高性能数控机床直线电机驱动系统关键技术研究

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本论文以直线电机驱动进给功能部件为研究对象，自主设计研发了面向车铣复合加工的直线电机驱动试验平台。论文的理论与实验研究工作始终贯穿于该试验平台的设计、优化、整机装配、数控调试、控制器参数优化、性能测试等各个环节，系统而深入地研究了直线电机驱动进给功能部件在现代数控机床中的设计技术、机床结构动力学建模与分析技术、直驱动进给伺服系统、机电耦合建模、误差补偿、数控编程等方面的内容。首先，采用模块化设计思想，完成了直线电机驱动的车铣复合加工机床的总体设计与规划，将机械系统划分为五大功能部件，包括45度斜置床身、主轴箱系统、并联刀架系统、Z轴系统和尾架。其中机床的Z轴为大推力直线电机驱动、X轴和B轴的运动由两台直线电机并联驱动实现；完成该双直线电机驱动的非对称式并联刀架的详细设计、机构运动学分析以及奇异分析，得出了机构奇异位形及刀具末端的位置正反解方程；基于灵巧度与刚度最优原则，对该并联刀架进行了尺寸优化设计；完成了整机的详细设计及关键零部件的优化设计；结合本试验平台的设计开发，综合讨论了直线电机应用的技术研究，包括直线电机的选型计算、冷却系统设计、制动与缓冲系统设计、高压气缸配重系统设计等；基于Siemens 840D系统，完成了直线电机驱动试验平台总体控制系统设计，完成了试验平台电气系统配置与连接，包括各进给轴的控制系统设计与整机的PLC程序设计。提出了一种适合现代高性能数控机床动力学分析的拓展传递矩阵法（E-TMM），该方法非常适用于刚柔耦合的多体动力学分析，将动力学建模的过程简化为程式化的建模与求解过程。论述了拓展传递矩阵法（E-TMM）的基本原理与建模思想；分析了基本元件动力学特性，并给出了其数学模型，包括结合面元件、空间振动刚体元件、柔性体元件。其中柔性体元件又包括3-D Timoshenko梁元件和有限元自由度缩减元件；给出了应用拓展传递矩阵法（E-TMM）进行系统动力学建模与求解的方法，同时也给出了拓展传递矩阵法（E-TMM）计算应用，包括固有频率的计算、主振型的计算以及原点/跨点动柔度的计算方法。综合应用了拓展传递矩阵法（E-TMM）对Z轴及并联刀架进行了动力学建模分析，得到了直线电机驱动的Z轴系统传递方程，建模中考虑了导板的柔性特性，并给出了系统频响函数的仿真与实验对比。应用了拓展传递矩阵法对并联刀架共包括11个刚体、14个结合面和1个Timoshenko梁的复杂对象进行动力学建模，并最终得到刀架的动力学模型。应用该动力学模型和一定的边界条件，给出了刀尖点处原点/跨点动柔度曲线的计算结果，并给出了实验对比，吻合较好。建模实例进一步表明E-TMM具有很好的工程使用价值和仿真精度。研究了直线电机驱动伺服系统的模型与动态特性分析。详细叙述了永磁同步直线电机的矢量控制模型并分析了SIMODRIVE 611D控制器的结构与基本框架；基于SIMODRIVE 611D控制器的结构，建立其Simulink仿真模型；细化了直线驱动系统运动部件的机械模型，分析了该细化模型的频域特性，分析了机械系统中各谐振峰值的产生原因；分析表明光栅尺读数头的连接会产生一个低频谐振峰，指出了读数头安装的优化设计方案；讨论了控制系统与机械系统的耦合关系及机械谐振对系统稳态响应的影响，仿真分析了电流输入点滤波器对抑制系统机械谐振的所用；总结了直线电机驱动伺服系统控制器参数优化的工程化方法。完成了直线电机试验平台物理样机的构建，并基于该物理样机进行了相关的实验研究，完成了相关的数控调试，达到预期的性能指标，其中Z轴定位精度达到±0.6μm，最大加速度达到5.9g，最高运行速度120m/min。进行了直线电机驱动系统的伺服刚度的仿真分析与试验研究，结合Siemens的系统结构，采用内部测试法测定系统伺服刚度；研究了现代数控机床的误差补偿技术，结合Siemens 840D系统，给出了840D系统的NC误差补偿方法，补偿后通过单光束系列激光多普勒干涉仪MCV-500测定Z轴定位精度，测试结果表明补偿效果非常明显，补偿前精度±20μm，补偿后±0.6μm；针对本论文所研制的混联机床下一步应用题目，提出了一种基于G代码-ADAMS联合运动学仿真的分析方法，并结合840D数控系统特点，探讨了联动轴指令的应用，可以方便的解决混联机床数控编程题目。