數控機床高性能傳動部件控制技術的研究進展

范大鵬 范世珣 魯亞飛 張連超

國防科技大學,長沙,410073

數控機床高性能傳動部件控制技術的研究進展

范大鵬 范世珣 魯亞飛 張連超

國防科技大學,長沙,410073

介紹了高檔數控機床工作臺、刀具伺服等關鍵傳動部件控制技術的研究進展,主要包括滾珠絲杠的工作行為建模與控制方法、電機直接驅動關鍵技術、宏微結合驅動與傳動新技術以及智能刀具伺服技術等內容。針對以上典型傳動控制技術,分別回顧了其發展歷程,總結了近年來的主要研究成果,歸納出各自的基本設計思想,討論了四種傳動控制技術的發展趨勢以及研究中尚待解決的問題。

數控機床;精密;傳動控制;研究現狀

0 引言

數控機床加工精度、效率等的不斷提高,對機床直線或回轉工作臺的精度性能以及加工過程的穩定性提出了更高的要求。新的數控進給傳動系統需要在高進給速率(大于50m/min)、高加速度(大于1g)工況下達到亞微米級的定位精度,這意味著傳動系統必須提供超過100Hz的伺服帶寬以及具備優良的干擾抑制性能。滾珠絲杠與電機直接驅動裝置在數控機床進給傳動系統中仍居主導地位。在高速、高精度定位過程中,滾珠絲杠系統的結構柔性不可忽視,彈性變形被證實為定位誤差的主要來源。滾珠絲杠傳動系統工作行為動力學建模與分析、高帶寬控制方法研究近10年來得到了普遍重視。在高性能伺服驅動系統配合下,直接驅動系統從理論上能夠實現高帶寬、無限長傳動,但是其驅動原理使其在工作過程中容易受到負載變化的影響。應用直驅傳動系統的數控機床,其加工精度、系統穩定性極易受到切削力變化的影響。高干擾抑制性能的高帶寬控制系統研究成為直接驅動系統的研究熱點。

進給傳動系統、主軸傳動系統、刀具是數控機床的重要基礎功能部件。從近年的研究工作看,機床精密傳動的內涵正在不斷深化,外延正在不斷拓展。滾珠絲杠、直線和力矩電機直驅系統作為進給傳動系統與主軸傳動系統的主要實現手段,對其動力學行為與控制技術的研究得到了普遍重視;同時,隨著宏微結合精密復合傳動以及智能伺服刀具等新技術的出現,柔順機構、功能材料、現代設計制造、傳感控制等多學科領域的技術成果已越來越多地用于機床精密驅動傳動技術研究,呈現多學科交叉的特點,使得精密驅動與傳動裝置在組成上逐漸具有機構、傳感、控制、驅動一體化集成的特征。

從提高機床傳動部件精度的技術途徑來看,一方面通過精密機械設計制造,改善機械傳動部件內部的摩擦、潤滑、振動等特性來提高精度,另一方面通過在機械傳動部件內部增加傳感部件、驅動部件、控制部件,構成具有智能化特征的傳動單元,以獲得更高的精度和響應特性。相比前者,后者得到了更多的研究。

控制單元作為精密復合驅動與傳動的核心,起著對傳動部件、驅動部件的精度控制和能量分配的作用,當前研究的重點集中在力擾動抑制、驅動傳動單元的摩擦與間隙等非線性因素補償、宏微復合運動的解耦控制等方面。

本文結合機床精密傳動技術的發展過程介紹滾珠絲杠工作行為建模與控制技術、電機直接驅動關鍵技術、宏微結合驅動傳動技術以及智能刀具伺服技術的研究現狀。

1 滾珠絲杠工作行為建模與控制

近幾年來,世界上很多研究機構圍繞滾珠絲杠應用于高速進給系統的結構動力學行為進行了較多的研究,進行了從簡單的集總參數彈簧質量模型到相對復雜的有限元模型的研究,深入研究了滾珠絲杠軸向、徑向靜動態變形以及結構共振頻率對定位精度及伺服帶寬的作用規律。依據更加精確的滾珠絲杠工作行為模型,所進行的先進誤差補償與機械共振抑制的研究使得滾珠絲杠傳動系統的分析與設計方法有了新的突破與發展。

