面向直线电机驱动进给的数控铣削加工智能控制系统
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摘 要
直线电机驱动进给技术具有进给速度快、加速度大和不需要中间传动环节等
多个优点，在数控机床中的应用已得到重视。本文以龙门框架组合结构的双直线
电机驱动进给机构为研究对象，针对数控铣削加工过程中直线进给轴的智能控制
方法进行研究，为直线驱动进给轴在数控加工过程中得到更好的控制和使用起促
进作用，具体的研究内容如下：
（1）以双铰接式龙门框架组合结构的双直线电机驱动进给机构为根据被控对
象，以配套的 SIMODRIVE 611D 为控制系统，建立伺服系统的数学模型，并给出
直线进给轴控制过程的传递函数，进而以数控铣削加工过程建立了加工过程恒切
削力控制的数学模型。
（2）依据建立的数学模型及其传递函数，给出了直线电机电流与切削力的关
系，确定了以直线进给轴电机驱动电流为反馈对象，以进给速度为控制输出量的
控制原理。围绕进给轴恒电流加工控制目标，研究选择了模糊控制作为直线驱动
进给加工过程的控制方法。
（3）在 MATLAB/SIMULINK 环境下，根据直线进给驱动过程，分别用 PID
控制和模糊控制进行了仿真，结果表明模糊控制比 PID 控制有更快的响应时间和
更好的抗干扰性。接着在变负载的情况下，对该模型进行进一步的模糊控制仿真
研究，表明控制改变进给速度可以实现恒切削力的铣削加工过程控制。
（4）研究搭建了实验平台，给出了实验平台中的控制系统原理，开发了控制
系统软件。最后在双铰接式龙门框架组合结构的双直线电机驱动进给机构上进行
了联机实验。实验结果表明，研究的直线进给驱动的智能控制方法，可有效的提
高铣削加工过程的加工效率 20%和保护刀具。
关键词：直线电机 恒电流加工 切削力 模糊控制
ABSTRACT
The feed-driven technology of linear motor have several advantages of high
speed,large accelerated speed and it don't need intermediate transmission link, is urged
in applicaton of the CNC.In this paper ,make the feed-driven of linear motor of the
gantry-moving testing machine as the research object,focus on intellgience control
system of linear feed-driven axis in the process of the NC mill machining, made linear
feed axis controlled better and easy use. The main contents are organized as the
following:
(1) Made the feed-driven of linear motor of the gantry-moving testing machine as the
control object,made the SIMODRIVE 611D as the control system,mathematical
model of the servo system is established,and the transfer function of the NC mill
machining process is presented,then the mathematical model of machining process
verify force controlled is established.
(2) The relation between linear motor current and cutting force is presented which based
on mathematical model and transfer function,determined the control principle which
is made the feed-driven of linear motor axis current as the feedback object,made the
feed speed as the control output.Center around the control aim of the verify current
of feed axis,choose the fuzzy control method as the control method of the linear
feed-driven machining process.
(3) In the MATLAB/SIMULINK environment,the linear feed-driven simulation is
implemented by PID control and Fuzzy control.The results indicated that the Fuzzy
control have shorter response time better anti-jamming.the model simulation is
implemented by Fuzzy control futher.The result indication change the feed speed
can control the cutting force of the mill machining process.
(4) Set up the experiment platform,control system principle of the experiment platform
is presented,developing software of the control system by C++.Finally carry out
experiments at the the feed-driven of linear motor of the gantry-moving testing
machining.The results indicated that the intelligence control system can improve the
machining 20%,and protect the cutting tools.
