高速高精度機電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)/控制一體化設(shè)計模型的研究

易應(yīng)寬

摘 要：現(xiàn)代的機電系統(tǒng)對于各種基建工程情況和工程條件的動態(tài)精度都提出了越來越高的要求，而且要求的穩(wěn)定性也在相對提升。在傳統(tǒng)意義上會首先對機械部分進(jìn)行簡要的分析和設(shè)計，然后根據(jù)其進(jìn)行改革并做好系統(tǒng)控制的設(shè)計工作。但是因為機械系統(tǒng)的動力學(xué)特性，加之控制系統(tǒng)之間存在著相互的耦合情況，這會使得結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制參數(shù)會存在著一定的沖突，所以不能根據(jù)傳統(tǒng)的方法對機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，為了提升系統(tǒng)的性能，本研究主要分析高速高精度機電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，控制一體化的設(shè)計模型進(jìn)行簡要的分析，希望所得內(nèi)容能夠給相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用有價值的參考。

關(guān)鍵詞：高速高精度；機電系統(tǒng)；控制一體化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.199

0 引言

機電一體化的發(fā)展速度在不斷的提升，現(xiàn)在機電系統(tǒng)對于各種極限環(huán)境下的動態(tài)精度和穩(wěn)定性都提出了更高的要求。在高動態(tài)和高加速度等實際條件之下，制造裝備的系統(tǒng)性能對于機械系統(tǒng)靜態(tài)運行的精度產(chǎn)生重要的影響，所以分析高速高精度機電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，做好控制一體化設(shè)計模型的研究是十分重要的。

1 高速高精度機電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)/控制分析

機電系統(tǒng)參數(shù)并行的設(shè)計需要在一次優(yōu)化設(shè)計當(dāng)中對所有的結(jié)構(gòu)和控制參數(shù)的設(shè)計進(jìn)行完成。機電一體化的設(shè)計基礎(chǔ)是結(jié)構(gòu)/控制，其中應(yīng)該體現(xiàn)出建模的重要性。分析傳統(tǒng)的機電一體化，它們在設(shè)計的時候往往會針對一個具體的對象進(jìn)行建模，所以建模之后不具有通用性。進(jìn)行機械結(jié)構(gòu)的分析，采用有限元的方法對其進(jìn)行分析，分析結(jié)構(gòu)的散化能夠具有廣泛的代表性。在控制系統(tǒng)當(dāng)中會涉及到很多的參數(shù)，比如說傳感器的形狀和數(shù)量，這些都很難和結(jié)構(gòu)有限的元進(jìn)行緊密的結(jié)合。所以參照有限元的思想進(jìn)行一體化的建模，首先需要解決的就是控制系統(tǒng)如何和有限元進(jìn)行融合。為了有效地推導(dǎo)建立結(jié)構(gòu)/控制動力學(xué)方程，其需要做好兩個方面的假設(shè)工作。①對于傳感器和執(zhí)行器的質(zhì)量不納入計算；②對于信號的采集和反饋作用是實時動態(tài)的，對于信號的采集、處理、反饋到執(zhí)行的延長時間不納入計算[1]。控制系統(tǒng)的離散化處理，需要在結(jié)構(gòu)分析當(dāng)中將有限元的工具進(jìn)行合理利用。

2 高速高精度機電結(jié)構(gòu)/控制系統(tǒng)的控制技術(shù)原理分析

2.1 加減速技術(shù)分析

在此以機電數(shù)控機床為例，對良種加減速控制方法進(jìn)行分析，首先分析梯形加減速控制方法，它是一種容易實現(xiàn)的，而且機床的響應(yīng)速度相當(dāng)快具有較高的速度和效率。但是這也存在著明顯的不足，主要是因為它不能夠和伺服電機的特性進(jìn)行匹配，那么就很難使電機的特性得以充分的發(fā)揮。而且在加減速階段，其起點和終點的加速度都存在著跳變情況，這會使得機床運動產(chǎn)生一定的沖擊，對于機床運動的平穩(wěn)性以及軌道的精度會產(chǎn)生影響。部分系統(tǒng)會通過滑動平均的濾波器來進(jìn)行加速度跳變問題的解決，但這種減速控制方法一般用于啟停和進(jìn)退刀等輔助運行，對于經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)能夠更好的使用，但是對于高速高精度的數(shù)控系統(tǒng)卻不佳。s曲線加減速控制方法就是在進(jìn)行減速的時候，將加速度的導(dǎo)數(shù)作為常數(shù)，通過對加速度進(jìn)行控制以此來限制機床的沖擊和振動，通過加速度加加速度兩個物理量的參數(shù)進(jìn)行編程，能夠有效地實現(xiàn)柔性加速控制，它能夠有效地適應(yīng)機床的不同工況。完整的s曲線的加減速過程中，主要通過7個階段來構(gòu)成，這7個階段分別是，加加速段、勻加速段、減加速段、勻速段、加減速段和減減速度按。起點以及終點的速度主要和實際的加工路段長短來確定。s曲線加減速控制，其特點就是加減速階段，分別是加速度分段連續(xù)線形變化，但是在加減速階段的起點和終點主要為加加速度的突變，夠更好的對機床的沖擊進(jìn)行限制。所以這能夠更好的適用于高精度數(shù)控系統(tǒng)。如德國的PA8000、華中“世紀(jì)星”系列和大連光洋GTP8000E系列高檔數(shù)控系統(tǒng)等均具有S曲線加減速功能[3]。

