介绍了高档数控机床工作台、刀具伺服等关键传动部件控制技术的研究进展,主要包括滚珠丝杠的工作行为建模与控制方法、电机直接驱动关键技术、宏微结合驱动与传动新技术以及智能刀具伺服技术等内容。
　　针对以上典型传动控制技术,分别回顾了其发展历程,总结了近年来的主要研究成果,归纳出各自的基本设计思想,讨论了四种传动控制技术的发展趋势以及研究中尚待解决的问题。
　　滚珠丝杠与电机直接驱动装置在数控机床进给传动系统中仍居主导地位。
　　在高速、高精度定位过程中,滚珠丝杠系统的结构柔性不可忽视,弹性变形被证实为定位误差的主要来源。滚珠丝杠传动系统工作行为动力学建模与分析、高带宽控制方法研究近10年来得到了普遍重视。在高性能伺服驱动系统配合下,直接驱动系统从理论上能够实现高带宽、无限长传动,但是其驱动原理使其在工作过程中容易受到负载变化的影响。
　　应用直驱传动系统的数控机床,其加工精度、系统稳定性极易受到切削力变化的影响。高干扰抑制性能的高带宽控制系统研究成为直接驱动系统的研究热点。
　　进给传动系统、主轴传动系统、刀具是数控机床的重要基础功能部件。从近年的研究工作看,机床精密传动的内涵正在不断深化,外延正在不断拓展。滚珠丝杠、直线和力矩电机直驱系统作为进给传动系统与主轴传动系统的主要实现手段,对其动力学行为与控制技术的研究得到了普遍重视;同时,随着宏微结合精密复合传动以及智能伺服刀具等新技术的出现,柔顺机构、功能材料、现代设计制造、传感控制等多学科领域的技术成果已越来越多地用于机床精密驱动传动技术研究,呈现多学科交叉的特点,使得精密驱动与传动装置在组成上逐渐具有机构、传感、控制、驱动一体化集成的特征。
　　从提高机床传动部件精度的技术途径来看,一方面通过精密机械设计制造,改善机械传动部件内部的摩擦、润滑、振动等特性来提高精度,另一方面通过在机械传动部件内部增加传感部件、驱动部件、控制部件,构成具有智能化特征的传动单元,以获得更高的精度和响应特性。相比前者,后者得到了更多的研究。
　　控制单元作为精密复合驱动与传动的核心,起着对传动部件、驱动部件的精度控制和能量分配的作用,当前研究的重点集中在力扰动抑制、驱动传动单元的摩擦与间隙等非线性因素补偿、宏微复合运动的解耦控制等方面。
　　本文结合机床精密传动技术的发展过程介绍滚珠丝杠工作行为建模与控制技术、电机直接驱动关键技术、宏微结合驱动传动技术以及智能刀具伺服技术的研究现状。
　　滚珠丝杠工作行为建模与控制近几年来,世界上很多研究机构围绕滚珠丝杠应用于高速进给系统的结构动力学行为进行了较多的研究,进行了从简单的集总参数弹簧质量模型到相对复杂的有限元模型的研究,深入研究了滚珠丝杠轴向、径向静动态变形以及结构共振频率对定位精度及伺服带宽的作用规律。
　　依据更加精确的滚珠丝杠工作行为模型,所进行的先进误差补偿与机械共振抑制的研究使得滚珠丝杠传动系统的分析与设计方法有了新的突破与发展。
　　滚珠丝杠工作行为建模技术现阶段滚珠丝杠的行为建模技术主要分为三类:基于刚体质量弹簧系统的集总参数模型、相对复杂的有限元模型以及更贴近工程实践的混合建模分析技术。
　　集总参数模型具有模型自由度少、参数简单、易于求解等特点,在机床动力学分析、伺服系统性能预测、机构与控制一体化优化综合中得到成功应用。Chen等应用该类模型对典型高速滚珠丝杠传动系统进行了动力学分析与控制仿真,考虑滚珠丝杠副的轴向变形刚度、扭转刚度以及直线导轨副的接触刚度三类柔性特征,建立了单轴伺服系统的五自由度集总参数模型;运用该类模型准确预测了传动系统低频模态的分布规律;通过伺服控制仿真,定量得出了滚珠丝杠副动力学行为对动态伺服精度的影响规律。
　　对半径50mm、进给速率42m/min、加速度1g的高速圆弧插补进行仿真的结果表明,传动系统柔性引入的终端定位误差很难依靠传统控制策略消除,仅依靠传统S曲线加减速控制策略,稳态定位误差达到30μm。Kim等将滚珠丝杠传动系统的集总参数模型包含到伺服回路模型当中,详细分析和验证了模型机构参数、电气参数以及控制参数对整体传动与定位性能的影响,建立了同时包含滚珠丝杠动力学约束与伺服控制动力学约束的多目标量纲一代价函数,并基于该多目标代价函数提出了一种滚珠丝杠伺服机构的机构与控制综合优化设计方法。与之类似的研究还有Poignet等、Yang等的研究。
　　有限元模型相对复杂,但它能够描述传动系统动力学细节特征,与集总参数模型相比,它不仅能够描述丝杠传动的一般静态、动态时不变特性,而且能够描述机床全工作空间内,螺母带动工作台在丝杆上运动过程中传动特性的变化情况。
　　然而,机床进给传动系统的全有限元模型过于庞大,难以直接指导传动控制系统的优化设计,因此,模型降维与变换技术是有限元模型有效应用的关键。
