專(zhuān)利名稱(chēng)：動(dòng)梁式龍門(mén)機(jī)床雙驅(qū)同步機(jī)電耦合特性的建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種建模方法，具體涉及一種動(dòng)梁式龍門(mén)機(jī)床雙驅(qū)同步機(jī)電耦合特性 的建模方法。
背景技術(shù)：
動(dòng)梁式龍門(mén)機(jī)床的橫梁部分(或兩個(gè)立柱)由雙電機(jī)、雙絲杠共同驅(qū)動(dòng)前進(jìn)，而此 種龍門(mén)架結(jié)構(gòu)由于兩軸的電氣參數(shù)、所受摩擦力不一致以及兩軸間的機(jī)械耦合作用產(chǎn)生了 雙驅(qū)兩軸的不同步誤差，此誤差不僅會(huì)使得機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，也會(huì)大幅度降低系統(tǒng)的運(yùn) 動(dòng)性能，因此，減小雙驅(qū)兩軸的不同步誤差成為動(dòng)梁式龍門(mén)機(jī)床的主要關(guān)鍵技術(shù)。雙驅(qū)兩軸的摩擦力及機(jī)械耦合是影響雙驅(qū)兩軸不同步的主要因素，為實(shí)現(xiàn)雙驅(qū)兩 軸的同步控制，減小兩軸同步誤差，需要建立起能精確描述雙驅(qū)同步控制的數(shù)學(xué)模型，描述 出摩擦力及機(jī)械耦合對(duì)雙驅(qū)同步誤差的影響，建立該模型的關(guān)鍵即是實(shí)現(xiàn)對(duì)雙驅(qū)兩軸速度 與力的解耦。在已有的雙電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)一個(gè)進(jìn)給軸的數(shù)學(xué)模型中，有的簡(jiǎn)單將傳動(dòng)系統(tǒng)等效為 一個(gè)二階系統(tǒng)，采用系統(tǒng)辨識(shí)的方法確立模型的參數(shù)，雖能將雙驅(qū)機(jī)械耦合部分解耦，但不 能反映出控制系統(tǒng)的工作原理，有的雖根據(jù)理論分析建立出單軸傳動(dòng)模型，但未建立兩軸 具機(jī)械耦合的控制模型部分，即未考慮兩軸所受摩擦力不同，及兩軸由于機(jī)械耦合產(chǎn)生的 相互作用力的影響，因此提出一種基于理論分析將耦合部分進(jìn)行解耦的方法，并將其應(yīng)用 于雙驅(qū)同步系統(tǒng)建模，具有非常重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種動(dòng)梁式龍門(mén)機(jī)床雙驅(qū)同步機(jī)電耦合特性的建模方法， 基于此方法可建立出基于理論的雙驅(qū)同步控制模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)雙驅(qū)兩軸同步的精確控 制。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是步驟一采用單軸建模方法建立雙驅(qū)兩軸的傳動(dòng)系統(tǒng)模型，得到第一軸驅(qū)動(dòng)力F1 和第二軸驅(qū)動(dòng)力F2 ；步驟二 以步驟一中得到的第一軸驅(qū)動(dòng)力F1和第二軸驅(qū)動(dòng)力F2為輸入，根據(jù)雙驅(qū) 同步結(jié)構(gòu)的機(jī)械特性建立了機(jī)械耦合模型采用對(duì)雙驅(qū)兩電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)的耦合部分進(jìn)行理論上的受力分析實(shí)現(xiàn)兩軸力與速 度的解耦，建立出兩軸的機(jī)械耦合模型，兩軸機(jī)械耦合的公式如下(F1-Ffl)+ (F2-Ff2) =Ma(11)
y = / / adt(12)
L1 = / vxdt(13)
L2 — L-L1(14)
(F1-Ffl) L1- (F2-ff2) L2 = Jmb α(15)
Y1 ^ y+Li α(16)
V1=^(17)
aty2 ^y-L2 α(18)
V =^(19)
