【摘 要】
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进给伺服系统是数控机床的重要组成部分,作为数控系统中精密的位置跟踪与定位系统,其运动精度和定位精度直接影响最终的加工精度和加工质量,直线电机进给伺服系统具有较高的定位精度并且能够实现高速进给,故广泛应用在各类高速高精密进给场合。由于直线电机进给系统取消了中间传动环节,推力谐波和切削力等外部干扰直接作用于电机动子上,对外部扰动更加敏感,同时直线电机的推力波动等非线性因素直接影响其运动精度。直线电机进
【基金项目】
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天津市自然科学基金项目（16JCYBJC19100）高速数控机床进给系统动态性能演化机理及误差补偿方法；
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进给伺服系统是数控机床的重要组成部分,作为数控系统中精密的位置跟踪与定位系统,其运动精度和定位精度直接影响最终的加工精度和加工质量,直线电机进给伺服系统具有较高的定位精度并且能够实现高速进给,故广泛应用在各类高速高精密进给场合。由于直线电机进给系统取消了中间传动环节,推力谐波和切削力等外部干扰直接作用于电机动子上,对外部扰动更加敏感,同时直线电机的推力波动等非线性因素直接影响其运动精度。直线电机进给系统是一个典型的复杂机电系统,输出的进给位移、速度和加速度不仅会影响机械系统的动态特性,也会影响伺服系统的动态特性,而伺服输出力特性的变化作用到机械环节,又会影响机械系统的动态特性。本文以直线电机进给系统为研究对象,对其机电耦合模型建立、特性仿真分析及实验进行研究,取得如下成果:（1）在分析永磁同步直线电机结构及工作原理基础上,采用拉格朗日麦克斯韦方程及能量守恒建立直线电机进给伺服进给系统刚柔-机电耦合数学模型;（2）采用ADAMS建立直线电机进给伺服系统机械结构刚体模型,然后通过有限元分析ANSYS生成关键部件的模态中性文件,将模态中性文件导入刚体模型且替换部分相应刚体部件,并考虑了关键部件的弹性变形、工作台结合面参数等非线性因素,建立了直线电机进给系统机械结构刚柔耦合模型;（3）在分析直线电机控制原理基础上,采用MATLAB/Simulink工具箱建立控制仿真模型,并采用非线性自适应遗传算法对三环PID控制参数进行优化;（4）运用ADAMS/Controls模块与MATLAB/Simulink构建了直线电机进给系统刚柔-机电耦合仿真模型,并对其控制参数影响直线电机进给伺服系统运动精度的规律进行仿真分析;另外采用非线性自适应遗传算法对该刚柔-机电耦合仿真模型的控制参数进行优化,对比分析了三种情况下（未优化、优化电机控制系统控制参数、优化刚柔-机电耦合模型的控制参数）阶跃响应和正弦响应,发现采用非线性自适应遗传算法对刚柔机电耦合模型控制参数进行优化后,系统控制效果更好,且系统的稳定时间较短、超调量也最低,同时正弦信号响应曲线峰值无超调,响应速度也较快。（5）实验研究了不同工作台负载对直线电机进给系统动态位移响应的影响以及不同进给速度下工作台的俯仰振动和扭摆振动,结合直线电机进给伺服系统机电耦合模型的仿真结果对模型有效性进行验证。本文建立的直线电机进给系统刚柔-机电耦合模型为研究其机电耦合机理,同时为高速高精密进给运动应用提供理论基础。
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