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2 4 组合机床与自动化加工技术 第 9期 根据仿真中的电机参数 ， 调节 位置环 P调节器 K 4 0 、 速度前馈系数 K 1 、 加速度前馈 系数 K 0 、 电流前馈系数 K 0 ． 0 0 1 6 、 加加速度前馈 系数 K 。 0时 ， 与图 3相同的梯形 给定信号下 ， 得到位置 跟踪误差的仿真曲线如图 6 a 所示。 I I I 久 V ⋯’ r ⋯ 一 13 ．8 A 一 ． 一． 1 A I 时间／ s h 目 轴电流 图 6 新型前馈控制结构下梯形响应仿真 曲线 加速段和减速段中 ．， d ，／ d t 的绝对值相等 ， 符 号相反 ； 曰 的符号不变。所 以， 仿真 中只要粘滞摩 擦系数 B≠0 ， 则加速过程和减速过程中， i 。 值略有不 同 ， 如 图 6 b中分 别为 3 ． 8 A 和 3 ． 5 A。从 而 造成 图 6 a 中， 在加速段 和减速段的位置跟随误差的稳定值 m 和 n的大小略有不 同。日值不等于零也 比较符合现 实情况， 但 值通常很小。适 当调整加速度前馈系 数 ， 可以达到 m和 n都接近于零。在仿真 中， 作者对 图 6 b中的减速过程中的 i 进行补偿 ， 补偿 电流值大 小为 2日 ， △ 方 0 补偿后得到位置跟随误差 的仿真结果如图 7所 示 。标 注 图 7的纵 坐 标 单 位 为 21 0 弧 度／ 格 。 图 7中位置跟踪误差的幅值是图 3所示位置跟踪误 差幅值的 1 5 0分之一。可见 ， 采用新型前馈控 制策 略， 可以大大提高交流伺服系统在加减速段的位置 跟 踪性 能 。 根据仿真分析 ， 图 7中的位置跟踪误 差幅值 的 来源是梯形给定信号中的加速度突变对系统的柔性 冲击 ， 如果需要进 一步降低图 7中的位置跟踪误差 幅值 ， 可 以在梯形给定信号 中采用 s曲线加减速 ， 避 免加 速度 突变 。 图 7 新型前馈控制结构并且减 速段 带有 电流补偿时梯形响应 仿真 曲线 3实验结果分析 分别将传统前馈控制结构和新型前馈控制结构 使用到平面加工设备 中， 例如割字机的进给轴交流 伺服驱动系统中， 得到实验结果如 图 8所示。图 8 b 中每个圆圈内的曲线轮廓都有部分 变形 ， 和进给轴 驱动系统的位置跟踪性能有关 。使用新型前馈控制 结构后 ， 变形得到了明显改善 ， 轮廓 曲线相对 比较平 滑 f a 1割字命令图案 c 新型前馈控制结构 F 割字效果 图 8 平面加工设备设备上实验结果 前馈控制已经在交流伺服 系统中得到广泛的应 用 。针对高性能交流伺服系统 ， 本文研究 了速度前 馈信号作用在速度 闭环给定信号上 ， 同时电流前馈 信号作用在 电流 闭环上 的新型前馈控制结构 ， 很 大 幅度地降低了加减速段 的位置跟踪误差。实验结果 也说明这种新结构具有较高的应用价值。 下转第 2 8页 一 一 _鬓 簪皤唰遥 ∞ 叭 O 叭 0 O 0 O O f J 一 搠 蟠蟹啊迥 2 8 组合 机床 与 自动化加 工技 术 第 9期 切 削点两 侧 由抱 紧装 置 支撑 ， 在 不 同抱 紧 刚度 下 切 削点 的动态 响应如 图 4所 示 。 1 O g 蒋 蜷 遥 蜒 譬 址 髫 7* h 自 惯l 搬 副 n 振动 - 扩 底 l 的横 ／ ～ C } I t 、 ～ √L 、 、 、 ～ ～ 、～ 图 4 不同抱紧刚度下切 削点动态 响应 由图 4可 知 ， 装 夹系统 中引入抱 紧装置后 ， 当其 抱 紧刚度 较小时 即 a 、 b段 ， 切 削点 响应 随抱 紧刚度 增 加而明显降低。 但当抱紧刚度增加至 7 ． 51 0 N IT ／ 时 即 c 点 ， 系统将发生低频 共振 ， 响应 明显 增大 。 比较 图 3与 图 4得 ， 两种状 况下 不 同支撑 或抱 紧 刚度 下切 削点 2 m处 的响应 幅值如表 1 所 示 由于 切 削点处 响应的两个方 向是同步的， 在表中只列出 y 方 向 的变 化 。 