2 dt V ‘ Diff = J1-J2(20)其中F1為第一軸驅(qū)動(dòng)力，ffl為第一軸所受摩擦力，F(xiàn)2為第二軸驅(qū)動(dòng)力，ff2為第二 軸所受摩擦力，M為橫梁質(zhì)量，a為耦合部分的質(zhì)心加速度，L1為主軸部分距主動(dòng)軸的距離， L2為主軸部分距從主動(dòng)軸的距離，L為雙驅(qū)兩軸間的距離，y為橫梁質(zhì)心所移動(dòng)位移，vx為 橫梁上負(fù)載運(yùn)動(dòng)的速度，Y1主動(dòng)軸所移動(dòng)位移，y2為從動(dòng)軸所移動(dòng)位移，DifT為兩軸的同步 誤差V1為第一軸速度，V1為第二軸速度，α為共同驅(qū)動(dòng)的機(jī)械部分由于受力不同所產(chǎn)生的 偏擺角，Jmb為整個(gè)機(jī)械耦合部分相對(duì)于耦合部分的質(zhì)心軸運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的慣量；根據(jù)解耦出的兩軸的進(jìn)給速度，采用摩擦力模型及辨識(shí)參數(shù)，計(jì)算出兩軸的摩擦 力，實(shí)現(xiàn)兩軸受力的解耦，兩軸摩擦力計(jì)算如下
//! = Fcl +(Fl-FJe-^si +deltalM(21)
If2=Fc2+(Fs2-Fcl)e^r +deltal-vl(22)其中ffl為第一軸所受摩擦力，ff2為第二軸所受摩擦力，F(xiàn)sl為第一軸最大靜摩擦 力，F(xiàn)s2為第二軸最大靜摩擦力，F(xiàn)cl為第一軸庫(kù)倫摩擦力，F(xiàn)。2為第二軸庫(kù)倫摩擦力，Vsl為第 一軸摩擦力轉(zhuǎn)變的臨界速度，Vs2為第二軸摩擦力轉(zhuǎn)變的臨界速度，δ 1為第一軸經(jīng)驗(yàn)常數(shù)， δ 2為第二軸經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，deltal為第一軸黏性摩擦系數(shù)，delta2為第二軸黏性摩擦系數(shù)，根 據(jù)式(22)得出兩軸的摩擦力，代入模型中完成模型的仿真。在雙驅(qū)同步控制模型的建立中，主要是兩軸的摩擦力不同而兩軸共同驅(qū)動(dòng)的部分 (如橫梁)兩端受力不同，進(jìn)而產(chǎn)生了該部分兩端的位移不一致，造成了位置偏斜，而該位 置偏斜又進(jìn)一步造成了兩軸互相拉扯，耦合部分兩端受力更加不一致，進(jìn)一步造成了兩軸 的不同步。因此建立兩軸機(jī)械耦合模型是建立準(zhǔn)確模型的關(guān)鍵，是分析影響不同步誤差的 基礎(chǔ)，也是本發(fā)明的重點(diǎn)發(fā)明內(nèi)容。本發(fā)明在考慮負(fù)載在橫梁之上運(yùn)動(dòng)的前提下，通過(guò)對(duì)耦合部分兩端的受力分析實(shí) 現(xiàn)了對(duì)雙驅(qū)兩軸速度的解耦計(jì)算，同時(shí)根據(jù)特定的摩擦力模型，利用解耦出的實(shí)際速度計(jì) 算出雙驅(qū)兩軸的摩擦力，該摩擦力因素是影響單軸控制精度主要因素之一。本發(fā)明通過(guò)將分別建立的雙驅(qū)兩軸的單軸控制模型與機(jī)械耦合模型進(jìn)行整合，實(shí) 現(xiàn)了雙驅(qū)兩軸速度及受力的解耦，建立了雙軸控制模型。其中單軸控制模型的輸出為作用 于工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)推力，通過(guò)將雙驅(qū)兩軸各自的單軸控制模型的輸出代入機(jī)械耦合模型，實(shí) 現(xiàn)雙驅(qū)兩軸速度及受力的解耦，完成雙軸控制模型的建立。本發(fā)明基于理論分析實(shí)現(xiàn)了兩軸耦合部分力與速度的解耦，可以在控制原理上實(shí)現(xiàn)對(duì)同步誤差影響因素的定量分析。本發(fā)明中的解耦方法中考慮了負(fù)載在橫梁上運(yùn)動(dòng)的因素，可實(shí)現(xiàn)兩軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)行時(shí) 對(duì)同步誤差影響的定量分析。根據(jù)本發(fā)明中的建模方法建立控制模型，便于實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)單明了，為提供減小同步誤 差的措施的提出作了理論基礎(chǔ)。


