Position command shaping control in a retrofitted milling machine

A position command shaping controller, hybrid structure of feedforward controller and cross-coupling controller, for accurate contouring in motion control is proposed in this paper. The feedforward controller can improve tracking performance of single axis and the cross-coupling controller guarantees the reduction in contour error for multi-axis motion. When compared with the conventional motion system, this new structure has the advantage that the compensators have a simpler design process than conventional ones and so does its stability analysis. The proposed compensators (or controllers) are evaluated and compared experimentally with a traditional controller on a microcomputer controlled dual-axis positioning system. The experimental results show that the new hybrid structure reduces remarkably the tracking error and contour error. In addition, this new controller can be implemented easily on a majority of motion systems in use today via reprogramming the reference position command subroutine.     

The effectiveness of contouring control and a design for three-dimensional machining

Although many researches have been conducted on contouring control for machine tool feed drive systems, to the best of authors’ knowledge, its effectiveness has been verified only through comparative experiments with industrial non-contouring (independent axial) controllers, or conventional contouring controllers such as the cross-coupling controller. Because control performance largely depends on controller gains, such comparisons involve some difficulties in demonstrating the effectiveness of contouring control. In other words, a similar control performance can be achieved if the non-contouring controller gains are appropriately assigned. This paper discusses the effectiveness of contouring controllers both analytically and experimentally. A new contouring controller design for three-dimensional machining is presented, which is extended from the authors’ biaxial design based on coordinate transformation. The contouring controller is concluded to be effective through an analysis of the proposed design, in that it provides performance comparable to non-contouring controllers with less control input variance. This property reduces the damage to machine tool systems and saves control energy. In addition, because an inherent contour error exists in the coordinate transformation approach, a method for reducing this error is presented to enhance the effectiveness of the contouring controller. Experimental results support the claims of this paper.     

基于模糊RBF的液压压裂泵同步研究

针对液压压裂泵的液压缸工作中的不同步导致整个系统流量和压力脉动大、输出效率低、液压元件使用寿命短的问题,以阀控缸为研究对象搭建其数学模型,提出利用模糊RBF神经网络+交叉耦合的控制策略对液压缸的同步动作进行控制。在传统模糊控制的基础上,将模糊控制与RBF神经网络控制融合在一起,根据系统数学模型,设计了跟踪控制器和同步控制器,实现对阀控缸系统的精准控制与同步反馈。仿真结果表明：与传统PID和模糊PID系统相比,模糊RBF神经网络+交叉耦合同步控制策略同步精度高,响应速度快,有较好的鲁棒性和稳定性。     

基于DSP和FPGA的运动控制器高速串行通信设计

文章简要介绍了以ARM为主控制器,DSP+ FPGA为从控制器(运动控制器)的主从式高性能数控系统,在综合比较主从控制器各种通信方案优缺点的基础上,提出了一种基于RS-485的高速串行通信方案.利用现场可编程门阵列(FPGA)芯片,完成多通道异步收发器(UART)的扩展及其收发双缓冲先进先出( FIFO)存储器功能设计;利用DSP完成串行通信软件设计.由DSP控制UART在3.125Mbps波特率下稳定工作,实现了主从控制器之间的高速串行通信.实验结果表明所设计的方案能够满足数控机床主从控制器之间的通信要求.     

基于开放式运动控制器的五坐标机器人的系统结构研究

文章论述了基于开放式运动控制器的五坐标机器人的系统结构,介绍了硬件结构和软件结构的设计方案,整个系统采用工控机作为上位机和以运动控制器为下位机的方法,较好地处理了实时性和非实时性任务.     

一种进给伺服系统非线性PID交叉耦合控制

提高多轴伺服系统的轮廓跟随性能是现代计算机数控加工的重要应用之一。针对传统交叉耦合控制方法对自由曲线轨迹的轮廓跟踪精度较差以及传统PID控制系统抗扰性和鲁棒性较差的问题,提出一种基于自抗扰控制的交叉耦合轮廓误差补偿综合控制策略,该策略由用于位置环反馈控制和轮廓误差补偿的新型非线性PID (NLPID )、位置伺服控制器 TNP-ADRC 和基于NLPID的变增益交叉耦合控制器组成。在MATLAB/Simulink环境下对方波信号跟踪和标准圆轮廓加工过程中轮廓误差的变化情况进行仿真,仿真结果表明：与传统PID交叉耦合控制相比,该方法不仅能够有效提高系统的鲁棒性以及抗干扰能力,并且能够显著提高多轴运动控制系统的轮廓加工精度。     

基于复合控制策略的直线伺服系统位置控制研究

针对传统的采用三闭环控制结构的直线伺服系统存在的响应滞后、容易超调的问题,设计了永磁直线同步电机的位置-电流双环控制系统。对PD调节器与前馈、微分负反馈相结合的新型复合位置控制器进行了研究。在分析了微分负反馈增益参数对直线伺服系统的影响的基础上,对比了该控制器与传统三环结构的性能差异。仿真与实验结果表明,所设计的位置-电流双环控制系统相比于传统三环控制结构,动态响应更快,超调量更小,在对速度控制要求较低的点位位置伺服控制场合中具有较高的应用价值。     

