重载工作台动态卸荷建模及其仿真研究

    1 引 言

    精密进给工作台已应用到工业的许多领域，正在发挥着重要作用。 但在重载条件下的应用却受到了很大限制。如对一些重型零件的精确装配，通常重载进给工作台的承载和移动定位两种功能是融在一起的，精密进给工作台还不易完成在重载条件下的精确定位进给。 本文着重研究如何使重载进给工作台的承载和移动定位两种功能有效分开，分别是电机伺服系统的精密定位作用和液压伺服系统的辅助驱动作用。 使精密定位进给工作台的溜板处于一种动态复合驱动状态，从而改变了进给工作台进给定位驱动控制方式，使进给工作台总体性能更合理。

    2 重载进给工作台复合伺服系统力学模型分析

    由电机伺服驱动系统完成主体移动定位功能， 由液压卸荷装置完成承载溜板的辅助进给驱动功能， 两部分的控制系统需要总控系统进行协调控制。 在精密定位进给工作台电机伺服驱动控制系统上的力传感器受到的拉力或压力被限制在给定值范围之内。 力传感器将受到的拉力或压力对应的接口信号反馈给总控系统。 当超过给定值范围时， 液压卸荷系统完成对承载溜板的辅助进给驱动。 当重载时，首先由电机伺服驱动控制系统对重物施加驱动力，这时力传感器的拉力或压力在不断地增大，当力传感器的接口信号超出了某一范围时， 总控系统立即控制液压伺服控制系统逐渐增加驱动力， 以使进给工作台上电机伺服驱动控制系统的受力在允许范围内变化。电机伺服驱动控制系统通常是滚珠丝杠副驱动系统结构，现将两驱动系统复合，得到重载进给工作台复合伺服驱动系统的总体力学模型。 重载进给工作台复合伺服系统是一个多参数的动力学系统， 能够反映影响重载进给工作台系统稳定性、 动态响应特性和移动定位精度的主要因素。 如图 1 为复合伺服进给工作台简化力学模型。

    对重载进给工作台复合伺服系统来说， 要实现精确定位就要合理设置动态响应过程的相关参数， 特别是机械系统结构方面参数的优化设计。 重载进给工作台复合伺服系统中溜板的受力平衡力学关系式为：

其中，m-重载进给工作台的质量；a-重载进给工作台的加速度；F-重载进给工作台整个系统受的合力；μ-工作台与导轨之间的摩擦系数；Ff-工作台与导轨之间摩擦力 ；FM-滚珠丝杠受到的电机驱动力；Fe-液压缸驱动力；l-滚珠丝杠中心轴到滑台垂直距离；A-活塞截面面积；S-滚珠丝杠导程；θ-电机输入转角；M-滚珠丝杆转矩；xi（t）-活塞位移；xj（t）-油缸输出位移。