高速高精度機(jī)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)/控制一體化設(shè)計(jì)模型的研究

易應(yīng)寬

摘 要：現(xiàn)代的機(jī)電系統(tǒng)對(duì)于各種基建工程情況和工程條件的動(dòng)態(tài)精度都提出了越來(lái)越高的要求，而且要求的穩(wěn)定性也在相對(duì)提升。在傳統(tǒng)意義上會(huì)首先對(duì)機(jī)械部分進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析和設(shè)計(jì)，然后根據(jù)其進(jìn)行改革并做好系統(tǒng)控制的設(shè)計(jì)工作。但是因?yàn)闄C(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性，加之控制系統(tǒng)之間存在著相互的耦合情況，這會(huì)使得結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制參數(shù)會(huì)存在著一定的沖突，所以不能根據(jù)傳統(tǒng)的方法對(duì)機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，為了提升系統(tǒng)的性能，本研究主要分析高速高精度機(jī)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，控制一體化的設(shè)計(jì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析，希望所得內(nèi)容能夠給相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用有價(jià)值的參考。

關(guān)鍵詞：高速高精度；機(jī)電系統(tǒng)；控制一體化

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

0 引言

機(jī)電一體化的發(fā)展速度在不斷的提升，現(xiàn)在機(jī)電系統(tǒng)對(duì)于各種極限環(huán)境下的動(dòng)態(tài)精度和穩(wěn)定性都提出了更高的要求。在高動(dòng)態(tài)和高加速度等實(shí)際條件之下，制造裝備的系統(tǒng)性能對(duì)于機(jī)械系統(tǒng)靜態(tài)運(yùn)行的精度產(chǎn)生重要的影響，所以分析高速高精度機(jī)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，做好控制一體化設(shè)計(jì)模型的研究是十分重要的。

1 高速高精度機(jī)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)/控制分析

機(jī)電系統(tǒng)參數(shù)并行的設(shè)計(jì)需要在一次優(yōu)化設(shè)計(jì)當(dāng)中對(duì)所有的結(jié)構(gòu)和控制參數(shù)的設(shè)計(jì)進(jìn)行完成。機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是結(jié)構(gòu)/控制，其中應(yīng)該體現(xiàn)出建模的重要性。分析傳統(tǒng)的機(jī)電一體化，它們?cè)谠O(shè)計(jì)的時(shí)候往往會(huì)針對(duì)一個(gè)具體的對(duì)象進(jìn)行建模，所以建模之后不具有通用性。進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的分析，采用有限元的方法對(duì)其進(jìn)行分析，分析結(jié)構(gòu)的散化能夠具有廣泛的代表性。在控制系統(tǒng)當(dāng)中會(huì)涉及到很多的參數(shù)，比如說(shuō)傳感器的形狀和數(shù)量，這些都很難和結(jié)構(gòu)有限的元進(jìn)行緊密的結(jié)合。所以參照有限元的思想進(jìn)行一體化的建模，首先需要解決的就是控制系統(tǒng)如何和有限元進(jìn)行融合。為了有效地推導(dǎo)建立結(jié)構(gòu)/控制動(dòng)力學(xué)方程，其需要做好兩個(gè)方面的假設(shè)工作。①對(duì)于傳感器和執(zhí)行器的質(zhì)量不納入計(jì)算；②對(duì)于信號(hào)的采集和反饋?zhàn)饔檬菍?shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的，對(duì)于信號(hào)的采集、處理、反饋到執(zhí)行的延長(zhǎng)時(shí)間不納入計(jì)算[1]?？刂葡到y(tǒng)的離散化處理，需要在結(jié)構(gòu)分析當(dāng)中將有限元的工具進(jìn)行合理利用。

2 高速高精度機(jī)電結(jié)構(gòu)/控制系統(tǒng)的控制技術(shù)原理分析

2.1 加減速技術(shù)分析

在此以機(jī)電數(shù)控機(jī)床為例，對(duì)良種加減速控制方法進(jìn)行分析，首先分析梯形加減速控制方法，它是一種容易實(shí)現(xiàn)的，而且機(jī)床的響應(yīng)速度相當(dāng)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?yàn)樗荒軌蚝退欧姍C(jī)的特性進(jìn)行匹配，那么就很難使電機(jī)的特性得以充分的發(fā)揮。而且在加減速階段，其起點(diǎn)和終點(diǎn)的加速度都存在著跳變情況，這會(huì)使得機(jī)床運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一定的沖擊，對(duì)于機(jī)床運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性以及軌道的精度會(huì)產(chǎn)生影響。部分系統(tǒng)會(huì)通過(guò)滑動(dòng)平均的濾波器來(lái)進(jìn)行加速度跳變問(wèn)題的解決，但這種減速控制方法一般用于啟停和進(jìn)退刀等輔助運(yùn)行，對(duì)于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)能夠更好的使用，但是對(duì)于高速高精度的數(shù)控系統(tǒng)卻不佳。s曲線(xiàn)加減速控制方法就是在進(jìn)行減速的時(shí)候，將加速度的導(dǎo)數(shù)作為常數(shù)，通過(guò)對(duì)加速度進(jìn)行控制以此來(lái)限制機(jī)床的沖擊和振動(dòng)，通過(guò)加速度加加速度兩個(gè)物理量的參數(shù)進(jìn)行編程，能夠有效地實(shí)現(xiàn)柔性加速控制，它能夠有效地適應(yīng)機(jī)床的不同工況。完整的s曲線(xiàn)的加減速過(guò)程中，主要通過(guò)7個(gè)階段來(lái)構(gòu)成，這7個(gè)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(diǎn)以及終點(diǎn)的速度主要和實(shí)際的加工路段長(zhǎng)短來(lái)確定。s曲線(xiàn)加減速控制，其特點(diǎn)就是加減速階段，分別是加速度分段連續(xù)線(xiàn)形變化，但是在加減速階段的起點(diǎn)和終點(diǎn)主要為加加速度的突變，夠更好的對(duì)機(jī)床的沖擊進(jìn)行限制。所以這能夠更好的適用于高精度數(shù)控系統(tǒng)。如德國(guó)的PA8000、華中“世紀(jì)星”系列和大連光洋GTP8000E系列高檔數(shù)控系統(tǒng)等均具有S曲線(xiàn)加減速功能[3]。