表 1 两种状况下切削的响应 无抱紧装 置 有抱紧装置 浮动支 Y向响 抱紧 Y向响 幅值变化 撑刚度 应幅值 刚度 应幅值 ／ N ．m一 l 0～m ／N m 1 0- 4 m 2 1 0 3． 8 7 2 1 O 2． 3 6 3 9 ． 0％ 6 1 0 2． 4 9 6 1 0 2． O 一 1 9 ． 7 ％ 1 1 0 2． 1 9 1 1 0 1 ． 6 4 2 5 ．1 ％ 4 l 0 1 ． 5 8 4 l O O． 8 6 4 5 ． 6 ％ 7 ． 5 1 0 2． 4 8 7 ． 5 1 0 1 ． 2 3 5 O ． 4％ 1 1 0 4． 9 1 1 0 O． 6 3 8 7 ．1 ％ 1 ． 5 1 O 5 O ．1 4 1 ． 5 1 0 O． 5 8 9 8 ． 8％ 2 x 1 0 1 4． O1 2 1 0 O． 4 9 7 ．1 ％ 4 1 O 5． 8 9 4 1 O 0． 3 9 4 ． 9％ 由表 1 得 ， 当系统 中引入 抱 紧装 置后 ， 浮 动支 撑 刚度取较小值 本文 中选取k 21 0 N I13 即可 实现大幅度降低 螺纹工件 加工过程中振 动的 目的， 引人抱紧装 置可以大幅度 的改善系统的动态性能， 而且在一定程度上降低在机床制造 中因制造高刚性 中间浮动支撑而带来的困难。 3 结束语 本 文运用 广义项 式 假设 模 态 法 建立 了大 型 螺纹 工件在断续周期性切削力作用下 ， 受卡盘、 中间浮动 支 撑 、 跟 随式 抱紧装 置 ， 以及尾 架 弹 性 约束 下 的 动力 学模型 ， 数值分析 了不 同中间浮动支撑和抱 紧刚度 下螺纹工件 的动态 响应。结果 表明 ①抱紧装置对 旋风 铣削加 工 中工 件 的动 态 响应 影 响显 著 。 当螺 纹 装夹系统中引入抱紧装 置后， 只需选取较小 的浮动 支撑刚度 的装置 ， 即可实现 降低 工件 响应 的效 果。 ②随着支撑 或抱 紧刚度 的增加， 当系统的 固有频率 与切 削力频 率一 致 时 ， 工 件 系统 将 发 生 低 频 的共 振 现象 ， 使得螺纹工件的动态响应增大。 [ 参考文献 ] [ I ]O u y a n g ，H_a n d M．Wa n g ，D y n a m i c s o f a R o t a t i n g S h a h S u b j e c t t o a T h r e e - D i r e c t i o n a l Mo v i n g L o a d [ J ] ．J o u r n a l o f Vi b r a t i o n a n d A c o u s t i c s ，2 0 0 7， 1 2 9 3 3 8 63 8 9 ． [ 2 ]H u a n g ，Y ． M．a n d M． L ．Y a n g ， D y n a m i c a n a l y s i s o f a r o t a t i n g b e a m s u b j e c t e d t o r e p e a t i n g a x i a l a n d t r a n s v e r s e f o r c e s f o r s i m u l a t i n g a l a t h i n g p r o c e s s [ J ] ．I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Me c h a n i c a l S c i e n c e s ， 2 0 0 9， 5 1 3 2 5 62 6 8 ． [ 3 ]E 1 一 S a e i d y ， F ． M． A ． ， F i n i t e E l e me n t D y n a m i c A n a l y s i s o f a Ro t a t i n g S h a h w i t h o r w i t h o u t No n l i n e a r B o u n d a Co n d i t i o n s S u b j e c t t o a Mo v i n g L o a d [ J ] ．