1.1 滾珠絲杠工作行為建模技術

現階段滾珠絲杠的行為建模技術主要分為三類:基于剛體質量彈簧系統的集總參數模型、相對復雜的有限元模型以及更貼近工程實踐的混合建模分析技術。

集總參數模型具有模型自由度少、參數簡單、易于求解等特點,在機床動力學分析、伺服系統性能預測、機構與控制一體化優化綜合中得到成功應用。Chen等[1]應用該類模型對典型高速滾珠絲杠傳動系統進行了動力學分析與控制仿真,考慮滾珠絲杠副的軸向變形剛度、扭轉剛度以及直線導軌副的接觸剛度三類柔性特征,建立了單軸伺服系統的五自由度集總參數模型;運用該類模型準確預測了傳動系統低頻模態的分布規律;通過伺服控制仿真,定量得出了滾珠絲杠副動力學行為對動態伺服精度的影響規律。對半徑50mm、進給速率42m/min、加速度1g的高速圓弧插補進行仿真的結果表明,傳動系統柔性引入的終端定位誤差很難依靠傳統控制策略消除,僅依靠傳統S曲線加減速控制策略,穩態定位誤差達到30μm。Kim等[2]將滾珠絲杠傳動系統的集總參數模型包含到伺服回路模型當中,詳細分析和驗證了模型機構參數、電氣參數以及控制參數對整體傳動與定位性能的影響,建立了同時包含滾珠絲杠動力學約束與伺服控制動力學約束的多目標量綱一代價函數,并基于該多目標代價函數提出了一種滾珠絲杠伺服機構的機構與控制綜合優化設計方法。與之類似的研究還有 Poignet等[3]、Yang等[4]的研究。

有限元模型相對復雜,但它能夠描述傳動系統動力學細節特征,與集總參數模型相比,它不僅能夠描述絲杠傳動的一般靜態、動態時不變特性,而且能夠描述機床全工作空間內,螺母帶動工作臺在絲桿上運動過程中傳動特性的變化情況。然而,機床進給傳動系統的全有限元模型過于龐大,難以直接指導傳動控制系統的優化設計,因此,模型降維與變換技術是有限元模型有效應用的關鍵。van Brussel[5]提出一種應用成分模態縮減綜合技術(component mode reduction synthesis,CMRS)進行模型降維的有效方法,可將模型的自由度數縮減三個數量級,應用降維后的模型可以有效預測傳動系統動力學行為的位置依賴性;在此基礎上,將降維后的模型轉化為狀態空間模型,進一步應用平衡截斷法或Hankel范數近似法等控制模型降階技術,可以得到適用于控制系統設計的低階“真實模型”。類似的研究還有Schafers等[6]的研究。然而,應用CMRS技術進行模型降維,模型精度與降維過程中所保留的特征節點的選取有關,對于復雜零件如何有效保留特征節點仍需繼續深入研究。此外,綜合應用有限元技術和多體動力學技術進行絲杠傳動系統仿真分析時,運動副結合部的時變特性仿真是當前研究的難點和熱點。

綜合集總模型與分布參數模型(梁分析法、有限元模型)的優點,近5年來很多學者對混合建模方法進行了研究。該方法的基本思想是:將主要傳動部件——滾珠、絲杠視為柔性體,應用分布參數模型建模;將傳動末端的螺母、工作臺作為剛體處理,應用彈簧質量模型進行建模。該技術的研究重點是絲杠分布參數模型的建立和絲杠與螺母運動副結合面的建模與列式。目前,絲杠建模技術主要有以下兩種:①將絲杠看作一根完整的梁,應用梁的解析方程建模列式,與實驗數據進行比對證明,該方法能夠精確預測傳動系統的開環動力學特征[7-9];②應用梁單元對滾珠絲杠進行有限元建模,與前者相比,這種方法的優點是可以得到更為簡潔有效的模型描述形式[10-13]。傳動副結合面的建模用于描述運動、振動與力從絲杠到工作臺的傳遞過程,是滾珠絲杠混合模型的另一重點?，F有的技術均采用剛度矩陣描述結合面傳動特性,其發展經歷了三個階段:僅考慮絲杠的軸向和扭轉變形;考慮絲杠的軸向、扭轉和橫向變形;綜合考慮絲杠的軸向、扭轉和橫向變形以及三者間的耦合關系。絲杠分布參數模型、傳動副傳遞矩陣模型與螺母及工作臺體的剛體模型共同構成了滾珠絲杠傳動系統的混合模型,為該類傳動系統的設計與分析、伺服驅動系統的設計提供了重要工具。

