基于模糊自适应pid控制的龙门移动式镗铣加工中心同步传动不一致性研究

基于模糊自适应pid控制的龙门移动式镗铣加工中心同步传动不一致性研究

1双轴间同步误差对加工中心的影响随着高速高精度喷丸加工技术的发展，对大型零件和几何形状复杂的表面进行了加工。龙门移动式镗铣加工中心克服了龙门固定式镗铣加工中心机床运动部件重量大,且受工作台长度以及工作场所的制约等限制,被广泛地应用重型高速高精度加工中。对于重型高精度的龙门移动式镗铣加工中心来说,尽管龙门两侧立柱采用两套完全相同的传动机构,但由于横梁、刀架等移动部件受力并不总是对称的,以及加工过程中各种不确定性扰动,使得双轴间产生所谓的同步误差,造成机械耦合,从而难以保证两立柱移动过程的高度一致性。这将导致同步进给精度的降低,使工件加工质量受到影响;如果同步误差过大,甚至会造成工件报废的严重后果,对于重型精密加工部件来说这是绝对不允许的。由此可见,本研究具有非常现实的意义。图1为两台直线电机驱动的龙门移动式镗铣加工中心示意图。本文将模糊自适应PID控制方案应用于双直线电机驱动的轴间反馈回路,对扰动下速度不同步引起的不平衡扭矩进行补偿。仿真研究结果表明,此种方案的鲁棒性和快速性优良,适于应用在同步控制中。2q轴动子保护直线永磁同步电机的d-q轴模型电压方程及磁链方程为⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪uq=Rsiq+λ˙q+πτvλdud=Rsiq+λ˙d−πτvλqλd=Ldid+λPMλq=Lqiq{uq=Rsiq+λ˙q+πτvλdud=Rsiq+λ˙d-πτvλqλd=Ldid+λΡΜλq=Lqiq式中Rs—动子电阻ud,uq—d,q轴动子电压id,iq—d,q轴动子电流v—动子速度Ld,Lq—d,q轴动子电感λd,λq—d,q轴动子磁链τ—极距λPM—定子永磁体励磁磁链对LPMSM进行矢量控制,使动子电流矢量与定子永磁体磁场在空间正交,即使id=0,则电磁推力Fe只与iq成正比Fe=3π2τλPMiq=kTiq(2)Fe=3π2τλΡΜiq=kΤiq(2)其中kT—推力系数运动方程Fe=kTiq=FL+FE+Dv+mdvdt(3)Fe=kΤiq=FL+FE+Dv+mdvdt(3)其中FL—负载阻力FE—端部效应产生的等效阻力D—粘滞摩擦系数m—动子及所带负载的质量3系统设计3.1系统结构特点本文采用主从结构,仅对主动电机使用位置控制,主动电机的位置控制器输出当作两直线电机的速度命令信号驱动,以实现单一自由度的定位系统结构原理如图2所示。此做法将提高控制系统的伺服频宽及耦合机械的安全性。另外,本文中应用的控制结构还有两个特点:(1)采用模糊自适应PID反馈补偿方法来达到同步。由于本文中所述的模糊控制器的模糊推理规则基于预先设定的规则表,不需要复杂的算法,因此控制器的运算较快,能够适应被控对象对快速性的要求。(2)引入速度前馈补偿,以提高速度回路的响应进而增强伺服性能,减小伺服落后。3.2pid建模(1)ki和ki本文中所采用的PID参数自适应的模糊控制器为二输入三输出形式。|e|和|ec|为输入,KP、KI和KD为输出。输入语言变量|e|和|ec|的论域均为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6},输出语言变量KP、KI和KD的论域均为{0,1,2,3,4,5,6},其隶属度函数分别如图3和图4所示。(2)模糊规则表的构建通过总结以往工程实际操作经验得到的PID参数调整原则可以得到输出变量KP、KI和KD的控制规则表。如图5～7所示。4模糊自适应pid控制效果本文在空载情况下,采用两台参数完全相同的直线电机进行了系统仿真,直线电机参数如下:m=11.0kg,D=1.2Ns/m,KT=25N/A,,Fen=300N,vn=1.0m/s,控制器参数由仿真确定。图8为在t=0.1s时,从动轴突加80N的阶跃扰动的情况下,模糊自适应PID控制与常规PID控制速度同步误差曲线的对比。由此可见本文所提方案响应速度快,鲁棒性好,位置同步误差可保证3～5μm的高精度要求。5模糊自适应pid控制本文在分析重型龙门移动式镗铣加工中心双直线电机驱动的两轴间不同步的主要原因的基础上,提出了模糊自适应