高速高精度机电系统的结构/控制一体化设计模型的研究

易应宽

摘 要：现代的机电系统对于各种基建工程情况和工程条件的动态精度都提出了越来越高的要求，而且要求的稳定性也在相对提升。在传统意义上会首先对机械部分进行简要的分析和设计，然后根据其进行改革并做好系统控制的设计工作。但是因为机械系统的动力学特性，加之控制系统之间存在着相互的耦合情况，这会使得结构参数和控制参数会存在着一定的冲突，所以不能根据传统的方法对机械系统和控制系统进行分析，为了提升系统的性能，本研究主要分析高速高精度机电系统的结构，控制一体化的设计模型进行简要的分析，希望所得内容能够给相关领域的应用有价值的参考。

关键词：高速高精度；机电系统；控制一体化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.199

0 引言

机电一体化的发展速度在不断的提升，现在机电系统对于各种极限环境下的动态精度和稳定性都提出了更高的要求。在高动态和高加速度等实际条件之下，制造装备的系统性能对于机械系统静态运行的精度产生重要的影响，所以分析高速高精度机电系统的结构，做好控制一体化设计模型的研究是十分重要的。

1 高速高精度机电系统的结构/控制分析

机电系统参数并行的设计需要在一次优化设计当中对所有的结构和控制参数的设计进行完成。机电一体化的设计基础是结构/控制，其中应该体现出建模的重要性。分析传统的机电一体化，它们在设计的时候往往会针对一个具体的对象进行建模，所以建模之后不具有通用性。进行机械结构的分析，采用有限元的方法对其进行分析，分析结构的散化能够具有广泛的代表性。在控制系统当中会涉及到很多的参数，比如说传感器的形状和数量，这些都很难和结构有限的元进行紧密的结合。所以参照有限元的思想进行一体化的建模，首先需要解决的就是控制系统如何和有限元进行融合。为了有效地推导建立结构/控制动力学方程，其需要做好两个方面的假设工作。①对于传感器和执行器的质量不纳入计算；②对于信号的采集和反馈作用是实时动态的，对于信号的采集、处理、反馈到执行的延长时间不纳入计算[1]。控制系统的离散化处理，需要在结构分析当中将有限元的工具进行合理利用。

2 高速高精度机电结构/控制系统的控制技术原理分析

2.1 加减速技术分析

在此以机电数控机床为例，对良种加减速控制方法进行分析，首先分析梯形加减速控制方法，它是一种容易实现的，而且机床的响应速度相当快具有较高的速度和效率。但是这也存在着明显的不足，主要是因为它不能够和伺服电机的特性进行匹配，那么就很难使电机的特性得以充分的发挥。而且在加减速阶段，其起点和终点的加速度都存在着跳变情况，这会使得机床运动产生一定的冲击，对于机床运动的平稳性以及轨道的精度会产生影响。部分系统会通过滑动平均的滤波器来进行加速度跳变问题的解决，但这种减速控制方法一般用于启停和进退刀等辅助运行，对于经济型数控系统能够更好的使用，但是对于高速高精度的数控系统却不佳。s曲线加减速控制方法就是在进行减速的时候，将加速度的导数作为常数，通过对加速度进行控制以此来限制机床的冲击和振动，通过加速度加加速度两个物理量的参数进行编程，能够有效地实现柔性加速控制，它能够有效地适应机床的不同工况。完整的s曲线的加减速过程中，主要通过7个阶段来构成，这7个阶段分别是，加加速段、匀加速段、减加速段、匀速段、加减速段和减减速度按。起点以及终点的速度主要和实际的加工路段长短来确定。s曲线加减速控制，其特点就是加减速阶段，分别是加速度分段连续线形变化，但是在加减速阶段的起点和终点主要为加加速度的突变，够更好的对机床的冲击进行限制。所以这能够更好的适用于高精度数控系统。如德国的PA8000、华中“世纪星”系列和大连光洋GTP8000E系列高档数控系统等均具有S曲线加减速功能[3]。

2.2 连续短线段加工技术

曲线拟合法一般是通过一定的误差范围之内，采用样条曲线拟合来进行原来轮廓信息的还原。它能够将连续的短线条拟合成为一个光滑的曲线，更好地实现曲线直接的插补技术。在你和现行当中可以划分为多种，比如NURBS拟合以及无此参数样条曲线等等。这种方法主要是前瞻的结合了容易实现的平滑度的控制，在整个你和过程当中，样条曲线的节点信息在计算起来较为复杂，不利于进行线条的实现，所以一般主要采用离线拟合方法来进行。为了更好地实现连续短线条的加工，以便于促进其加工生长速度的控制，所以无论是采用任何的转接方法，那么在进行转接口的速度限制以后，都必须的通过对轨迹的前瞻技术的规范来实现。真的基本思路就是在进行插补的时候，预插一段距离。判断此时的路径是否需要提前加速，如果在减速段这段距离比所需要的理论距离较短，那么就需要对前瞻性的减速点的实际位置进行确定，当数控的系统进行插补的时候，查不到该个减速点，就能够自动实现减速，这能够有效地对于各个转接点的运行速度进行满足。但因为加工的轨迹存在任意性，而加减速的规律具有复杂性，所以前端算法的计算量往往比较大，因此其所研究的通用轨迹和计算高效、加减速最优等都是目前的主要目标。

此外还有参数曲线插补技，NURBS参数曲线插补是现代高档数控系统的标志性功能之一，目前国际上已有FANUC30i、Sinumerik840D和三菱等少数高档数控系统支持NURBS插补，NUM公司的Axium Power数控系统支持多项式插补和NURBS插补，国内广数GSK21M等数控系统也具有样条曲线插补功能。

3 结语

高速高精度的机电系统，对于现在知道也来说是一个发展的主流，分析并研究高速高精度的机电系统，能够有效地为当前的各个行业提供必要的发展支撑。高速高精度的运动控制系统和高性能的数控系统，这是关键技术，也是当代运动控制理论和先进微电子技术相结合的成果。在当前环境不断发展的背景之下，需要对先进技术进行合理的应用，将其应用到高速高精度的机电系统的设计当中，更好的提升机电系统的性能，以便于为工作和生活提供更好的服务，促进我国生产力的发展。

参考文献：

[1]杨培林，徐凯，薛冲冲，贾焕如.基于模型检测的机电系统FMEA研究[J].机械工程学报，2014，20（13）：54-55.

[2]马龙.公路机电系统的信息化管理[J].交通世界（建养.机械），2016，02（14）：163-164.

[3]姜臻祺.上海轨道交通综合监控系统集成方案设计与应用研究[J].地下工程与隧道，2015，11（04）：524-525.

[4]崔鸿雁.智慧交通中增强型MSTP传输解决方案探析[J].中国交通信息化，2016，03（04）：487-488.