复合材料自动铺放机主轴双驱同步控制研究.doc

复合材料自动铺放机主轴双驱同步控制研究 为了满足某改造项目的卧式铺放机大惯量主轴精密驱动、主轴与铺放各轴的精密联动插补需求，采用双驱结构来提高伺服系统的控制性能和跟踪精度。选用UMAC 运动控制器连接西门子611U 模块组成“IPC+运动控制器”的开放式数控系统。通过结合“PID+ 速度/加速度前馈+ 陷波滤波器”控制算法和611U伺服驱动模拟I/O主从式连接方式，有效实现主轴电机同步工作。经长时间实际铺放应用，验证该控制策略满足自动铺放控制要求。 复合材料用量的增加推动了自动化制造技术及装备的迅速发展，为制造整体结构从而最大限度地利用复合材料整体化结构优势，自动铺放设备构型越来越复杂、装备尺寸越来越大，对驱动功率和传动精度要求越来越高。多电机同步高精度驱动，尤其对于大型卧式复合材料自动化成型设备，已经成为关键技术之一。 国内外许多学者已经对同步运动控制方法进行了探索和研究，李连升提出了加入差电流负反馈的方法保证两个电机的电流保持一致[1]；陈庆伟等针对电机速度的一致性要求，提出了差速负反馈控制方法，它断开从电机的速度环，由主电机速度补偿计算后将电流信号直接加给两驱动电流环[2]；李经源和徐文云提出了一种学习控制算法来进行同步控制：通过将其中一个电机的输出值经学习因子的计算后再与该电机的输入进行运算后记忆，将计算结果当成另一个电机的输入，从而保证同步运动的精度[3] ；Koren 和Kim 等采用交叉耦合控制方法对两轴的插补提供了一个有效的方法，现在广泛应用于减小同步运动误差[4-5] ；Siemens 840D数控系统提供Gantry 功能，将两个电机定义在同一坐标轴上得到完全相同的运动指令实现同步运动，或者系统采用扭矩补偿控制器实现主从电机之间的扭矩平衡分配、且扭矩补偿控制器根据伺服电机的具体性能分配相应的负载扭矩[6-7]。 本文针对某型号航天器生产任务需求，以原有卧式数控缠绕机为平台改造升级，增加自动铺放功能，实现缠绕、自动铺放工艺及其自动切换。为满足上述工艺要求，采用工控机和UMAC（Universal Motion and Automation Controller）多轴运动控制器构建开放式数控系统，基于双电机消隙驱动原理，通过两套Siemens 611U 驱动器同步控制主轴伺服电机，实现芯模运动与铺放头各轴运动的精确联动插补。 双电机同步消隙驱动原理 虽然提高齿轮的制造精度、减小空回误差可以改善机床转动精度，但是要制造出没有误差的齿轮是不可能的。采用如图1所示的双电机驱动结构已经成为提高传动精度的主流方法之一，两个伺服电机经各自减速机构减速后，其传动链上的小齿轮分别和输出轴大齿轮啮合面啮合[8] ；电机的输出扭矩与电枢电流成正比，通过每个电机的输入电流指令控制电机的输出扭矩，当电流为零时，可以通过预置偏置电流，使两伺服电机输出扭矩大小相等、方向相反，两小齿轮齿面分别与大齿轮的两个相反齿面贴合，保证输出轴不会在齿隙内来回游动。而当两个电机的电流指令同时增加至一定值时，其中被反向偏置的伺服电机扭矩方向会改变，与另一个伺服电机同向共同驱动负载，当电流减小回到零点过程中，其中被反向偏置的电机会提前反向拖动负载，保证两小齿轮不是同时离开大齿轮的啮合面，消除了齿隙并提高了主轴的大惯量输出能力。 控制系统结构 本文所研究的自动铺放机改造是在保持原缠绕机功能的基础上增加一套多自由度铺放头及相应控制系统，与缠绕单元共用原主轴构成完整的铺放单元，总体结构如图2所示。鉴于原机床采用西门子840D四轴联动数控系统的扭矩补偿控制算法实现主轴电机同步驱动，为共用双主轴电机、且满足铺放单元的多轴联动等特殊控制要求，选用UMAC多轴运动控制器作为下位机、工控机作为上位机，组成“IPC+ 运动控制器”的开放式数控系统。 铺放单元数控系统具有模块化、可重构、可扩充的软硬件系统，其中基于PC的运动控制器是整个控制系统的核心，它接受来自上位PC机的应用程序命令，按照设定的运动模式，完成相应的实时多轴同步协调运动规划，向伺服驱动器发出相应的运动指令，并直接决定控制速度和精度。系统硬件结构如图3 所示，其中轴接口板ACC-24E2A 输出±10V模拟量指令信号驱动主轴电机的同步运转，轴接口板ACC-24E2S输出脉冲加方向指令信号驱动铺放头各轴动作。 控制策略 1 UMAC及控制算法 UMAC[9] 是由一套3U 结构的欧洲标准卡组成的模块化Turbo PMAC2系统级控制器，它借助Motorola 的数字信号处理器DSP5630x，可同时控制多达32个轴、16个坐标系，实现多轴联动控制；鉴于UMAC卡具有的优异控制功能和良好的开放性特点，系统采用USB或Ethernet通讯方式使UMAC与上位机及控制操