[发明专利]一种用于重型并联机床的双前馈控制系统

说明书

技术领域

本发明属于机械制造及控制领域，特别涉及重型并联机床实用化过程中的控制问题。

背景技术

重型制造装备是制造产业中的基础装备之一，在国防建设的重大工程实施中起着重要的作用，体现了一个国家极端制造能力和制造水平。工业现代化中所需的各类大型装备和设备，都离不开重型制造装备，如大型飞机、重型船舶、大型水电设备、核电站等，其中的大型锻压件，需要重型锻造机、模锻水压机等，而质量要求较高的大型工件则需要相应的重型数控机床进行加工。与锻造机和模锻水压机这些重型设备相比，重型数控机床对系统的响应性能和加工精度要求更高。

重型数控机床在加工过程中，需要承载巨大的载荷，为了保证加工的精度，机床机械结构部分必须具备承载能力大、刚度高的特点，另外由于运动部件惯性大，会导致机床的响应速度变慢。并联机构刚度高、承载能力大，因此利用并联机床开发重型并联机床具有一定的优势。

相同结构的重型并联机床与传统的中小型并联机床相比，其控制的复杂程度相差甚远。由于重型并联机床自身结构尺寸和质量都很大，运动时相应部件产生的惯性力就会很大，而且在加工过程中，运动部件在不同的加工位置、不同的速度和加速度情况下，动力学特性都会发生明显的变化，在高速、高加速运动下，由于动平台产生的大惯性力和切削过程中所受的切削力，各支链的受力变形也较大，从而导致整体的动态特性差，控制困难，很难实现高速、高加速运动，因此难以保证加工精度。利用传统的运动学控制方式无法补偿因动力学特性对机床运动所产生的影响，而且由于机床运动部件惯性大，以及存在摩擦，导致控制的响应性能较差，轨迹跟踪精度低。

图1为一台典型的重型并联机床，机床通过左右滑块1、2的运动带动机床动平台3的运动，动平台3与左右滑块1、2间通过杆件4进行连接。这种机床采用的传统动力学单前馈控制系统及控制原理如图2所示，该系统包括运动学逆解模块、由第一加法器、位置环控制器、第二加法器、速度环控制器、第三加法器和电流环控制器依次连接组成的运动学控制子系统、驱动力计算模块和动力学前馈补偿控制器；其中，运动学逆解模块的输出端分别与运动学控制子系统的输入端及驱动力计算模块的输入端相连，驱动力计算模块的输出端与动力学前馈补偿控制器的输入端相连，动力学前馈补偿控制器的输出端与运动学控制子系统的第三加法器相连；运动学逆解模块的输入端、运动学控制子系统输出端分别为动力学单前馈控制系统的输入端和输出端；控制对象分别与运动学控制子系统的第二、第三加法器相连构成速度控制环与电流控制环，动力学单前馈控制系统的输出端与运动学控制子系统的第一加法器相连构成位置控制环。

该系统的控制原理为：动力学单前馈控制系统的输入端接收数控指令，数控指令经运动学逆解模块后得到并联机床中左右滑块1、2的位移指令，位移指令经过位置环控制器、速度环控制器和电流环控制器后驱动机床的电机转动，带动滑块1、2运动，最终得到动平台3的位置。该控制系统通过动力学前馈补偿控制器补偿干扰力矩在电机输出端产生的影响。传统动力学单前馈控制系统在运动学控制子系统的基础上加入了动力学前馈补偿控制器，在一定程度上提高了机床的跟踪精度，但这种控制系统没有考虑机床运动过程中杆件4的变形情况，这种变形在重型机床中更为明显，杆件4的变形将导致动平台3的位置不精确，同时动力学前馈补偿控制器只能在一定程度上补偿干扰力矩的影响，没有考虑控制系统的相位延迟，不能进一步提高机床的轨迹精度。

目前还没有普遍适用于重型并联机床的高精度控制系统，针对重型并联机床的特点，提出相应的高精度控制系统对推广重型并联机床的应用具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出了一种用于重型并联机床的双前馈控制系统，主要用来解决重型并联机床在运动过程中所存在的变形以及运动精度低等问题，本系统在运动学逆解模块中考虑了杆件变形问题，并进行相应补偿，通过双前馈补偿，减小了干扰力矩的影响，消除控制系统的相位延迟，最终实现重型并联机床的高速、高精度控制。