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PROC。 2015第二届国际 印度尼西亚信息技术与计算机与电气工程大会（ICITACEE）10月16 - 18日
车床主轴的鲁棒控制设计
M. Khairudin
电气工程教育部
日内瓦大学校园工程学院
印度尼西亚 日惹
摘要 - 本研究描述了车床主轴鲁棒性控制设计的发展。 动态的主轴由于切削深度的变化和时间的不确定导致了切割过程的变化。 而主轴的动力学模型是通过系统鉴定获得的。 所以找到一个基于非线性系统，使用实际数据时间系统的线性模型， 用于获得控制器合成使用的线性模型及其不确定性实时性系统的识别。 用所选的输入信号来获得输出和响应的数据，然后获取非线性系统执行识别以获得线性模型。本文提出了实用的设计步骤，其中包括了制定补偿器和预过滤条件以获得对主轴的鲁棒控制。此外，还研究和讨论了主轴切割的深度变化对工艺和动态特性的影响。
一 引言（主题1）
发展中国家在生产中的表现是基于高品质精密生产的数量，这些是设计适用于动力学特性稳定边界的控制技术所需要的。车床机床的结构由主轴系统组成，主轴系统与最终产品的质量和机床的整体生产率息息相关。数控机床的主轴由主电机旋转，主电机提供了切割工件的切削刀具所产生的切割力，而切削力直接影响了主轴精度。主轴的建模已经得到广泛的建立。
对于CNC车床主轴，精密车削的方法已经开始被研究，Martin和Ebrahimi研究了关于整个机床动力学主轴和轴进给子系统之间的回路关闭研究的铣削动作模型。
考虑了使用有限元分析的方法对由轴承的内外圈和两者之间的滚动元件组成的系统进行建模。通过应变和应力分析发现主轴等效交替应力和寿命，结果与分析结果吻合良好。Reddy和Sharan也使用有限元法对主轴进行建模和设计，以分析静态和动态特性。Shivakumar等人使用软件（Ansys）分析了由不同跨度分离的两个轴承支撑的主轴模型，其中用于主轴的材料是合金钢。
Sarwanto使用自调整PID方法来控制一个车床主轴。除此之外Harinto用模糊逻辑控制器进行分析。利用强大的系统作为控制器在动态有效载荷变化的地区进行调查。Salim为点火式火花发动机提供了强大的系统设计补偿器，采用自适应方法对车床加料范围进行了研究。
Van Dijk等人描述了利用综合推理来解决最重要的工艺参数（切削深度和主轴转速）的不确定性的鲁棒控制方法以保证鲁棒的稳定。Tu等人研究了在最高可能的进给速度且不会损坏切割机的情况下驱动磨机的鲁棒控制，从而使得波音公司的主轴在极其苛刻的高速加工生产线上大大减少了主轴故障。因此，本研究采用了一种使用QFT方法的鲁棒控制系统方法进行主轴转速控制设计。
本文介绍了基于QFT的主轴鲁棒控制设计和开发的系统识别，经研究表明QFT方法尚未被用于控制车床主轴，其中系统动力学由于切削负载的变化而具有不确定性。
二 机床主轴
在这项研究中主轴的实验设置如图一所示，试验装置由三个主要部件组成：主轴，传感器和处理器。主轴由主电机旋转，主电机提供了切割工件的切削刀具所产生的切割力，而切削力直接影响了主轴精度。
此次研究的设备是车床主轴，它是由输入为38伏和0.48千瓦的直流电机组成，最大角速度为每分钟800转。本研究中主轴的输入和输出为电压和角速度（rpm）
传感器是安装在电机上的轴编码器，主轴的设定点是基于车床性能与最大空间直径相关的最低位置，位置传感器可以由模数转换器（ADC）读取，此后可以通过计算机读取数据。
三 方法
本研究调查了主轴切削加工掺入深度的系统识别，就无切割过程中主轴转速条件而言对系统识别的性能进行评估。该方法选择性地构建主轴的系统识别，在本节中表明系统识别是基于Matlab进行的。系统识别界面使用Matlab识别工具。
基于主轴的单输入单输出（SISO）的切割过程的深度使用伪随机二进制序列（PRBS）方法，PRBS信号由移位寄存器产生，具有仿真和实验工作的反馈的功能，序列的最大长度为2N-1，其中N是移位寄存器中的单元数。值得注意的是，N个单元的移位寄存器的至少一个单元应该具有不等于零的逻辑值（通常使得N个单元的所有初始值都等于逻辑1）
另外ORBS的最重要元素的特征是等于N（脉冲数）的脉冲的最大持续时间，在选择PRBS进行系统识别时，应考虑这些属性，为了识别实验装置的稳态增益，持续时间至少一个脉冲（最大持续时间脉冲）必须比实验装置的上升时间更大。
系统识别过程是基于电动主轴与SISO系统的三种运行条件，通过输入动态随机数据进行识别的。使用动态范围的上限和下限的系统识别分别为28 Volt和24 Volt，而设置的PRBS位为0 1 1 1 1 1 1 1 1 1（从位0开始到第9）。本研究采用ARX模型结构，采样时间为16 ms。
四 结果与讨论
- 主轴系统识别
