高速高精度機電系統的結構/控制一體化設計模型的研究

易應寬

摘 要：現代的機電系統對于各種基建工程情況和工程條件的動態精度都提出了越來越高的要求，而且要求的穩定性也在相對提升。在傳統意義上會首先對機械部分進行簡要的分析和設計，然后根據其進行改革并做好系統控制的設計工作。但是因為機械系統的動力學特性，加之控制系統之間存在著相互的耦合情況，這會使得結構參數和控制參數會存在著一定的沖突，所以不能根據傳統的方法對機械系統和控制系統進行分析，為了提升系統的性能，本研究主要分析高速高精度機電系統的結構，控制一體化的設計模型進行簡要的分析，希望所得內容能夠給相關領域的應用有價值的參考。

關鍵詞：高速高精度；機電系統；控制一體化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.199

0 引言

機電一體化的發展速度在不斷的提升，現在機電系統對于各種極限環境下的動態精度和穩定性都提出了更高的要求。在高動態和高加速度等實際條件之下，制造裝備的系統性能對于機械系統靜態運行的精度產生重要的影響，所以分析高速高精度機電系統的結構，做好控制一體化設計模型的研究是十分重要的。

1 高速高精度機電系統的結構/控制分析

機電系統參數并行的設計需要在一次優化設計當中對所有的結構和控制參數的設計進行完成。機電一體化的設計基礎是結構/控制，其中應該體現出建模的重要性。分析傳統的機電一體化，它們在設計的時候往往會針對一個具體的對象進行建模，所以建模之后不具有通用性。進行機械結構的分析，采用有限元的方法對其進行分析，分析結構的散化能夠具有廣泛的代表性。在控制系統當中會涉及到很多的參數，比如說傳感器的形狀和數量，這些都很難和結構有限的元進行緊密的結合。所以參照有限元的思想進行一體化的建模，首先需要解決的就是控制系統如何和有限元進行融合。為了有效地推導建立結構/控制動力學方程，其需要做好兩個方面的假設工作。①對于傳感器和執行器的質量不納入計算；②對于信號的采集和反饋作用是實時動態的，對于信號的采集、處理、反饋到執行的延長時間不納入計算[1]?？刂葡到y的離散化處理，需要在結構分析當中將有限元的工具進行合理利用。

2 高速高精度機電結構/控制系統的控制技術原理分析

2.1 加減速技術分析

在此以機電數控機床為例，對良種加減速控制方法進行分析，首先分析梯形加減速控制方法，它是一種容易實現的，而且機床的響應速度相當快具有較高的速度和效率。但是這也存在著明顯的不足，主要是因為它不能夠和伺服電機的特性進行匹配，那么就很難使電機的特性得以充分的發揮。而且在加減速階段，其起點和終點的加速度都存在著跳變情況，這會使得機床運動產生一定的沖擊，對于機床運動的平穩性以及軌道的精度會產生影響。部分系統會通過滑動平均的濾波器來進行加速度跳變問題的解決，但這種減速控制方法一般用于啟停和進退刀等輔助運行，對于經濟型數控系統能夠更好的使用，但是對于高速高精度的數控系統卻不佳。s曲線加減速控制方法就是在進行減速的時候，將加速度的導數作為常數，通過對加速度進行控制以此來限制機床的沖擊和振動，通過加速度加加速度兩個物理量的參數進行編程，能夠有效地實現柔性加速控制，它能夠有效地適應機床的不同工況。完整的s曲線的加減速過程中，主要通過7個階段來構成，這7個階段分別是，加加速段、勻加速段、減加速段、勻速段、加減速段和減減速度按。起點以及終點的速度主要和實際的加工路段長短來確定。s曲線加減速控制，其特點就是加減速階段，分別是加速度分段連續線形變化，但是在加減速階段的起點和終點主要為加加速度的突變，夠更好的對機床的沖擊進行限制。所以這能夠更好的適用于高精度數控系統。如德國的PA8000、華中“世紀星”系列和大連光洋GTP8000E系列高檔數控系統等均具有S曲線加減速功能[3]。

2.2 連續短線段加工技術

曲線擬合法一般是通過一定的誤差范圍之內，采用樣條曲線擬合來進行原來輪廓信息的還原。它能夠將連續的短線條擬合成為一個光滑的曲線，更好地實現曲線直接的插補技術。在你和現行當中可以劃分為多種，比如NURBS擬合以及無此參數樣條曲線等等。這種方法主要是前瞻的結合了容易實現的平滑度的控制，在整個你和過程當中，樣條曲線的節點信息在計算起來較為復雜，不利于進行線條的實現，所以一般主要采用離線擬合方法來進行。為了更好地實現連續短線條的加工，以便于促進其加工生長速度的控制，所以無論是采用任何的轉接方法，那么在進行轉接口的速度限制以后，都必須的通過對軌跡的前瞻技術的規范來實現。真的基本思路就是在進行插補的時候，預插一段距離。判斷此時的路徑是否需要提前加速，如果在減速段這段距離比所需要的理論距離較短，那么就需要對前瞻性的減速點的實際位置進行確定，當數控的系統進行插補的時候，查不到該個減速點，就能夠自動實現減速，這能夠有效地對于各個轉接點的運行速度進行滿足。但因為加工的軌跡存在任意性，而加減速的規律具有復雜性，所以前端算法的計算量往往比較大，因此其所研究的通用軌跡和計算高效、加減速最優等都是目前的主要目標。

此外還有參數曲線插補技，NURBS參數曲線插補是現代高檔數控系統的標志性功能之一，目前國際上已有FANUC30i、Sinumerik840D和三菱等少數高檔數控系統支持NURBS插補，NUM公司的Axium Power數控系統支持多項式插補和NURBS插補，國內廣數GSK21M等數控系統也具有樣條曲線插補功能。

3 結語

高速高精度的機電系統，對于現在知道也來說是一個發展的主流，分析并研究高速高精度的機電系統，能夠有效地為當前的各個行業提供必要的發展支撐。高速高精度的運動控制系統和高性能的數控系統，這是關鍵技術，也是當代運動控制理論和先進微電子技術相結合的成果。在當前環境不斷發展的背景之下，需要對先進技術進行合理的應用，將其應用到高速高精度的機電系統的設計當中，更好的提升機電系統的性能，以便于為工作和生活提供更好的服務，促進我國生產力的發展。

參考文獻：

[1]楊培林，徐凱，薛沖沖，賈煥如.基于模型檢測的機電系統FMEA研究[J].機械工程學報，2014，20（13）：54-55.

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