　　van Brussel提出一种应用成分模态缩减综·1379·数控机床高性能传动部件控制技术的研究进展-范大鹏　范世珣　鲁亚飞等合技术(component mode reduction synthesis,CMRS)进行模型降维的有效方法,可将模型的自由度数缩减三个数量级,应用降维后的模型可以有效预测传动系统动力学行为的位置依赖性;在此基础上,将降维后的模型转化为状态空间模型,进一步应用平衡截断法或Hankel范数近似法等控制模型降阶技术,可以得到适用于控制系统设计的低阶"真实模型"。
　　类似的研究还有Schafers等的研究。然而,应用CMRS技术进行模型降维,模型精度与降维过程中所保留的特征节点的选取有关,对于复杂零件如何有效保留特征节点仍需继续深入研究。此外,综合应用有限元技术和多体动力学技术进行丝杠传动系统仿真分析时,运动副结合部的时变特性仿真是当前研究的难点和热点。
　　综合集总模型与分布参数模型(梁分析法、有限元模型)的优点,近5年来很多学者对混合建模方法进行了研究。
　　该方法的基本思想是:将主要传动部件-滚珠、丝杠视为柔性体,应用分布参数模型建模;将传动末端的螺母、工作台作为刚体处理,应用弹簧质量模型进行建模。该技术的研究重点是丝杠分布参数模型的建立和丝杠与螺母运动副结合面的建模与列式。
　　目前,丝杠建模技术主要有以下两种:将丝杠看作一根完整的梁,应用梁的解析方程建模列式,与实验数据进行比对证明,该方法能够精确预测传动系统的开环动力学特征;应用梁单元对滚珠丝杠进行有限元建模,与前者相比,这种方法的优点是可以得到更为简洁有效的模型描述形式。
　　传动副结合面的建模用于描述运动、振动与力从丝杠到工作台的传递过程,是滚珠丝杠混合模型的另一重点。
　　现有的技术均采用刚度矩阵描述结合面传动特性,其发展经历了三个阶段:仅考虑丝杠的轴向和扭转变形;考虑丝杠的轴向、扭转和横向变形;综合考虑丝杠的轴向、扭转和横向变形以及三者间的耦合关系。丝杠分布参数模型、传动副传递矩阵模型与螺母及工作台体的刚体模型共同构成了滚珠丝杠传动系统的混合模型,为该类传动系统的设计与分析、伺服驱动系统的设计提供了重要工具。
　　滚珠丝杠传动系统控制技术根据滚珠丝杠传动系统工作行为建模分析结果,在高速以及中重载荷条件下,滚珠丝杠在传动过程中表现出显著地柔性体特征,存在以下固有问题:低频固有模态限制传动动态性能;轴向、径向模态引起工作台游走,限制动态定位精度。
　　因此,高档数控机床滚珠丝杠传动系统均工作于全闭环状态。滚珠丝杠低阶模态主动阻尼与主动抑制控制技术、轴向、径向工作台游走动态补偿技术、弹性体非最小相位特性镇定控制技术是近10年来该领域的研究重点。
　　同时考虑丝杠分布参数特性、润滑条件的不一致性以及负载分布情况引起的摩擦条件时变特性等非线性因素影响,滚珠丝杠在高速传动工况下表现出显著的模型时变性。线性、非线性参数时变控制技术在传动系统控制中的应用在近5年,特别是最近2年得到了较多重视。
　　针对低频固有模态的测量与控制,相关学者进行了大量研究。早期的主要研究手段是在指令和反馈信号通道设置陷波器,滤除可能激发传动系统共振频率的控制信号。该方法虽然能够防止控制系统本身激发滚珠丝杠的共振频率,但无法抑制外部干扰激发的传动系统共振频率。
　　此外陷波器的设置将显著改变系统的相位特征,限制系统闭环带宽。
　　随后一些研究者提出了主动阻尼与主动振动抑制控制方法。Erkorkmaz等和Kamalzadeh等应用滑模变结构控制器,结合零极点配置技术,设计了一种滚珠丝杠主动振动抑制控制器,该控制器可以抑制低阶共振频率,与PID加陷波器的控制结构相比,显著提高了传动系统的动态性能和鲁棒性能。一些研究证实,应用加速度计反馈配合前馈控制也是振动抑制行之有效的手段。
　　针对轴向、径向模态引起的工作台游走,重点在于如何有效估计滚珠丝杠轴向、径向以及扭转变形量,如何根据估计值规划数控指令或设计有效的前馈控制算法。针对模型参数的时变特性与不确定性,Symens等研究了变增益控制方法,并通过实验验证了该方法的有效性。
　　Zhou等研究了自适应陷波器在滚珠丝杠模态抑制中的应用,使用神经网络构造陷波器参数与工作台位置之间的函数关系,并通过仿真证明其控制方法存在一定的优越性。
　　电机直接驱动关键技术与滚珠丝杠驱动技术相比,电机直接驱动系统无机械传动链,可以从根本上避免传动链弹性变形引起的动静态误差与振动问题,越来越多地在高档数控机床中得到应用。
　　电机直接驱动必须由力矩电机配合伺服控制系统共同实现,伺服控制系统的设计水平是决定该类传动系统整体性能的关键因素之一。
　　伺服控制系统的动静态特性以及鲁棒性能一直是影响整体传动性能的重要指标。围绕直驱伺服系统动静态特性以及鲁棒性的提高,近年来发展了多种伺服驱动技术。

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