系统识别在Intel Pentium 1.80 GHz和2.00 GB RAM的Matlab和Simulink环境中实现，实验数据是通过收集转速器输出电压变化的形式获得的，传递函数的形式是通过Matlab程序识别数据获得的。用系统识别的结果进行测量主轴转速响应的实验工作。
对于无切削过程的主轴，传递函数可以写为：
|
G1 |
( s ) |
9.925 s 2 |
1794 s 1.424e005 |
|
s 3 137.5 s 2 |
2.487e004 s 1.648e005 |
除此之外主轴切割深度为0.2 mm的传递函数可以看作：
|
G2 |
( s ) |
6.191 s |
2 1049 s 7.6e004 |
(2) |
|
s 3 90.74 s 2 |
1.908e004 s 9.356e004 |
主轴的切割深度为0.5mm的传递函数可以如下：
|
G3 |
( s ) |
6.459 s 2 |
1158 s 8.873e004 |
(3) |
|
s 3 119.3 s 2 |
2.184e004 s 1.163e005 |
|
b s4 |
b s3 |
b s2 |
b s b |
|||||||
|
G3( s ) |
5 |
4 |
3 |
2 |
1 |
(4) |
||||
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a s5 |
a s4 |
a s3 |
a s2 |
a s a |
||||||
在本研究中将使用三阶系统，其一般形式可写为：
使用基于三阶最小范数误差的二阶系统，可以在表1中进行说明，根据这些数据，可以看出，使用三阶系统可以达到最小范数误差。
ORDE TRANSFER FUNCTION NORM
ERROR
1 b1=11.02, 1.57
a2=1, a1=12.81
2 b3=9.30, b2= 2336, b1= 320200, 1.56
a4=1, a3=138.8, a2=43920, a1=371100
3 b3=9.925, b2= 1794, b1= 142400, 1.56
a4=1, a3=137.5, a2= 24870, a1=164800
b5=7.885, b4=2393, b3=527700,
4 b2=53370000, b1=2540000000, 1.56
a6=1, a5=209, a4=65770, a3=5908000,
a2=573500000, a1=2935000000
（表一）
电动机主轴在时域的响应可以在图2中找到，在这项研究中，铝棒作为试样在车床上切割，初始直径为20 mm。为了研究切割深度对系统动态特性的影响，研究了各种切割深度的主轴，如图2。3显示，切割深度分别为0.2 mm和0.5 mm的时候，主轴速度响应的模拟和实验结果没有差异。系统识别过程是基于电动主轴与SISO系统的三种运行条件，通过输入动态随机数据进行识别的。使用动态范围的上限和下限的系统识别分别为28 Volt和24 Volt，而设置的PRBS位为0 1 1 1 1 1 1 1 1 1（从位0开始到第9）。本研究采用ARX模型结构，采样时间为16 ms。
应注意，主轴转速的角位置的稳态随着切削深度的增加而减小，结果还表明，系统的瞬态响应受到切割深度的增加的影响。随着切割深度的增加，系统表现出较低的稳态。
B.主轴定量反馈理论设计
在这项工作中，QFT方法被认为是确定补偿器和预过滤器增益的基础，因为这种方法可以提供高度的鲁棒性和设计灵活性。此外，它可以阐述性能的不稳定问题，这个问题可以用数值技术来解决。传感器是安装在电机上的轴编码器，主轴的设定点是基于车床性能与最大空间直径相关的最低位置，位置传感器可以由模数转换器（ADC）读取，此后可以通过计算机读取数据。
为了以SISO系统的形式获得主轴模型的参数不确定性，第一步是根据主轴条件分别对j和i的所有工厂输入和输出进行切割过程的深度变化。考虑主轴作为一个不确定的三阶系统：
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b s2 |
b s b |
||||||
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G( s ) |
3 |
2 |
1lt; 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[138008]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word |
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