1.2 滾珠絲杠傳動系統控制技術

根據滾珠絲杠傳動系統工作行為建模分析結果,在高速以及中重載荷條件下,滾珠絲杠在傳動過程中表現出顯著地柔性體特征,存在以下固有問題:①低頻固有模態限制傳動動態性能[14];②軸向、徑向模態引起工作臺游走,限制動態定位精度。因此,高檔數控機床滾珠絲杠傳動系統均工作于全閉環狀態。滾珠絲杠低階模態主動阻尼與主動抑制控制技術、軸向、徑向工作臺游走動態補償技術、彈性體非最小相位特性鎮定控制技術是近10年來該領域的研究重點。同時考慮絲杠分布參數特性、潤滑條件的不一致性以及負載分布情況引起的摩擦條件時變特性等非線性因素影響,滾珠絲杠在高速傳動工況下表現出顯著的模型時變性。線性、非線性參數時變控制技術在傳動系統控制中的應用在近5年,特別是最近2年得到了較多重視。

針對低頻固有模態的測量與控制,相關學者進行了大量研究。早期的主要研究手段是在指令和反饋信號通道設置陷波器,濾除可能激發傳動系統共振頻率的控制信號[11,15-18]。該方法雖然能夠防止控制系統本身激發滾珠絲杠的共振頻率,但無法抑制外部干擾激發的傳動系統共振頻率。此外陷波器的設置將顯著改變系統的相位特征,限制系統閉環帶寬。隨后一些研究者提出了主動阻尼與主動振動抑制控制方法。Erkorkm az等[11]和Kamalzadeh等[19]應用滑模變結構控制器,結合零極點配置技術,設計了一種滾珠絲杠主動振動抑制控制器,該控制器可以抑制低階共振頻率,與PID加陷波器的控制結構相比,顯著提高了傳動系統的動態性能和魯棒性能。一些研究證實,應用加速度計反饋配合前饋控制也是振動抑制行之有效的手段[20]。

針對軸向、徑向模態引起的工作臺游走,重點在于如何有效估計滾珠絲杠軸向、徑向以及扭轉變形量,如何根據估計值規劃數控指令或設計有效的前饋控制算法[19,21-23]。針對模型參數的時變特性與不確定性,Sym ens等[24]研究了變增益控制方法,并通過實驗驗證了該方法的有效性。Zhou等[18]研究了自適應陷波器在滾珠絲杠模態抑制中的應用,使用神經網絡構造陷波器參數與工作臺位置之間的函數關系,并通過仿真證明其控制方法存在一定的優越性。van Brussel等[5]將H∞控制應用于滾珠絲杠傳動伺服系統設計,通過實驗證明其具有優良的魯棒性,但是單純應用H∞控制時,傳動系統對外生干擾的抑制能力有限。自適應滑模變結構控制將自適應擾動觀測器與滑模變結構控制結合在一起,由滑模變結構控制保證伺服系統對模型不確定性的魯棒性,由自適應擾動觀測器估計外部擾動并生成補償信號以抑制外部擾動,自適應滑模變結構控制被證明同時具有較好的魯棒性與優良的外生干擾抑制性能,近幾年來得到了機床伺服系統設計領域專家的關注[19,21,25]。

2 電機直接驅動關鍵技術

與滾珠絲杠驅動技術相比,電機直接驅動系統無機械傳動鏈,可以從根本上避免傳動鏈彈性變形引起的動靜態誤差與振動問題,越來越多地在高檔數控機床中得到應用。電機直接驅動必須由力矩電機配合伺服控制系統共同實現,伺服控制系統的設計水平是決定該類傳動系統整體性能的關鍵因素之一。伺服控制系統的動靜態特性以及魯棒性能一直是影響整體傳動性能的重要指標。圍繞直驅伺服系統動靜態特性以及魯棒性的提高,近年來發展了多種伺服驅動技術。

直驅傳動系統由力矩電機直接帶動負載,對切削力、摩擦力等加工過程中的外生干擾力矩、加工過程中的工件質量變化等因素十分敏感,必須為其設計魯棒性強的伺服控制[26-28]。高帶寬、高魯棒性、強干擾抑制能力是此類伺服控制系統設計的技術難點。傳統PID加前饋的控制算法已經不能滿足愈來愈高的性能指標要求。近10年來,線性二次型最優控制[29-30]、H∞控制[26,31-34]、擾動觀測與前饋補償控制技術[35-37]、滑模變結構控制[31,36,38-39]以及自適應魯棒控制技術[40-42]在機床的直接驅動系統設計中得到了普遍重視。以上研究表明,應用自適應魯棒控制、擾動與模型不確定性觀測及其前饋補償技術、滑模變結構控制技術,可以獲得動態性能好、魯棒性強的控制器設計。而H∞控制性能取決于加權函數的設計,同時H∞控制基于對象的線性假設,將非線性因素看作系統不確定性進行處理,單獨使用 H∞控制固然可以獲得魯棒性能優良的控制器設計,但其性能指標過于保守,難以獲得滿意的控制效果。綜合以上控制技術各自優勢,開展混合型控制方法的研究是目前主要的技術發展趨勢。