基于全局最优滑模控制器的冗余自由度机械臂运动控制的研究

为了提高冗余自由度机械臂的运动准确性,进行基于全局最优滑模控制器的冗余自由度机械臂运动控制的研究。分析冗余自由度机械臂的机械结构,明确其结构组成及运动原理。通过各关节节点的旋转角度及连接臂长度,分别求取了相邻关节节点间的旋转关系式及关节结点相对基础坐标的移动矢量,并通过该移动矢量得出机械臂的动力学方程。通过机械臂的动力学方程,计算出单个关节节点的系统方程。利用角度误差构造滑模面,并在此基础上利用单个关节节点的系统方程,建立滑模控制器。为了获取滑模控制器中滑模加权因子和趋近加权因子的最优解,采用粒子群算法在解空间中对其进行全局搜索,从而得到全局最优化的滑模控制器,用于对冗余自由度机械臂的运动过程进行控制。实验中,采用此方法和干扰观测器方法对关节节点的运动过程及末端执行器的运动过程进行了控制,从控制结果可知:在控制关节节点及末端执行器运动时,此方法比干扰观测器方法的控制准确度分别提高了17.12%和13.49%,表明此方法能有效保障冗余自由度机械臂的运动准确性。     

基于SERCOS-Ⅱ的机床数控系统实时通信与同步控制研究

现代数控机床和加工中心对实时接收数据和同步运动控制提出了更高的要求.论文对脉冲式数控系统进行简要述评的基础上,提出了基于SERCOSⅡ串行实时总线通信的机床数控系统架构:以运动控制器为主站,进给伺服驱动器为从站的主从式环形网络,并以通信周期为基准协调该多CPU结构.论文将提出的系统用于XKHL650型立式加工中心数字化控制,并提出了各进给轴伺服驱动电流环同步控制方法.该方法使各进给轴伺服驱动电流指令达到1μs的同步精度,从而保证了机床各进给轴动作的一致性.实验和加工运行表明基于SERCOSII总线通信的数控系统满足高实时性高精度的加工要求.     

Theory and application of a combined feedback–feedforward control and disturbance observer in linear motor drive wire-EDM machines

This paper presents a combined two-degree-of-freedom controller and disturbance observer design for a direct drive motion control system actuated by permanent-magnet linear synchronous motors (PMLSM). A feedback controller based on pole-placement design method is proposed to achieve desired tracking performance as well as stabilize the closed-loop system. A newly designed feedforward controller is proposed to reduce tracking errors based on an inverse model of the direct drive system. A digital disturbance observer is implemented to be included in the proposed feedback–feedforward control structure to compensate for nonlinear friction, cogging effects, and external load disturbance. Furthermore, the proposed control scheme has been verified as being internally stable. Experimental results indicate that the proposed controller can achieve a high contouring accuracy of ±0.3 μm as well as provide disturbance rejection and robustness. The maximum contour error of circular trajectory was reduced from 8.5 to 3.2 μm in comparison with proportional-integral-derivative (PID) controller.     

基于遗传算法的间接自校正模糊神经网络控制

针对一般神经网络训练算法训练速度慢和易陷入局部极小点的不足,文章提出了一种基于模糊神经网络的间接自校正控制系统,控制器是以高斯函数为隶属度函数的径向基函数(RBF)神经网络结构,利用改进的遗传算法(GA)对结构和参数进行同步优化.神经网络模型(NNP)利用弹性BP算法进行离线辨识.仿真与传统的模糊PID控制器控制进行比较,结果表明遗传算法大大改善了系统的性能.     

一种用于控制工业机器人运动轨迹误差的观测控制策略研究

为了提高工业机器人运动轨迹的控制准确度,提出一种运动误差观测控制策略。分析机器人的组成结构,明确其工作原理。建立工业机器人的坐标系,并在该坐标系上求取机器人连杆间坐标系的变换矩阵;利用连杆间坐标系的变换矩阵,得到机器人末端执行器的运动学模型。以机器人的测量运动误差为依据,联合工业机器人的标称正向运动学模型,求取传感器架以及标称架与底座之间的变换模型;通过该变换模型,计算传感器架相对于标称架之间的位置向量及动态误差变换矩阵,得到测量运动误差值;通过测量运动误差值,构造运动误差观测器,用于获取机器人的估计运动误差,并将估计运动误差联合神经网络控制器,以实现对机器人运动轨迹的准确控制。利用此方法和滑模控制策略对平面和空间标定运动轨迹进行追踪,结果显示：此方法能准确地对平面和空间标定运动轨迹进行追踪,而且与滑模控制策略相比,此方法的追踪精度提高了34.25%。说明此方法能对工业机器人的运动轨迹进行精确的控制。     