Key Words: Linear motor,Constant current machining,Cutting force,
Fuzzy control
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ........................................................ 1
§1.1 课题来源 ..................................................... 1
§1.2 课题研究的背景及意义 ......................................... 1
§1.2.1 直线电机驱动技术在数控加工中的国内外应用现状 ............ 3
§1.2.2 数控铣削过程的智能控制方法的发展现状 .................... 4
§1.3 本课题主要研究工作 ........................................... 5
§1.4 预期目标 ..................................................... 6
第二章 直线驱动进给过程的控制系统的建模 .............................. 8
§2.1 直线驱动数控铣削机构的伺服系统的建模 ......................... 8
§2.1.1 伺服系统传递函数的建立 .................................. 8
§2.1.2 直线电机模型的建立 ...................................... 9
§2.2 直线驱动加工过程传递函数的建立 .............................. 14
§2.3 本章小结 .................................................... 16
第三章 直线驱动进给过程的加工模糊控制方法 ........................... 17
§3.1 控制方案的确定 .............................................. 17
§3.1.1 约束控制信号的选取 ..................................... 17
§3.1.2 输出控制信号的选取 ..................................... 18
§3.2 直线驱动加工过程模糊控制方法 ................................ 18
§3.2.1 控制方法的选择 ......................................... 18
§3.2.2 模糊控制器的组成 ....................................... 20
§3.2.3 模糊控制器的原理及特点 ................................. 21
§3.2.4 模糊控制器的设计 ....................................... 23
§3.3 直线驱动加工过程自适应模糊控制器的设计 ...................... 27
§3.3.1 模糊控制规则的设计 ..................................... 27
§3.3.2 模糊控制系统的设计 ..................................... 30
§3.4 本章小结 .................................................... 31
2
第四章 基于 SIMULINK 的控制系统的建模与仿真 ........................ 32
§4.1 基于 SIMULINK 直线驱动铣削加工过程的环境的建模与仿真 ........32
§4.1.1 直线驱动加工过程的 PID 控制的建模与仿真 .................32
§4.1.2 直线驱动加工过程的模糊控制的建模与仿真 ................. 35
§4.2 恒切削力的加工过程的模糊控制的仿真 .......................... 37
§4.3 本章小结 .................................................... 39
第五章 实验研究及其结果分析 ......................................... 40
§5.1 实验平台硬件系统的搭建 ...................................... 40
§5.1.1 实验平台的总体结构 ..................................... 40
§5.1.2 实验平台组成 ........................................... 41
§5.2 实验平台的控制系统原理 ...................................... 45
§5.2.1 控制系统 ............................................... 45
§5.2.2 接口技术 ............................................... 46
§5.3 基于 C++环境的程序开发 ......................................53
§5.3.1 PCI8622 数据采集程序的开发 ................ 错误！未定义书签。
§5.3.2 PCI1756 数据采集程序的开发 ..............................57
§5.4 实验结果与分析 .............................................. 58
§5.5 本章小结 .................................................... 61