3 宏微結合驅動與傳動新技術

粗精兩級驅動與傳動技術在過去的20年里得到了普遍重視。傳統的電、液驅動系統以及機械傳動裝置受到制造精度、傳動間隙、非線性摩擦以及機械結構共振頻率等因素的限制,定位精度與動態性能均有限。壓電陶瓷、音圈電機等微制動器與柔順機構相結合,可以得到無摩擦、高頻響的小行程精密定位機構。結合兩者優勢的粗精兩級宏微結合的傳動技術被公認為是較好的大行程、高精度、高頻響精密傳動技術解決方案,如宏微機器人操作手[43-48]、粗精兩級 XY坐標工作臺[49-52]等。海量數據存儲設備[53-57]也利用該原理設計數據讀寫裝置,利用MEMS技術制造的精級驅動器可實現高速尋址與跟蹤。

控制單元作為粗精兩級驅動與傳動的核心,起著對傳動、驅動部件進行精度控制和能量分配的作用。從近年來該領域的發展趨勢看,粗精兩級定位控制系統設計技術大體可分為兩類:多輸入多輸出(MIMO)設計技術和單輸入單輸出(SISO)設計技術。粗精定位工作臺動力學模型是典型的多輸入多輸出系統,因此M IMO設計方法,如LQG/LTR設計[57]以及奇異值分析與綜合技術[54]被證明是行之有效的解耦控制方法。此外,一些情況下,由于機械結構的配置和控制目標不同,粗精兩級工作臺間的相互作用可以忽略不計,這種情況下,SISO設計也能達到一定的控制效果。系統的輸入輸出關系還決定于系統的硬件配置,如一些應用中,末端位移與粗精兩級臺體間的相對位移均可得到,這種情況下可設計類似文獻[55]中的單輸入雙輸出的解耦控制器。除了動力學方面的考慮之外,精級傳動裝置通常行程有限,精級傳動裝置運動飽和是引起系統動態性能惡化的重要因素。文獻[58]針對這一問題提出了零運動解耦控制策略,并通過實驗證實該控制策略可以有效保證精級傳動裝置始終工作于有效工作區。該文獻同時提出了粗精兩級定位時間最優軌跡控制策略,在閉環控制器最優的假設下進一步提高定位跟蹤過程的快速響應能力。綜上所述,總結現有技術特征,粗精兩級驅動與傳動裝置的控制技術包含以下技術要點:

(1)粗級驅動與傳動裝置用于跟蹤期望的運動軌跡,精級驅動與傳動裝置用于校正因粗級驅動器帶寬限制造成的高頻跟蹤誤差;

(2)依據頻域回路成型分析技術原理,粗級控制器在低頻帶必須具備高增益,以響應控制指令輸入,精級控制器在高頻段應具有足夠高的增益,以補償高頻擾動引入的定位誤差;

(3)粗精兩級控制指令的生成需滿足運動解耦條件,避免精級傳動機構行程飽和;

(4)完成閉環控制器設計后,依據粗精兩級驅動傳動機構閉環動力學進行軌跡規劃設計,優化動態跟蹤性能。

隨著微電子、光電子、生物醫學、航空航天、先進制造、微/納制造等工程技術的快速發展,追求高傳動精度和高動態性能是未來新型傳動方式探索的主要目標。未來5～10年內,精密傳動技術研究面臨的需求是設計和制造柔性/柔順串并聯、宏微結合的多自由度有源傳動系統。該新型宏微結合驅動與傳動方式的動力學行為描述及其成因亟待深入研究,相應的運動、力和能量的解耦控制策略研究也有待解決。此外可以預見,粗級控制器需要具備優良的智能性與魯棒性,以適應柔性傳動引入的非線性動力學問題,提高各類外部擾動以及模型不確定性的抑制能力,降低精級傳動機構的行程要求與機構設計的復雜性;同時,由于精級多自由度柔順傳動機構支撐剛度和傳動柔度的限制,在高動態性能傳動指標要求下,在精級控制器不可避免地面臨機械振動問題,因而魯棒模態鎮定控制技術的研究具有重要意義。

