廓误差。为满足高速、高精度复杂轮廓加工的要求，本项目利用任意运动轨迹的路径方程建立动态等效误差模型；以构建速度场的方式来规划任意轨迹跟踪的指令路径；提出可跟踪任意轨迹的精密轮廓跟踪控制策略，对轮廓误差实施动态综合补偿，以轮廓误差最小化为目标，综合优化各控制器参数，提高轮廓加工精度；研制以DSP和FPGA为控制核心的XY数控平台系统样机并进行实验研究。针对直接驱动数控平台精密轮廓控制所提出的分析、设计和控制方法不仅具有重大的工程应用价值，而且其理论研究成果和所提出的科学问题，将使多轴协调控制理论得以丰富和发展，具有非常重要的科学意义。对多轴联动机床、机器人等领域的多轴协调控制亦具有指导意义。

XY数控平台是实现多轴高档数控机床平面X、Y坐标运动的关键功能部件。随着对复杂型面零件加工质量要求的不断提高，轮廓精度成为数控系统的重要精度指标，对提高数控系统加工精度和性能具有重要意义。高速度、高精度的加工技术是现代制造技术的发展趋势。因此，在提高数控机床加工速度的同时，提高高速加工过程的轮廓跟踪精度已成为现今刻不容缓的研究课题。.本项目主要解决的科学问题是直线电机驱动XY数控平台的动态轮廓误差分析、任意轨迹路径规划和基于动态综合补偿技术的精密轮廓控制方法研究。主要研究内容如下：.（1）任意轨迹轮廓误差分析及动态等效轮廓误差模型的建立，以实现XY数控平台运动系统对任意曲线的快速跟踪。.（2）基于速度场理论的任意轨迹路径规划方法研究，即以速度场求解NURBS曲线跟踪轮廓轨迹，达到直接减小轮廓误差的目的。.（3）XY数控平台单轴直线电机驱动系统采用位置（鲁棒重复控制）、速度前馈（零相位误差跟踪控制）和速度反馈的控制框架，以提高单轴的位置跟踪精度；采用高阶滑模控制、迭代学习控制等方法设计鲁棒轮廓误差控制器，直接补偿轮廓误差，提高轮廓跟踪精度。.（4）以DSP为控制核心的XY数控平台系统样机研制及实验研究，对平台进行全面、系统地实验研究，包括系统硬件电路的设计及软件的编程与调试；在此基础上进行整个系统的运行与调试，验证理论研究成果的正确性。.本项目的重要成果包括：完成了直线电机驱动XY数控平台的动态等效误差模型建立；完成了通过构建速度场方式进行的任意轨迹指令规划设计；完成了直线电机驱动XY数控平台的轮廓跟踪控制策略研究和XY数控平台专用伺服控制器的设计；完成了直线电机驱动XY数控平台系统的仿真研究及实验验证。在国内外重要学术刊物和国际学术会议上发表论文40余篇，EI检索10篇；依托本项目研究成果，获授权专利3项，申报国家发明专利9项；培养博士生3名，硕士生19名。.本项目的研究对提高XY数控平台的轮廓精度有重要的意义，所提出的分析、设计和控制方法不仅具有工程应用价值，而且其理论研究成果和所解决的科学问题，将使多轴协调控制理论得以丰富和发展，具有重要的科学意义，其成果将对于多轴联动机床、机器人、半导体制造设备等领域的多轴协调控制奠定理论和应用基础，具有积极的指导意义。