專利名稱：動梁式龍門機床雙驅同步機電耦合特性的建模方法
技術領域：
本發明涉及一種建模方法，具體涉及一種動梁式龍門機床雙驅同步機電耦合特性 的建模方法。
背景技術：
動梁式龍門機床的橫梁部分(或兩個立柱)由雙電機、雙絲杠共同驅動前進，而此 種龍門架結構由于兩軸的電氣參數、所受摩擦力不一致以及兩軸間的機械耦合作用產生了 雙驅兩軸的不同步誤差，此誤差不僅會使得機械結構產生變形，也會大幅度降低系統的運 動性能，因此，減小雙驅兩軸的不同步誤差成為動梁式龍門機床的主要關鍵技術。雙驅兩軸的摩擦力及機械耦合是影響雙驅兩軸不同步的主要因素，為實現雙驅兩 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同步控制的數學模型，描述 出摩擦力及機械耦合對雙驅同步誤差的影響，建立該模型的關鍵即是實現對雙驅兩軸速度 與力的解耦。在已有的雙電機共同驅動一個進給軸的數學模型中，有的簡單將傳動系統等效為 一個二階系統，采用系統辨識的方法確立模型的參數，雖能將雙驅機械耦合部分解耦，但不 能反映出控制系統的工作原理，有的雖根據理論分析建立出單軸傳動模型，但未建立兩軸 具機械耦合的控制模型部分，即未考慮兩軸所受摩擦力不同，及兩軸由于機械耦合產生的 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行解耦的方法，并將其應用 于雙驅同步系統建模，具有非常重要的意義。
發明內容
本發明的目的在于提供一種動梁式龍門機床雙驅同步機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同步控制模型，進而實現對雙驅兩軸同步的精確控 制。為達到上述目的，本發明采用的技術方案是步驟一采用單軸建模方法建立雙驅兩軸的傳動系統模型，得到第一軸驅動力F1 和第二軸驅動力F2 ；步驟二 以步驟一中得到的第一軸驅動力F1和第二軸驅動力F2為輸入，根據雙驅 同步結構的機械特性建立了機械耦合模型采用對雙驅兩電機共同驅動的耦合部分進行理論上的受力分析實現兩軸力與速 度的解耦，建立出兩軸的機械耦合模型，兩軸機械耦合的公式如下(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為第一軸驅動力，ffl為第一軸所受摩擦力，F2為第二軸驅動力，ff2為第二 軸所受摩擦力，M為橫梁質量，a為耦合部分的質心加速度，L1為主軸部分距主動軸的距離， L2為主軸部分距從主動軸的距離，L為雙驅兩軸間的距離，y為橫梁質心所移動位移，vx為 橫梁上負載運動的速度，Y1主動軸所移動位移，y2為從動軸所移動位移，DifT為兩軸的同步 誤差V1為第一軸速度，V1為第二軸速度，α為共同驅動的機械部分由于受力不同所產生的 偏擺角，Jmb為整個機械耦合部分相對于耦合部分的質心軸運動所產生的慣量；根據解耦出的兩軸的進給速度，采用摩擦力模型及辨識參數，計算出兩軸的摩擦 力，實現兩軸受力的解耦，兩軸摩擦力計算如下
//! = 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，Fsl為第一軸最大靜摩擦 力，Fs2為第二軸最大靜摩擦力，Fcl為第一軸庫倫摩擦力，F。2為第二軸庫倫摩擦力，Vsl為第 一軸摩擦力轉變的臨界速度，Vs2為第二軸摩擦力轉變的臨界速度，δ 1為第一軸經驗常數， δ 2為第二軸經驗常數，deltal為第一軸黏性摩擦系數，delta2為第二軸黏性摩擦系數，根 據式(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動的部分 (如橫梁)兩端受力不同，進而產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，進一步造成了兩軸 的不同步。因此建立兩軸機械耦合模型是建立準確模型的關鍵，是分析影響不同步誤差的 基礎，也是本發明的重點發明內容。本發明在考慮負載在橫梁之上運動的前提下，通過對耦合部分兩端的受力分析實 現了對雙驅兩軸速度的解耦計算，同時根據特定的摩擦力模型，利用解耦出的實際速度計 算出雙驅兩軸的摩擦力，該摩擦力因素是影響單軸控制精度主要因素之一。本發明通過將分別建立的雙驅兩軸的單軸控制模型與機械耦合模型進行整合，實 現了雙驅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 于工作臺的驅動推力，通過將雙驅兩軸各自的單軸控制模型的輸出代入機械耦合模型，實 現雙驅兩軸速度及受力的解耦，完成雙軸控制模型的建立。本發明基于理論分析實現了兩軸耦合部分力與速度的解耦，可以在控制原理上實現對同步誤差影響因素的定量分析。本發明中的解耦方法中考慮了負載在橫梁上運動的因素，可實現兩軸聯動運行時 對同步誤差影響的定量分析。根據本發明中的建模方法建立控制模型，便于實現，簡單明了，為提供減小同步誤 差的措施的提出作了理論基礎。
圖1雙驅同步控制模型框圖；圖2單軸工作臺傳動鏈分析圖；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橫梁運動位移圖；圖7實例中的機床各部分組成圖；圖8仿真與試驗結果圖。