圖1雙驅(qū)同步控制模型框圖；圖2單軸工作臺(tái)傳動(dòng)鏈分析圖；圖3Stribeck 曲線圖；圖4兩軸摩擦力模型曲線圖；圖5橫梁受力分析圖；圖6橫梁運(yùn)動(dòng)位移圖；圖7實(shí)例中的機(jī)床各部分組成圖；圖8仿真與試驗(yàn)結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及所建的一個(gè)完整的雙驅(qū)同步控制模型對(duì)本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方法做進(jìn) 一步的詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明中，由于雙電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)耦合部分作單向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，其傳動(dòng)系統(tǒng)的各部 分組成與單軸進(jìn)給系統(tǒng)無(wú)太大差別，最主要的區(qū)別在于雙驅(qū)兩軸共同出力驅(qū)動(dòng)一個(gè)運(yùn)動(dòng)部 件及兩軸之間的機(jī)械耦合作用，因此可以利用單軸進(jìn)給系統(tǒng)的分析及建模方法建立兩軸控 制模型。首先建立單軸的進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)模型，然后考慮雙驅(qū)兩軸的機(jī)械耦合部分，進(jìn)而建立 起雙驅(qū)控制模型。建立模型的另一個(gè)重要部分是模型中各個(gè)參數(shù)的確立，具體實(shí)例中以一 臺(tái)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)橫梁式結(jié)構(gòu)的三軸龍門(mén)銑床機(jī)床為例，如圖7實(shí)例中的機(jī)床各部分組成圖所 示工作臺(tái)1不動(dòng)，由第一立柱2和第二立柱3撐起橋架，主軸箱(Z軸)可以在橫梁4上(X 軸)方向移動(dòng)，橫梁4(X軸)可以在由雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)(Y軸和V軸)組成的導(dǎo)軌上往復(fù)運(yùn)動(dòng)， 據(jù)此，建立雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)具機(jī)械耦合工作臺(tái)的控制模型。如圖1雙驅(qū)同步控制模型框圖所示為所仿真模型的各部分模塊，模型括以下部 分主動(dòng)軸位置控制器(11)、從動(dòng)軸位置控制器(21)、主動(dòng)軸速度環(huán)(12)、從動(dòng)軸速度環(huán) (22)、主動(dòng)軸電流環(huán)(13)、從動(dòng)軸電流環(huán)(23)、主動(dòng)軸絲杠(14)、從動(dòng)軸絲杠(M)、主動(dòng)軸 摩擦力模型(1 、從動(dòng)軸摩擦力模型0 、兩軸機(jī)械耦合模型( 。位于數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部的主 動(dòng)軸位置控制器(11)、從動(dòng)軸位置控制器產(chǎn)生的速度指令信號(hào)送給主從動(dòng)軸交流伺 服電機(jī)的主動(dòng)軸速度環(huán)(12)、從動(dòng)軸速度環(huán)(22)、然后經(jīng)主動(dòng)軸電流環(huán)(13)、從動(dòng)軸電流 環(huán)產(chǎn)生力矩控制輸出，同時(shí)由電機(jī)碼盤(pán)檢測(cè)出的速度信號(hào)作為主動(dòng)軸速度環(huán)(12)、從 動(dòng)軸速度環(huán)0 的速度反饋進(jìn)行速度閉環(huán)控制，由電機(jī)產(chǎn)生的扭矩輸出分別提供給主動(dòng) 軸絲杠(14)、從動(dòng)軸絲杠04)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)推動(dòng)主從動(dòng)軸工作臺(tái)，進(jìn)而通過(guò)兩軸機(jī)械耦合模型 (5)對(duì)兩軸速度進(jìn)行解耦，建立起主動(dòng)軸摩擦力模型(15)、從動(dòng)軸摩擦力模型(25)，同時(shí)將 兩軸的位置反饋回饋到數(shù)控系統(tǒng)中作位置閉環(huán)控制。
1、建立單軸的控制模型1)機(jī)械傳動(dòng)部分模型的建立雙驅(qū)兩軸中的一個(gè)電機(jī)、絲杠、工作臺(tái)為例(另一軸與其一致)。通過(guò)對(duì)單軸控制 部分及機(jī)械部分的傳動(dòng)分析，如圖2單軸工作臺(tái)傳動(dòng)鏈分析圖所示，由力矩平衡原理則可 得機(jī)械部分的傳動(dòng)模型關(guān)系式如式(1)所示，
權(quán)利要求
