基于NNFFC的CNC加工中心进给驱动系统动态性能优化_CNC加工中心

前言：

加工中心进给驱动系统的动态性能对整体加工中心的加工质量、加工效率具有重要影响，围绕加工中心进给驱动的动态性能研究与优化_直是国内外相关研究的重点和难点。在加工中心进给驱动整体建模与动态性能研究方面，文献i -2]通过解析法构建加工中心进给轴分布-集中混合模型，研究不同进给率情况下的进给系统动态性能，在分析单个进给轴跟随精度和误差的基础上，进一步实现运动合成,实现圆柱体切削加工下的三轴合成运动研究及加工中心整体动态性能评价。文献H构建了包含滚珠丝杠集中参数模型在内的伺服控制系统仿真模型，对进给驱动系统电气控制参数进行研究，并对该伺服系统动态性能进行优化：文献1-5]采用多体系统动力学建模软件，通过与控制系统仿真软件Mullah的数据交互接口建立滚珠丝杠副进给驱动系统机电联合仿真平台，借助动力学特性实验平台，通过控制算法仿真分析实现进给驱动动态性能的优化。文献H从理论分析和仿真的角度出发,对伺服控制系统与机械系统进行集成建模,探究高速高加速度对进给系统机电耦合的影响，文献H以某车铣复合加工中心进给轴模块为研究对象,基于多刚体动力学构建机械模块的动力学模型,并通过与伺服控制系统的集成建模，对机械结构与伺服控制系统共同作用下的加工中心整体进给驱动系统动态性能进行研究，并通过伺服控制参数整定对系统动态性能进行优化。

加工中心进给驱动系统动态性能的研究中为便于与伺服控制系统进行集成建模，多采用等效转动惯量模型或多体动力学模型等对机械传动环节进行建模，在考虑机械传动环节结构柔性影响下的进给驱动系统整体动态性能研究与优化方面尚存在不足

部分学者通过不同的伺服控制策略与控制算法对进给驱动的动态性能进行优化，但是仅通过一种控制策略或方法优化提高进给驱动的动态性能易造成该算法或策略的复杂性过高，计算量大。此外，亦可通过伺服控制参数整定对进给驱动系统的整体动态性能进行优化,依据整定方法的不同，可以将其分为基于近似模型解析的自整定方法和基于优化规则的自整定方法,基于近似模型解析的自整定方法^fe'^15]通过整定规则解析推导确定伺服参数最优值,该方法过程相对简单，但因采用近似简化，最终推导得出的伺服参数通常并非最优取值，基于优化规则的自整定方法^[i^|7]借助智能优化搜索算法实现控制参数整定优化，该方法计算成本相对较大，但优化整定效果较好，由于级联控制回路及其动态特性的非线性特征，该伺服控制参数的最优取值并不固定，因此通过控制参数值优化选取来实现进给驱动系统动态性能的最优化具有_定的局限性

针对前述问题，本文考虑机械传动环节结构柔性对进给驱动系统整体动态性能的影响，首先构建滚珠丝杠进给系统状态空间模型，在此基础上，基于数字化模块仿真，进_步实现与伺服控制系统的集成建模。在此基础上，提出神经网络自适应电流与速度前馈综合控制（NNFFC)策略，基于神经网络的非线性与自适应学习，综合控制参数时变最优参数组合自适应调节与电流速度前馈，优化滚珠丝杠进给驱动系统的动态响应性能：

1滚珠丝杠进给驱动系统集成建模与实验

滚珠丝杠进给驱动系统包含有伺服控制和滚珠丝杠进给系统（机械环节），伺服控制产生驱动输入到滚珠丝杠进给系统（机械环节），在床身的支撑下，电动机旋转运动经电动机轴、联轴器、丝杠轴等，最终转化为立柱（滑枕）等负载的平移运动。以往研究中为便于与伺服控制系统进行集成建模，多采用等效转动惯量模型或多体动力学模型等对滚珠丝杠进给系统（机械环节）进行建模，在考虑机械传动环节结构柔性影响下的进给驱动系统整体动态性能研究方面尚存在不足

为实现与伺服控制系统的整体集成建模及整体动态特性优化,考虑机械传动环节结构柔性对进给驱动系统整体动态性能的影响，首先构建滚珠丝杠进给系统状态空间模型，在此基础上进一步构建与伺服控制系统的集成模型。

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结束语：

(1) 考虑机械传动环节结构柔性对进给驱动系统整体动态性能的影响，首先构建滚珠丝杠进给系统状态空间模型，在此基础上，基于数字化模块仿真，进一步与伺服控制系统进行集成,构建滚珠丝杠进给驱动系统集成模型，通过实验对该模型进行了验证D

(2) 鉴于级联控制回路及其动态特性非线性特

征下伺服控制参数最优值并不固定，通过控制参数值优化选取对进给驱动系统动态性能进行优化具有_定的局限性,本文提出神经网络自适应电流与速度前馈控制设计策略，在进给驱动系统整体集成建模的基础上，基于控制参数时变最优参数组合自适应调节与电流速度前馈，对滚珠丝杠进给驱动动态性能进行优化，优化后跟随误差由0.252 6降为0.111 5,干扰峰值由0.019降为0.007 0,上升时间由原来的0. 128 3 s减少为0. 107 5 可以看出，优化后滚珠丝杠进给驱动系统在响应速度提高、跟随误差降低的同时其抗干扰性更好。

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基于NNFFC的CNC加工中心进给驱动系统动态性能优化

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