第六章 结论与展望 ................................................... 63
§6.1 结论 ........................................................ 63
§6.2 进一步的工作 ................................................ 63
附录一:伺服系统数学模型参数设定 ..................................... 65
附录二: VC 开发的模糊控制程序........................................65
参考文献 ............................................................ 72
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 75
致谢 ................................................................ 76
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题来源
上海理工大学博士科研启动基金“基于双直线同步驱动进给的高速机床控制
系统设计及性能测试(No.10D304); 国家自然科学基金，“基于结构方程模型的双直
线同步驱动龙门桥式高速进给轴热误差建模研究”。
§1.2 课题研究的背景及意义
直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中介转换
机构的传动装置。近些年来随着工业的发展，对机械加工精度的要求也随之提高。
在传统的伺服进给方式中，旋转电机输出的运动需经过联轴器、（滚珠）丝杠、螺
母等一系列中间传动和变换环节才能转化为直线运动[1]，并输出给执行机构。这些
中间环节大大降低了传动精度，进而影响到加工精度。直线电机伺服系统由于省
去这些转换部件，不仅简化了机械结构，使加工维护更为方便，更因为没有因中
间部件引起的转动惯量、弹性变形、反向间隙、运动滞后、摩擦、振动、噪声及
磨损[2]，提高了机床的加工精度，适应市场需求。除此之外，直线电机伺服系统还
有高速响应性，传动刚度高、推力平稳速度快、加减速过程短，行程长度不受限
制，运行时噪声低，效率高等优点[3][4]。
由于直线伺服系统采用了直接驱动方式,使整个系统具有快速动态特性、结构
简单、宽调速范围、定位精确等优点。同时,由于中间没有任何缓冲环节,系统参
数摄动、负载扰动等不确定因素将直接影响直线伺服系统的静动态特性,因而这些
不确定性的出现更增加了控制上的难度。另外,直线电机中存在的“端部效应”,
其气隙也要比同等容量旋转电机大2～3倍,电流因数和效率低,在单边型直线电机
中,更是存在单边磁拉力,容易使轴弯曲[5]-[7]。
另外，在铣削加工中其过程实际上并不是理想的恒载加工过程,存在着一些不
确定因素。如材质的变化、刀具的磨损、切削用量的改变等,会直接造成加工负载
的波动,使系统工作效率降低,或出现超载现象。而直线电机驱动更会给刀具带来
新的问题，高速进给的同时刀具的磨损速度也会随之增加。因此就更需要可靠的
系统对刀具的磨损状况进行监控，从而达到保护刀具提高加工质量的目的。
面向直线电机驱动进给的数控铣削加工智能控制系统
2
近年来随着控制技术的发展，国内外在运用先进控制手段提高机床加工效率
和可靠性方面进行了一系列的研究。
第一个优化自适应控制系统是美国本迪克斯公司于 1964 年在美国空军的技术
监督下研制开发成功的。该系统由一台靠模铣床、NC 控制器、传感器及自适应控
制器组成，传感器测量切削力矩、刀具温度及机械振动，自适应控制器根据这些
数据计算得出需要的进给速度和主轴转速，并使规定的性能指标达到最优化。但
该系统并未得到推广应用，其主要原因是系统要求对刀具磨损进行在线测量，而
迄今为止还没有工业界广泛接受的直接测量刀具磨损的实用方法。
1970 年日本丰田公司机床厂在日本机床展览会上展出了 GON-100AC 自适应
控制外圆磨床，该磨床将磨削精度和砂轮耐用度作为自适应控制目标，并可自动
确定砂轮修整周期，以适应不同尺寸和材料工件的加工。但由于对磨削烧伤机理
的研究尚不充分，致使建立极限状态的专家控制规则库成为一个难题。同期，德
国西门子公司研制成一台可控制 X、Y轴方向进给速度的约束自适应控制车床，
该车床可在加工过程中利用传感器直接测量力矩信号。日本、意大利也都相继开
始研制约束自适应控制机床，以实现恒力矩数控加工。但由于在力矩信号的处理
和转换方面都做了不同程度的条件假设，因此限制了技术的实用性。
二十世纪九十年代末，以色列 OMAT 公司分别研制出了适用于数控车床和数
控铣床的金属切削加工自适应优化监控专家系统。该系统以 80C51 单片机为核心，
采用先进的具有负载反馈的恒电流自适应控制技术和加工过载自动保护技术。目
前，该技术已经应用于各大数控机床生产商的产品中。如 Siemens、Turbinenwerke、
Chevron Aerospace、Boeing、General Electric、Mitsubishe Motors、Toshiba GE 和
Toyota Motors 等。国内航空航天、纺织、家电等行业的知名企业也陆续使用该产
品。交大昆机科技股份有限公司与以色列 OMAT 公司合作成功地将系统集成安装
于产品机床 THM4680 卧式加工中心的 840D 系统上，还做了大面工件切削对比实
验，切削率提高约 33%。这些已经使用了 OMAT 数控优化系统的企业已经获得了
相当可观的经济效益。
我国对自适应数控加工技术的研究开发起步较晚。1979 年清华大学在国内率
先对铣削过程的电流约束自适应控制进行了试验性研究。1980 年上海交通大学对
以扭矩为约束目标的数控车削自适应控制进行了试验研究。1983 年北京航空航天
大学研制出铣床的微机自适应数控系统，该系统可根据实测的主轴电机电枢电流
来确定主轴力矩。1989 年西安交通大学研制了用 TP-801 单板机作为自适应控制器
