数控机床切削力负载模拟器的显式力控制算法设计

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1、数控机床切削力负载模拟器的显式力控制算法设计米樊锐，万英和，王丹，郭江真(北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京100191)[摘要】为了对数控机床进行可靠性试验，设计了一种基于3P一(4S)并联机构的负载模拟器。基于PI反馈控制的显式力控制算法，并引入了模糊控制器，提高系统对不同加载误差的适应性。在控制系统中引入了力前馈控制器，提高控制系统的动态性能，减少实际加载力的滞后。同时，由于加栽目标即机床主轴的进给运动轨迹未知，因此引入了主轴位置预测前馈以进行运动补偿，减少主轴运动所带来的干扰。最后设计并实施了静态与动态负载模拟试验，验证了所提控制算法的有效性。关

2、键词：并联机构；模糊PI控制器；力控制；多维力加载DoI：10．16080a．issnl671—833x．2017．06．016樊锐北京航空航天大学教授，博士，主要研究方向为数控技术、传感器技术、机电控制及自动化等。1992年起参与组织InternationalConferenceontheProgressofCuttingTechnology(加工技术进展国际会议)，历任秘书长、副主席、主席等职位。*基金项目：国家自然科学基金(51305013o16航空制造技术·2017年第6期可靠性试验是评价和提高数控机床可靠性的重要技术手段⋯。目前数控机床的可靠性试验主要

3、有整机的现场可靠性试验和核心功能部件的实验室台架可靠性试验。但整机的现场可靠性试验低效、试验条件难以控制且工作环境艰苦。而对于功能部件的实验室台架可靠性试验则难以评估机床的整机可靠性口】。所以现阶段需要一种对数控机床整机进行实验室台架可靠性试验的方案。目前研究中p。】，负载模拟器可实现对运动目标进行随动加载，但是跟随运动多为一维旋转运动，所施加载荷至多为二维载荷。由于数控机床在加工时的主轴进给运动多为平面或空间运动，所受切削力也为多维载荷，故仅采用现有负载模拟器研究无法实现对机床主轴的多维随动加载。因此，本课题以此设计了一种能够模拟数控机床实际切削过程中受力情况

4、的3P一(4S)并联负载模拟器，可以模拟现场切削对数控机床动态施加三维力。此方案结合了整机现场试验和功能部件实验室台架试验的优点，使数控机床整机可靠性试验绿色、高效且试验条件可控，从而为机床可靠性试验提供一种新的、有效的试验设备与方案。3P一(4S)并联机构结构紧凑、精度好、刚度大，可以提供三维高负载的输出，满足机床整机试验台可靠性试验的要求。3P一(4S)并联负载模拟器的研制难点在于力控制器的设计。目前已有学者对于正交六自由度并联液压加载系统使用传统PID，实现了多维恒力和变力的静力加载【6J。为模拟空间对接过程的碰撞缓冲，有学者设计六自由度并联机器人的自适应

5、阻抗控制器，实现了对接过程的柔顺性【7J。国外有学者设计了一种用于脚踝关节康复训练的可穿戴并联装置，并利用模糊扰动观测器实现了力及位置的控制隅】。在所进行的FE盯啉专稿研究工作中，3P一(4S1并联机构的强非线性和耦合特性增加了建立力控制器精确数学模型的难度，而且限于控制系统硬件的计算能力，有必要对数学模型进行简化，这就更加降低了数学模型的精确性。此外，随动加载时机床运动的不确定性，增加了系统应对环境刚度和位置变化适应能力的难度，导致力控制器设计和构建的复杂性。针对上述问题，设计了模糊自适应+力前馈+主轴位置预测前馈的显式力控制器，以更好地适应系统的非线性特征，

6、提高响应的实时性，克服主轴运动干扰等不利因素。负载模拟器介绍如图l所示，3P一(4S)并联负载模拟器由静平台、动平台和连接静动平台的3条支链组成，每条支链包括直线驱动模块，两个连接直线模块的球铰，两个定长的连杆，可测连杆拉压力的单向力传感器和连接动平台的球铰。直线驱动模块由电机、滚珠丝杠和直线导轨组成，滚珠丝杠把电机的转动转换为直线运动，丝杠螺母与导轨滑块固联，用来提供支链驱动力，同时承受侧向力。机构可实现3个自由度的平动，因此可输出三维力。动平台设计有与被加载机构的连接部件，用于三维力的输出。加载试验平台用于模拟数控机床主轴的三维空间运动。控制器设计1控制目标

7、动平台通过联轴器与加载试验平台固联，加载试验平台用于模拟机床的运动。利用伺服控制器通过控制每个支链的力来间接控制负载器的输出力，从而实现并联负载模拟器对主轴运动进行跟随的同时对主轴施加一个三维力，来模拟现场切削力。基于负载模拟器的运动学和动力学模型对其进行控制算法设计【9】。在机器人的力控制中，应用较多的为阻抗控制和显式力控制Il01。由于数控机床的伺服系统没有提供外部数据接口，无法直接获得位置数据。另外，单独建立主轴位置采集系统，会使控制系统复杂化，降低系统响应速度和影响通用性，故最终采用显式力控制算法，通过直接反馈接触力形成闭环控制。2模糊自适应Pl控制器设

8、计针对力反馈控制，工业上