4 智能刀具伺服技術

先進的金剛石切削技術使得亞微米級精度的類鏡面表面車削成為可能。傳統金剛石車削技術主要得益于高速主軸以及液體靜壓導軌的應用。為了進一步提高制造精度,國外學者提出了智能伺服刀具技術[59-60]。智能伺服刀具與相應的輔助控制算法相結合,具有高分辨率、高伺服剛度和快速動態響應的顯著技術特征。將智能伺服刀具應用于金剛石切削機床,可進行非軸對稱自由曲面車削,智能伺服刀具也可應用于大型立軸非球面鏡金剛石車削機床[61-63]。

典型智能伺服刀具的結構如圖1所示?，F階段可以用于智能伺服刀具的制動器主要有壓電陶瓷[60,62-64]、音圈電機[65]、正交磁場電磁制動器[66-67],支承軸系多采用無摩擦、高頻響的柔性鉸鏈機構或分布柔順機構。MIT大學Lu等[66-67]設計了正交磁場電磁制動器和多DSP多速率超高速伺服系統,并將其應用于金剛石車削智能刀具設計,達到了23kH z頻響和亞微米的動態定位精度,如圖2所示。圖3所示為瑞士ACTICUT公司的數控加工用智能刀具產品[68],其內部由機構、傳感器和驅動器構成,可用于精密數控車削,可以使生產率提高25%,表面質量提高75%,刀具夾具費用降低10%,切削過程噪聲減小90%。

智能刀具可用于超精密零件表面微觀輪廓加工和加工過程的顫振抑制。新型高速高剛度制動器、柔順支撐機構、超高速多DSP多速率伺服控制器設計、高速主軸溫度補償技術、高速主軸轉角位置標定技術、刀具伺服與高速主軸角位置協調控制與軌跡規劃技術是智能伺服刀具的技術核心。新型高剛度磁致伸縮制動器、電致伸縮制動器的研究為該技術領域的發展注入了新的活力。

圖1 智能伺服刀具結構特點

圖2 M IT設計的金剛石車削智能刀具及其驅動器

圖3 瑞士ACTUCUT公司的智能刀具

5 展望

隨著力學、材料、機械學科的不斷發展,以及傳感器、驅動、控制技術的不斷革新,高性能傳動部件越來越多地體現出機電一體化的特征。在未來的幾年中,開展機床傳動部件動力學特性和現代控制方法研究,進一步提高傳動的精度和動態性能,設計智能、可靠、經濟的高性能傳動部件,將成為該領域基礎和應用研究的主要內容。

可重構性作為機床柔性化設計需求的重要內容,要求機床各個部件具備即插即用的功能特性。這就需要機床的機械結構、功率傳動部件以及信息控制部件實現標準化設計。為了適應這一要求,傳動部件的設計必須符合機床整體設計的要求,向其他各功能部件提供標準化的機械、電子以及軟件接口。

從機電結合的觀點來看,在未來的發展中,工業機器人與數控機床之間的界限將會逐漸模糊。機床傳動系統的運動學機構設計創新,尤其是配套控制系統的體系結構的創新是一項重要研究內容。并聯傳動機構在大型加工中心中的應用將會繼續得到重視,而智能傳動機構、柔順傳動機構在機床工作臺、主軸傳動、刀具伺服以及高精度測量系統中的應用將會得到更多的關注。

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Current Status of Control Research on NCMachine Transmission Components

Fan Dapeng Fan Shixun Lu Yafei Zhang Lianchao
University of Defense Technology,Changsha,410073

Numerical control work tables and tool servos are the key transm ission components of advanced NCmachines.Current status of research on themodeling and controlof NCwork tablesand tool servosw ere reviewed herein,w hich included dynamic behavior analysismethod and control design method of ball-screw driven servomechanism,advanced controller design techniques for directdrive,novel techniques in coarse/fine dual stage d rive and transmission design and intelligent tool servos design.For each field,the development history w as reviewed,main contributions were surveyed,basic design princip leswere summarized,and the p rob lems w hich required further investigation w ere discussed,respectively.

numerical contro l(NC)machine;p recision;transmission control;current status

TG659

1004—132X(2011)11—1378—08

2011—01—13

國家自然科學基金資助項目(50875257)

(編輯 蘇衛國)

范大鵬(通訊作者),男,1964年生。國防科技大學機電工程與自動化學院教授、博士研究生導師。主要研究方向為數控技術、嵌入式系統以及精密光電跟蹤平臺測控技術。范世珣,男,1982年生。國防科技大學機電工程與自動化學院博士研究生。魯亞飛,男,1985年生。國防科技大學機電工程與自動化學院碩士研究生。張連超,男,1979年生。國防科技大學機電工程與自動化學院講師。