基于MatLab的机床进给传动系统校正与仿真.docx

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基于MatLab的机床进给传动系统校正与仿真

基于的机床进给MatLab传动系统校正与仿真梁达平(天水师范学院工学院,甘肃天水741001)摘要:从机电控制工程角度,分析机床进给传动系统的动力学模型,将机床进给传动方案设计的结果置入MatLab环境中进行快速仿真分析及校正设计,验证并改进设计方案,提高了设计效率,简化了设计环节。文中提出的性能分析、校正及仿真计算模式适用于各类机床进给传动系统,具有通用性和工程实用价值。关键词:机床;进给;校正;仿真中图分类号:TP271+.2文献标识码:B次数,提高了一次性成功率。本文在这些模式的基础上,从机电控制工程角度提出一种基于MatLab软件平台对机床进给传动方案设计进行校正与仿真的方法,此方法操作简单快捷,简化了传动系统设计环节。引言机床进给传动系统设计是机床设计中的重要步骤,其设计模式一直在研究和完善中,从单纯依靠经验类比、静力分析发展到模型计算、多态分析,定量化程度日渐提高。随着计算机辅助设计技术的引入,设计自动化程度在不断增加。此外,仿真技术的应用,使产品在设计阶段就能够预测其工作性能,减少了试探改进1动力学模型分析图1为机床进给传动系统动力学模型示意图。图1中,设电动机轴角位移θr为系统2z2k2z1J1、B1、k1图1进给传动系统动力学模型资助项目:天水师范学院科研基金(TSF0502)作者简介:梁达平(1976-),男,四川省达州市人,天水师范学院工学院讲师,硕士。凿岩机械气动工具,2006(1)32J2、B2、TmDC伺服电机!rym、B、k3输入信号;工作台直线位移y为输出信号;Tm为电动机输出转矩;z1、z2分别为齿轮的齿数;J1、J2分别为两轴的转动惯量;B1、B2分别为两轴的粘性阻尼系数;k1、k2为两轴的转矩刚度;m为工作台直线运行部分的质量;B是直线运动粘性阻尼系数;k3是丝杠螺母副及螺母座的轴向刚度;l为丝杆导程。设K为传动系统综合刚度,有K=1+1+1(1)k1k2k3根据齿轮传动关系及扭转刚度转换公可得出传动系统转动平衡方程,经过式[3],拉氏变换后,导出该系统闭环传递函数[1]lz1K2z2Y(s)=(2)!r(s)[J+J(z1)2+m(lz12z12)]s2+[B+B()+B(lz12)]s+K1212z2zz2z2222相应地,其开环传递函数为[1]2!nKG(s)==(3)z1lz1z1lz12222s2+2!ss{[J1+J2(z)+m(2z)]s+[B1+B2(z)+B(2z)]}n2222其中,无阻尼固有频率[1]系统结构框图为标准负反馈型,将该传递函数零极点输入到设计图中,设定系统补偿值K!n=(3)!zlz为12.5,可得到系统频率特性仿真结果如图22J1+J2(z)+m(2z)112所示,可以利用LTIViewer线性系统性能浏览器全面地观察和研究该系统的仿真性能(见图3)。22阻尼比[1]z1lz122B1+B2(z)+B(2z)22#=(4)z1lz122!2K[J1+J2(z)+m(2z)]22可以看出,在实际的传动系统方案设计过程中,只要将设计所得到的传动参数值(包括各轴转动惯量、粘性阻尼系数等)代入公式(3)、(4)就可以求出该传动系统的开环传递函数。这里假设得到ζ=0.2,ωn=5,环传递函数为则系统开图2传动系统根轨迹及伯德图2512.5G(s)==(5)s2+2ss(0.5s+1)通过系统的时、频域性能图可以看出,所有极点均位于左半复平面中,相角及幅值裕度均大于零;奈氏图线不包围(-1,j0)点;单系统性能分析利用MatLab的SISO设计器分析传动系统的开环传递函数,可快速得到系统频域性能图。以式(5)为例,具体操作方法为:调整3位阶跃及脉冲响应均达到新稳态;说明该系统处于绝对稳定状态。但是相角裕度约为22°,相对于45°标准偏小;单位阶跃响应曲线超凿岩机械气动工具,2006(1)331+sin%m1+sin33°$=1-sin=1-sin33°=3.39m由于-201g$=-201g3.39=-5.3dB,根据系统开环伯德图可知-5.3dB处频率为ωc=6.64rad/s计算相位超前校正装置的转角频率ωc91===4.89rad/s!3.392=c$=9×3.39=16.57rad/s确定校正装置传递函数图3传动系统时域及频域性能图s+1s+4.89调量过大,曲线上升幅度剧烈,调节时间较短;显示系统的快速响应性能较好,但动态稳定性不够,振荡偏大,影响了机床工作区的稳定度,需要进行校正以改进该方面的性能。GC(s)=αs+=3.39×s+16.572=11.49×0.205s+10.06s+1加入超前校正装置后,系统开环传递函数25变为系统速度静态误差系数Kv=lims=s(s+2)S→0Gc(s)G(s)=0.205s+1×12.512.5,显示对于二阶以

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