1.動(dòng)梁式龍門(mén)機(jī)床雙驅(qū)同步機(jī)電耦合特性的建模方法，其特征在于 步驟一采用單軸建模方法建立雙驅(qū)兩軸的傳動(dòng)系統(tǒng)模型，得到第一軸驅(qū)動(dòng)力F1和第 二軸驅(qū)動(dòng)力F2 ；步驟二 以步驟一中得到的第一軸驅(qū)動(dòng)力F1和第二軸驅(qū)動(dòng)力F2為輸入，根據(jù)雙驅(qū)同步 結(jié)構(gòu)的機(jī)械特性建立了機(jī)械耦合模型采用對(duì)雙驅(qū)兩電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)的耦合部分進(jìn)行理論上的受力分析實(shí)現(xiàn)兩軸力與速度的 解耦，建立出兩軸的機(jī)械耦合模型，兩軸機(jī)械耦合的公式如下(Frffl)+ (F2-ff2) = Ma y = / / adt Ll = / v.dtL2 — L-L1(11) (12)(13)(14)(Frffl) L1-(F2-ff2) L2 = Jmb α Yi ^ Y+L1 α(15)V1=^i 1 dtY2 ^ Y-L2 αV2=^ 2 dtDiff = Y1-Y2(16)(18)(20)(17)(19)其中F1為第一軸驅(qū)動(dòng)力，ffl為第一軸所受摩擦力，F(xiàn)2為第二軸驅(qū)動(dòng)力，ff2為第二軸所 受摩擦力，M為橫梁質(zhì)量，a為耦合部分的質(zhì)心加速度，L1為主軸部分距主動(dòng)軸的距離，L2為 主軸部分距從主動(dòng)軸的距離，L為雙驅(qū)兩軸間的距離，y為橫梁質(zhì)心所移動(dòng)位移，Vx為橫梁 上負(fù)載運(yùn)動(dòng)的速度，Y1主動(dòng)軸所移動(dòng)位移，y2為從動(dòng)軸所移動(dòng)位移，Diff為兩軸的同步誤差 V1為第一軸速度，V1為第二軸速度，α為共同驅(qū)動(dòng)的機(jī)械部分由于受力不同所產(chǎn)生的偏擺 角，Jmb為整個(gè)機(jī)械耦合部分相對(duì)于耦合部分的質(zhì)心軸運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的慣量；根據(jù)解耦出的兩軸的進(jìn)給速度，采用摩擦力模型及辨識(shí)參數(shù)，計(jì)算出兩軸的摩擦力，實(shí) 現(xiàn)兩軸受力的解耦，兩軸摩擦力計(jì)算如下'/ι~(v/vsl+ deltabvlIf2=Fc2+(Fs2-Fc2)e^fl +deltaic!(21) (22)其中ffl為第一軸所受摩擦力，ff2為第二軸所受摩擦力，F(xiàn)sl為第一軸最大靜摩擦力，F(xiàn)s2 為第二軸最大靜摩擦力，F(xiàn)cl為第一軸庫(kù)倫摩擦力，F(xiàn)。2為第二軸庫(kù)倫摩擦力，vs1為第一軸摩 擦力轉(zhuǎn)變的臨界速度，vs2為第二軸摩擦力轉(zhuǎn)變的臨界速度，Sl為第一軸經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，δ2為 第二軸經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，deltal為第一軸黏性摩擦系數(shù)，delta2為第二軸黏性摩擦系數(shù)，根據(jù)式 (21) (22)得出兩軸的摩擦力，代入模型中完成模型的仿真。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種動(dòng)梁式龍門(mén)機(jī)床雙驅(qū)同步機(jī)電耦合特性的建模方法。解決了動(dòng)梁式龍門(mén)機(jī)床耦合部分機(jī)械特性的解耦及建模問(wèn)題，其關(guān)鍵在于考慮了動(dòng)梁式龍門(mén)機(jī)床的負(fù)載在橫梁之上運(yùn)動(dòng)的因素，解決了雙驅(qū)兩軸耦合部分的速度與力的解耦問(wèn)題。本發(fā)明中所述的建模方法能精確反映雙驅(qū)兩軸同步運(yùn)動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性的實(shí)際情況，揭示出影響雙軸不同步誤差的主要因素，為提出減小雙驅(qū)不同步誤差措施提供理論依據(jù)。
文檔編號(hào)B23Q5/00GK102059573SQ20101053795
公開(kāi)日2011年5月18日 申請(qǐng)日期2010年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月10日
發(fā)明者何仲云, 李玉霞, 楊清宇, 程瑤, 趙萬(wàn)華 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)