基于双模同步预测的机械臂末端轮廓精确跟踪控制

为减小机械臂末端在进行轨迹跟踪运动时的轮廓误差,提出一种机械臂轮廓误差同步预测控制策略。该策略将操作空间轮廓误差映射到关节空间,从而定义机械臂各关节的同步行为,有效减小了末端轮廓误差,提高了机械臂各关节的运动协调性。为解决常规预测控制器不能保证系统稳定的问题,提出双模同步预测控制方法,通过在预测时域外切换到局部控制率来保证控制器的稳定性。实验结果表明:所设计的控制器能有效减小末端轮廓误差并使关节输出力矩更加平稳。     

基于ARM-MCX514的机器人-数控协同系统运动控制器设计

由于机器人工作的复杂性日益增加,单个机器人的工作能力愈发显得不足,针对当前问题,提出将ARM微控制器与MCX514运动控制芯片相结合用于机器人-数控系统的协同运动控制。在硬件设计层面,以ARM微控制器与MCX514运动控制芯片为核心硬件,设计了芯片间的通信线路以及外围电路和接口。在软件设计层面,依托FreeRTOS嵌入式操作系统,采用多线程编程模式,由MCX514控制四自由度数控系统,ARM控制三轴的机械臂部分,利用握手式基坐标系标定方法实现机器人与数控系统的协同运动,并设计了配套的上位机程序。通过与ACR9000运动控制器的对比分析,证明所设计开发的控制器精度达到预期效果,具有一定的市场价值和应用前景。     

DIRECT FUZZY NEURAL CONTROL FOR TRAIN TRAVELING PROCESS

ＤＩＲＥＣＴＦＵＺＺＹＮＥＵＲＡＬＣＯＮＴＲＯＬＦＯＲＴＲＡＩＮＴＲＡＶＥＬＩＮＧＰＲＯＣＥＳＳ①ＷａｎｇＪｉｎｇ，ＣａｉＺｉｘｉｎｇ，ＪｉａＬｉｍｉｎＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｆｏｒＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＣｏｎｔｒｏｌ，ＣｅｎｔｒａｌＳ...     

运动控制器在国内的应用及发展

运动控制技术是推动装备技术创新的关键技术.基于网络的开放式结构和嵌入式结构的运动控制器逐步成为自动化控制领域里的主导产品之一.本文重点分析其控制技术及提高运控性能、精度的方法,指出了扩展、开发新型运动控制器的有效途径,为运动控制器的应用提供了新思路.     

基于神经网络的静力压桩机的液压同步控制系统

静力压桩机的液压控制系统是一个非线性、耦合的时变系统,一般的PID控制无法达到满意的效果。因此,本文提出了一种基于神经网络整定的PID和一种改进的主从位置同步系统结构,其仿真结果表明这种神经网络整定的PID的改进的主从位置同步控制方案具有比利用常规数字PID的经典主从位置同步控制方案更好的控制效果。     

基于模糊神经PID的重载机械臂变幅系统仿真研究

针对重载机械臂变幅机构控制系统的功能要求,设计一种可以实现变幅机构位移同步控制的液压系统。结合重载机械臂位移同步控制方法与策略,提出采用能满足系统稳定性和鲁棒性要求的模糊神经PID控制策略对其进行位移同步控制。运用AMESim和Simulink对变幅控制液压系统进行建模仿真,对比分析了模糊神经PID与常规PID对液压缸运动控制的动态效果,得到了该液压系统中液压缸活塞杆位移曲线。仿真结果表明:模糊神经PID控制器具有较强的抗干扰能力和较好的鲁棒性,验证了所设计的变幅机构位移同步控制液压系统具有良好的工作性能。     

Cross-coupled biaxial step control for CNC EDM

This paper details a study on reducing contour errors for CNC EDM (Electrical Discharged Machine). The proposed control scheme consists of three portions. First, the step control performs position loop controller for each individual axis. Second, contour error calculations suitable for control system analysis and design are used, and third, cross-coupling control is used to control contour error. Under the control of the proposed scheme, the stability of the system is studied for both linear and circular trajectories. The experimental results of a CNC EDM show that the proposed scheme is effective to improve contouring performance and ready for practical implementation.     

A fast tool servo design for precision turning of shafts on conventional CNC lathes

A technique for precision turning of shafts on conventional CNC turning centers is presented. The shaft is semi-turned on a conventional CNC lathe. The precision finish turning operation is delivered by a piezoelectric based fast tool servo which is mounted on the same CNC lathe's turret. The precision tool tip motion is delivered by a proposed sliding mode controller which is robust to changes in the cutting process and hysteresis in the piezo actuator. Sliding mode controller is also quick to compensate the cutting force disturbances, and keeps the tool tip at the desired location within the displacement measurement sensor resolution (±0.1 μm). The fast tool servo system is packaged in a PC, and its effectiveness is demonstrated on a bearing location turning.