的恒电流、恒扭矩的最优自适应控制系统。1993 年哈尔滨工业大学对钻床和铣床
第一章 绪论
3
的恒电流自适应控制系统进行了较系统的分析，并研制出一套实用的电流检测系
统。该系统对从刀具到电机的传动链作了较大的结构模型上的工程近似，并在此
基础上用传统的自适应控制理论进行在线自学习控制。由于对时变非线性数控加
工的控制效果有限，因此该系统目前还不能投入实际应用。1998 年华中理工大学
研制成功恒电流切削的自适应数控铣削加工系统，该系统利用智能控制理论建模，
克服了传统自适应控制理论对时变非线性系统建模的局限性，为智能自适应数控
加工的实用化提供了理论途径。但测力传感器对加工工件尺寸及切削力的要求十
分严格，而且所用的测力传感器造价昂贵，使得该系统目前还难以达到完全实用
化。虽然我国在自适应控制技术的研究和应用领域发展迅速，也取得了一定的研
究成果，但与国外特别是发达国家相比仍存在一定差距。
本课题研究的智能控制系统，就是参考国内外先进经验，以有效可靠解决上
述问题为目，进而提高铣削加工的质量和铣削效率[8]-[10]。考虑到实际的实验条件
和各供应商提供的系统的性能，选择西门子公司的 840D 系统作为本课题的系统平
台。以直线电机驱动的进给轴为研究对象，将直线电机进给轴电流做为反馈对象，
构建实现智能控制的实验平台，研究相应控制算法，实现对直线电机驱动进给轴
的智能控制。随着对加工效率和加工质量的不断提高，直线电机驱动伺服系统在
未来的加工制造业中会有越来越明显的优势，各大供应商的数控系统也日趋成熟，
因此在数控系统中融合针对加工中存在的具体问题而设计的智能控制系统就十分
必要并且有实现的可能，融合了这样的智能系统的数控系统能将直线驱动的优势
尽可能大的发挥出来，使得铣削加工的效率和质量有大的提高以满足生产制造的
需求。
§1.2.1 直线电机驱动技术在数控加工中的国内外应用现状
作为可控制运动精度的直线伺服电机在上世纪 80 年代末出现后，随着材料(如
永磁材料)、电流器件、控制技术及传感技术的进展，直线伺服电机的性能不断提
高，成本日益下降，为其广泛的应用创造了因素。近年来，直线电机及其驱动控
制技术的进展表现在以下方面：(1)性能不断提高(如推力、速度、加速度、分辨率
等)；(2)体积减少，温升降低数控机床；(3)品种覆盖面广，可满足不同类型机床的
要求；(4)成本大幅度下降；(5)安装和防护简便；(6)可靠性好；(7)包括数控系统在
内的匹配技术日趋完善；(8)商品化程度高。
在国内，清华大学机械学系制造工程研究所研究的长行程永磁直线伺服单元
面向直线电机驱动进给的数控铣削加工智能控制系统
4
额定推力1500N,最高速度60m/min, 行程600mm[11]。沈阳工业大学研究的重点主要
集中永磁同步直线电动机的控制方式及伺服系统[12];在CIMT2003(中国国际机床展
览会)上,北京机电院高技术股份公司、江苏多棱数控机床股份有限公司展出了国产
首批直线电机驱动的立式加工中心(VS1250),其中X、Y轴采用了直线电机,最大进给
速度60m/s。采用直线光栅尺反馈,全闭环控制,定位精度高,稳定性好。该加工中
心采用了西门子840D系统,具有很高的可靠性与稳定性[13]。这些研究工作为直线电
机技术在高速机床上的应用发挥了积极作用。目前在我国机床行业中,应用直线电
机进给系统的产品越来越多。
在国外，作为全球最大的切削机床制造商之一的DWG公司,其产品中有1/3的
采用了直线电机驱动技术,该公司的DMC 75V linear精密立式加工中心所有进给轴
都采用高动力性能直线电机驱动,良好动态特性的基础是采用了高度稳定的龙门
结构和经优化的高刚度床身,加速度高达2g,快移速度90m/min,从而可使生产率提
高20% [14]。2006年,德国Zimmermann公司推出了直线驱动龙门铣床FZ38,直线电机
驱动通过高Kv因素获得高水平的标准控制,使得即便是在高进给率的情况下仍能
保持非常小的拖曳距离和高定位精度[15]；DMG推出了Sprint65直线驱动机床,在X3
轴上加速度达到g,快移速度40m/min[16]。
§1.2.2 数控铣削过程的智能控制方法的发展现状
美国加州大学柏克莱分校电气工程系控制理论专家L.A.Zadeh教授于20世纪60
年代在他的《Fuzzy Sets》和《Fuzzy Algorithm》等论著中提出了将逻辑规则应用
于模糊算法的思想[17]，为描述、研究和处理模糊性现象提供了有力的数学工具[18, 19]
在日本，模糊理论的应用得到空前发展，最引人注目的是1987年7月仙台市采用模
糊逻辑进行控制的地下铁路运输系统成功地投入运行。日本电器公司在20世纪末
统计，松下、三菱、东芝等公司在空调机、全自动洗衣机和吸尘器等高档家用电
器上普遍采用了模糊控制技术，其普及率超过50%，有的已高达80%。到1991年底，
模糊控制在工业领域的应用项目已超过2000多项[20]-[22]。
我国在模糊理论和应用方面的研究起步较晚，但是发展很快。特别在模糊理
论方面的研究成果令世人瞩目，已引起国际模糊界的特别关注和重视。如1982年
龙升照和王培庄提出用杰希法描述模糊规则的自调方法，为自适应模糊控制研究
提供了新的途径。
由于数控加工过程具有显著的非线性和不确定性。实现数控铣削这样的非线
摘要：
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摘要直线电机驱动进给技术具有进给速度快、加速度大和不需要中间传动环节等多个优点，在数控机床中的应用已得到重视。本文以龙门框架组合结构的双直线电机驱动进给机构为研究对象，针对数控铣削加工过程中直线进给轴的智能控制方法进行研究，为直线驱动进给轴在数控加工过程中得到更好的控制和使用起促进作用，具体的研究内容如下：（1）以双铰接式龙门框架组合结构的双直线电机驱动进给机构为根据被控对象，以配套的SIMODRIVE611D为控制系统，建立伺服系统的数学模型，并给出直线进给轴控制过程的传递函数，进而以数控铣削加工过程建立了加工过程恒切削力控制的数学模型。（2）依据建立的数学模型及其传递函数，给出了直线电机电...
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