N o n l i n e a r D y n a m i c s ， 2 0 0 0， 2 1 4 3 7 74 0 8 ． [ 4 ]S h i a u ， T ． N ．a n d K ． H ．H u a n g ，A n e w a p p r o a c h t o t h e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c o f u n d a m p e d r o t o r b e a r i n g s y s t e m s [ J ] ． AS ME， T r a n s a c t i o n s ， J o u r n a l o f Vi b r a t i o n， Ac o u s t i c s ， S t r e s s ，a n d Re l i a b i l i t y i n D e s i g n，1 9 8 9， 1 1 1 3 7 93 8 5 ． [ 5 ]罗银夫 ．用广义多项式展式法作 转子轴承 系统 的动力分 析[ J ] ．振动与冲击， 2 0 0 6 6 3 53 8 ． 编辑李秀敏 上接 第 2 4页 [ 参考文献] [ 1 ]赵希梅 ， 郭庆鼎 ， 孙宜标．最优 Z P E T C在数控机 床伺 服跟 踪控制中的应用研究[ J ] ．组合机床与自动化加工技术， 2 0 0 5 ， 4 5 3 5 8 ． [ 2 ]R L H E C K E R，G M F L O R E S ，Q X I E I R L H E C K E R，e t c ， ． SERV0C0NTR0L OF MACHI NE TOOLS A REVI EW [ J ] ．L a t i n A m e r i c a n A p p l i e d R e s e a r c h ．2 0 0 8 ， 3 8 1 8 5 9 4． [ 3 ]曲永 印， 赵希梅 ， 郭庆鼎 ， 等．永磁 同步 电动 机伺服 系统 自校 正零相位误 差跟踪 控制 [ J ] ．电工 技术 学报 ， 2 0 0 8 ， 2 3 1 6 06 4 ． [ 4 ]L e e ，C ．W．D e s i g n o f t h e T r a c k i n g C o n t r o l l e r f o r Ho l o g r a p h i c D i g i t a l D a t a S t o r a g e [ J ] ．I E E E ／ A S ME t r a n s a c t i o n s o n me c h a t r o n i c s ．2 0 1 0， 1 5 2 2 4 22 5 2． [ 5 ]滕福林 ， 胡育文 ， 刘洋 ， 等．位置／ 电流两闭环结 构位置伺 服系统 的跟 随 性 能研 究 [ j ] ．电 工技 术 学 报 ， 2 0 0 9 ， 2 4 1 0 ， 4 0 4 6 ． [ 6 ]胡庆波 ， 吕征宇．全数字伺服系统中位置前馈控制器的 设计 [ J ] ．电气传动 ， 2 0 0 5 ， 3 5 5 2 4 2 7 ． [ 7 ]李宏胜 ， 孙权 ， 张建华 ， 等．基 于前馈 控制 的数控 机床进 给运动轮廓 误差 分析 [ J ] ．设计 与研 究 ， 2 0 1 0， 2 9 1 5． [ 8 ]杨辉 ， 吴钦章 ， 范永 坤 ， 等．加速度前 馈在 高精 度伺服 跟 踪系统中的应用研 究 [ J ] ．光 电技 术应用 ， 2 0 0 7 ， 2 2 6 4 8 5 1 ． 编辑李秀敏
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