2.2 連續(xù)短線段加工技術(shù)

曲線擬合法一般是通過一定的誤差范圍之內(nèi)，采用樣條曲線擬合來進(jìn)行原來輪廓信息的還原。它能夠?qū)⑦B續(xù)的短線條擬合成為一個光滑的曲線，更好地實現(xiàn)曲線直接的插補技術(shù)。在你和現(xiàn)行當(dāng)中可以劃分為多種，比如NURBS擬合以及無此參數(shù)樣條曲線等等。這種方法主要是前瞻的結(jié)合了容易實現(xiàn)的平滑度的控制，在整個你和過程當(dāng)中，樣條曲線的節(jié)點信息在計算起來較為復(fù)雜，不利于進(jìn)行線條的實現(xiàn)，所以一般主要采用離線擬合方法來進(jìn)行。為了更好地實現(xiàn)連續(xù)短線條的加工，以便于促進(jìn)其加工生長速度的控制，所以無論是采用任何的轉(zhuǎn)接方法，那么在進(jìn)行轉(zhuǎn)接口的速度限制以后，都必須的通過對軌跡的前瞻技術(shù)的規(guī)范來實現(xiàn)。真的基本思路就是在進(jìn)行插補的時候，預(yù)插一段距離。判斷此時的路徑是否需要提前加速，如果在減速段這段距離比所需要的理論距離較短，那么就需要對前瞻性的減速點的實際位置進(jìn)行確定，當(dāng)數(shù)控的系統(tǒng)進(jìn)行插補的時候，查不到該個減速點，就能夠自動實現(xiàn)減速，這能夠有效地對于各個轉(zhuǎn)接點的運行速度進(jìn)行滿足。但因為加工的軌跡存在任意性，而加減速的規(guī)律具有復(fù)雜性，所以前端算法的計算量往往比較大，因此其所研究的通用軌跡和計算高效、加減速最優(yōu)等都是目前的主要目標(biāo)。

此外還有參數(shù)曲線插補技，NURBS參數(shù)曲線插補是現(xiàn)代高檔數(shù)控系統(tǒng)的標(biāo)志性功能之一，目前國際上已有FANUC30i、Sinumerik840D和三菱等少數(shù)高檔數(shù)控系統(tǒng)支持NURBS插補，NUM公司的Axium Power數(shù)控系統(tǒng)支持多項式插補和NURBS插補，國內(nèi)廣數(shù)GSK21M等數(shù)控系統(tǒng)也具有樣條曲線插補功能。

3 結(jié)語

高速高精度的機電系統(tǒng)，對于現(xiàn)在知道也來說是一個發(fā)展的主流，分析并研究高速高精度的機電系統(tǒng)，能夠有效地為當(dāng)前的各個行業(yè)提供必要的發(fā)展支撐。高速高精度的運動控制系統(tǒng)和高性能的數(shù)控系統(tǒng)，這是關(guān)鍵技術(shù)，也是當(dāng)代運動控制理論和先進(jìn)微電子技術(shù)相結(jié)合的成果。在當(dāng)前環(huán)境不斷發(fā)展的背景之下，需要對先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行合理的應(yīng)用，將其應(yīng)用到高速高精度的機電系統(tǒng)的設(shè)計當(dāng)中，更好的提升機電系統(tǒng)的性能，以便于為工作和生活提供更好的服務(wù)，促進(jìn)我國生產(chǎn)力的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊培林，徐凱，薛沖沖，賈煥如.基于模型檢測的機電系統(tǒng)FMEA研究[J].機械工程學(xué)報，2014，20（13）：54-55.

[2]馬龍.公路機電系統(tǒng)的信息化管理[J].交通世界（建養(yǎng).機械），2016，02（14）：163-164.

[3]姜臻祺.上海軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成方案設(shè)計與應(yīng)用研究[J].地下工程與隧道，2015，11（04）：524-525.

[4]崔鴻雁.智慧交通中增強型MSTP傳輸解決方案探析[J].中國交通信息化，2016，03（04）：487-488.