基于时变结构的高速进给驱动系统动力学行为参数敏感性及振动控制研究

高速加工技术要求数控机床的进给驱动系统具有高速和高加速度能力，而在高速和高加速度等非常规工况下，进给驱动机构（尤其是具有大行程、重载荷）的时变动力学行为特性将给常规的设计和控制理论及方法提出新的挑战。本项目拟针对滚珠丝杠副进给驱动系统在高速、高加速度工况下的结构时变所导致的动力学特性参数演化及非线性振动控制问题开展其基础理论和基础实验研究。主要包括高速进给驱动系统时变结构的动力学精细建模；高速进给驱动系统的实时动力学参数敏感度分析；高速进给驱动系统动力学模型的快速辨识；高速进给驱动系统非线性振动控制的设计理论与方法。其预期研究成果将为高速滚珠丝杠副进给驱动系统（尤其是具有大位移、重载荷）的时变非线性动力学建模及高带宽控制提供基本的分析途径和基本的设计理论，这对于推动我国数控机床技术的发展具有重要的意义。

本项目针对高速滚珠丝杠副进给驱动系统在结构时变条件下动力学特性的瞬变或不确定性变化问题开展其基础理论和基础实验研究。提出了一种基于有限元-集中参数法的滚珠丝杠副进给驱动机构时变结构动力学建模与分析方法，重点分析了大行程、重载荷条件下滚珠丝杠副进给驱动机构的轴向和扭转动力学特性参数敏感性问题。针对重心驱动式进给驱动机构耦合轴位置变化引起的结构时变问题，建立了其动力学模型，分析了耦合轴位置变化对其动力学特性的影响规律，并进行了实验验证。建立了高速滚珠丝杠副进给驱动系统动力学特性实验研究平台，提出了一种基于运行检测的进给驱动系统扭转和轴向动力学特性测量与分析方法，利用高分辨率旋转编码器和直线光栅尺对进给驱动机构的时变动力学特性进行了测量和分析，通过实验和仿真发现了滚珠丝杠的滚振现象，并利用力锤法进行了进给驱动机构轴向振动模态及其参数敏感性的测量和分析。提出了一种基于小波分析的高速进给驱动机构模态参数快速识别方法，相对于传统傅里叶变换，该方法不仅能识别固有频率，还能识别阻尼比。基于传递函数法建立了考虑进给驱动机构扭转与轴向振动的伺服控制系统模型，分析了进给驱动系统敏感参数对伺服控制系统带宽和稳定性的影响，提出了一种基于自适应陷波滤波器的进给驱动系统主动抑振控制方法。项目研究成果可为高性能数控机床的进给驱动系统设计与控制提供科学依据。