具體實施例方式下面結合附圖及所建的一個完整的雙驅同步控制模型對本發明的實現方法做進 一步的詳細說明。本發明中，由于雙電機共同驅動耦合部分作單向的進給運動，其傳動系統的各部 分組成與單軸進給系統無太大差別，最主要的區別在于雙驅兩軸共同出力驅動一個運動部 件及兩軸之間的機械耦合作用，因此可以利用單軸進給系統的分析及建模方法建立兩軸控 制模型。首先建立單軸的進給系統傳動模型，然后考慮雙驅兩軸的機械耦合部分，進而建立 起雙驅控制模型。建立模型的另一個重要部分是模型中各個參數的確立，具體實例中以一 臺雙電機驅動橫梁式結構的三軸龍門銑床機床為例，如圖7實例中的機床各部分組成圖所 示工作臺1不動，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，橫梁4(X軸)可以在由雙電機驅動(Y軸和V軸)組成的導軌上往復運動， 據此，建立雙電機驅動具機械耦合工作臺的控制模型。如圖1雙驅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 分主動軸位置控制器(11)、從動軸位置控制器(21)、主動軸速度環(12)、從動軸速度環 (22)、主動軸電流環(13)、從動軸電流環(23)、主動軸絲杠(14)、從動軸絲杠(M)、主動軸 摩擦力模型(1 、從動軸摩擦力模型0 、兩軸機械耦合模型( 。位于數控系統內部的主 動軸位置控制器(11)、從動軸位置控制器產生的速度指令信號送給主從動軸交流伺 服電機的主動軸速度環(12)、從動軸速度環(22)、然后經主動軸電流環(13)、從動軸電流 環產生力矩控制輸出，同時由電機碼盤檢測出的速度信號作為主動軸速度環(12)、從 動軸速度環0 的速度反饋進行速度閉環控制，由電機產生的扭矩輸出分別提供給主動 軸絲杠(14)、從動軸絲杠04)旋轉運動推動主從動軸工作臺，進而通過兩軸機械耦合模型 (5)對兩軸速度進行解耦，建立起主動軸摩擦力模型(15)、從動軸摩擦力模型(25)，同時將 兩軸的位置反饋回饋到數控系統中作位置閉環控制。
1、建立單軸的控制模型1)機械傳動部分模型的建立雙驅兩軸中的一個電機、絲杠、工作臺為例(另一軸與其一致)。通過對單軸控制 部分及機械部分的傳動分析，如圖2單軸工作臺傳動鏈分析圖所示，由力矩平衡原理則可 得機械部分的傳動模型關系式如式(1)所示，
權利要求
1.動梁式龍門機床雙驅同步機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兩軸的傳動系統模型，得到第一軸驅動力F1和第 二軸驅動力F2 ；步驟二 以步驟一中得到的第一軸驅動力F1和第二軸驅動力F2為輸入，根據雙驅同步 結構的機械特性建立了機械耦合模型采用對雙驅兩電機共同驅動的耦合部分進行理論上的受力分析實現兩軸力與速度的 解耦，建立出兩軸的機械耦合模型，兩軸機械耦合的公式如下(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為第一軸驅動力，ffl為第一軸所受摩擦力，F2為第二軸驅動力，ff2為第二軸所 受摩擦力，M為橫梁質量，a為耦合部分的質心加速度，L1為主軸部分距主動軸的距離，L2為 主軸部分距從主動軸的距離，L為雙驅兩軸間的距離，y為橫梁質心所移動位移，Vx為橫梁 上負載運動的速度，Y1主動軸所移動位移，y2為從動軸所移動位移，Diff為兩軸的同步誤差 V1為第一軸速度，V1為第二軸速度，α為共同驅動的機械部分由于受力不同所產生的偏擺 角，Jmb為整個機械耦合部分相對于耦合部分的質心軸運動所產生的慣量；根據解耦出的兩軸的進給速度，采用摩擦力模型及辨識參數，計算出兩軸的摩擦力，實 現兩軸受力的解耦，兩軸摩擦力計算如下'/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，Fsl為第一軸最大靜摩擦力，Fs2 為第二軸最大靜摩擦力，Fcl為第一軸庫倫摩擦力，F。2為第二軸庫倫摩擦力，vs1為第一軸摩 擦力轉變的臨界速度，vs2為第二軸摩擦力轉變的臨界速度，Sl為第一軸經驗常數，δ2為 第二軸經驗常數，deltal為第一軸黏性摩擦系數，delta2為第二軸黏性摩擦系數，根據式 (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
本發明公開了一種動梁式龍門機床雙驅同步機電耦合特性的建模方法。解決了動梁式龍門機床耦合部分機械特性的解耦及建模問題，其關鍵在于考慮了動梁式龍門機床的負載在橫梁之上運動的因素，解決了雙驅兩軸耦合部分的速度與力的解耦問題。本發明中所述的建模方法能精確反映雙驅兩軸同步運動時的機械特性的實際情況，揭示出影響雙軸不同步誤差的主要因素，為提出減小雙驅不同步誤差措施提供理論依據。
文檔編號B23Q5/00GK102059573SQ20101053795
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月10日 優先權日2010年11月10日
發明者何仲云, 李玉霞, 楊清宇, 程瑤, 趙萬華 申請人:西安交通大學