2.2 連續(xù)短線(xiàn)段加工技術(shù)

曲線(xiàn)擬合法一般是通過(guò)一定的誤差范圍之內(nèi)，采用樣條曲線(xiàn)擬合來(lái)進(jìn)行原來(lái)輪廓信息的還原。它能夠?qū)⑦B續(xù)的短線(xiàn)條擬合成為一個(gè)光滑的曲線(xiàn)，更好地實(shí)現(xiàn)曲線(xiàn)直接的插補(bǔ)技術(shù)。在你和現(xiàn)行當(dāng)中可以劃分為多種，比如NURBS擬合以及無(wú)此參數(shù)樣條曲線(xiàn)等等。這種方法主要是前瞻的結(jié)合了容易實(shí)現(xiàn)的平滑度的控制，在整個(gè)你和過(guò)程當(dāng)中，樣條曲線(xiàn)的節(jié)點(diǎn)信息在計(jì)算起來(lái)較為復(fù)雜，不利于進(jìn)行線(xiàn)條的實(shí)現(xiàn)，所以一般主要采用離線(xiàn)擬合方法來(lái)進(jìn)行。為了更好地實(shí)現(xiàn)連續(xù)短線(xiàn)條的加工，以便于促進(jìn)其加工生長(zhǎng)速度的控制，所以無(wú)論是采用任何的轉(zhuǎn)接方法，那么在進(jìn)行轉(zhuǎn)接口的速度限制以后，都必須的通過(guò)對(duì)軌跡的前瞻技術(shù)的規(guī)范來(lái)實(shí)現(xiàn)。真的基本思路就是在進(jìn)行插補(bǔ)的時(shí)候，預(yù)插一段距離。判斷此時(shí)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(duì)前瞻性的減速點(diǎn)的實(shí)際位置進(jìn)行確定，當(dāng)數(shù)控的系統(tǒng)進(jìn)行插補(bǔ)的時(shí)候，查不到該個(gè)減速點(diǎn)，就能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)減速，這能夠有效地對(duì)于各個(gè)轉(zhuǎn)接點(diǎn)的運(yùn)行速度進(jìn)行滿(mǎn)足。但因?yàn)榧庸さ能壽E存在任意性，而加減速的規(guī)律具有復(fù)雜性，所以前端算法的計(jì)算量往往比較大，因此其所研究的通用軌跡和計(jì)算高效、加減速最優(yōu)等都是目前的主要目標(biāo)。

此外還有參數(shù)曲線(xiàn)插補(bǔ)技，NURBS參數(shù)曲線(xiàn)插補(bǔ)是現(xiàn)代高檔數(shù)控系統(tǒng)的標(biāo)志性功能之一，目前國(guó)際上已有FANUC30i、Sinumerik840D和三菱等少數(shù)高檔數(shù)控系統(tǒng)支持NURBS插補(bǔ)，NUM公司的Axium Power數(shù)控系統(tǒng)支持多項(xiàng)式插補(bǔ)和NURBS插補(bǔ)，國(guó)內(nèi)廣數(shù)GSK21M等數(shù)控系統(tǒng)也具有樣條曲線(xiàn)插補(bǔ)功能。

3 結(jié)語(yǔ)

高速高精度的機(jī)電系統(tǒng)，對(duì)于現(xiàn)在知道也來(lái)說(shuō)是一個(gè)發(fā)展的主流，分析并研究高速高精度的機(jī)電系統(tǒng)，能夠有效地為當(dāng)前的各個(gè)行業(yè)提供必要的發(fā)展支撐。高速高精度的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和高性能的數(shù)控系統(tǒng)，這是關(guān)鍵技術(shù)，也是當(dāng)代運(yùn)動(dòng)控制理論和先進(jìn)微電子技術(shù)相結(jié)合的成果。在當(dāng)前環(huán)境不斷發(fā)展的背景之下，需要對(duì)先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行合理的應(yīng)用，將其應(yīng)用到高速高精度的機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，更好的提升機(jī)電系統(tǒng)的性能，以便于為工作和生活提供更好的服務(wù)，促進(jìn)我國(guó)生產(chǎn)力的發(fā)展。

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