基于數控加工中心的LOM快速成型裝置,基于,數控加工中心,lom,快速,成型,裝置 跟蹤控制和參考軌跡生成的LOM系統 Y. Liu, C. Li, D. Wang and X. Guo國家模具CAD工程研究中心、上海交大、上海200030,中國 一種改進輪廓精度被獲得于對軌跡跟蹤控制器的介紹和在LOM系統的軌跡生成中。定位系統的模型已發(fā)展成為設計跟蹤控制器的依據。一個零相位誤差跟蹤算法控制器(本文)被用來消除單軸證明，因此減少了輪廓誤差。這樣交叉耦合控制器被引進用于為了進一步降低由于雙軸匹配的輪廓誤差，對二維參考軌跡以及隨后的定位系統離線生成的方法的提出，運用一個Matlab模型建立仿真并得到了滿意的結果。 關鍵詞:輪廓誤差; LOM; 跟蹤控制; 軌跡生成 1、介紹 LOM技術被廣泛用于工業(yè)。它使得一個制造商可以開發(fā)一個模型或者直接原型從CAD(計算機輔助設計)在很短的時間內。這大大降低了設計時間和產品進入市場的時間。因此,LOM技術已被主要用于設計概念化，裝配的驗證和仿真[1]。LOM應用技術發(fā)展僅僅從原型到功能部件，精確的幾何制造在更短的時間內成為一個重要的問題。LOM應用情況，這取決于參考軌線的生成和跟蹤控制,以及對機器的加速性能。此外, 輪廓誤差產生的建立過程實質上是由于x - y定位誤差,其中涉及的伺服機制分配和跟蹤控制算法。本文的重點將特別以跟蹤控制為主導和參考軌跡生成在LOM系統中。對性能的評價所提出的方法, 使用Matlab模型基礎上建立模擬仿真對LOM機械進行改造在Kinergy新加坡動力機械有限公司。 2、LOM技術 2.1 LOM過程描述 LOM過程在制造紙業(yè)是一個疊層制造技術，這個過程開始使用的是計算機輔助設計(CAD)軟件設計了一個邊界面模型的部分。先進的CAD模型,然后轉換成接近表面該模型的三角網格的STL文件。 在z軸方向上的坐標命令STL模型切成一連串的水平層，為每一層的邊界定義為輪廓(即tool-paths)，然后邊界的信息被下載到本機。 2.2機械描述 LOM機器的核心部件是x - y龍門定位器,這是專為高速、高精度的激光切割的。圖1顯示的是一個x - y龍門定位的ZIPPYI系統，是由新加坡的Kinergy機甲開發(fā)，鐳射頭固定在滑塊的軸心y，龍門定位器驅動x - y激光器沿紙的外輪廓(軌跡人機)。根據執(zhí)行過程中產生的切片輪廓來進行動作的。一旦一層是建立起來了，平臺向下移動一紙厚度沿Z方向和另一層被擱在滾筒的紙形成下一層然后依次,到最上面的一層。 3、模型的定位系統和它的控制器結構 3.1直流伺服電機驅動模型 在我們的研究框架中，定位系統是一個線性的open-frame采用高精度x - y表和直流伺服電動機的滾珠絲杠。合適的前負荷被應用于一個滾珠絲杠來維持高剛度、不反彈。兩個增量編碼器直接耦合到伺服電機,并且用于速度和位置反饋。直流伺服電機驅動的動態(tài)Eq可以降低Eq[2]。(1)根據示意圖如圖2。 （1） T = KTIa Va(V)=電樞電壓 Ia (A)=電樞電流 Ra()=繞抵抗 La(mH)= 電感繞組 Kb(V /(rad / s))=電壓 KT(N·m / A)=轉矩常數 Je(Kg·m2)=等效轉子慣性矩 (rad / s)=電機轉速 B(N·m/(rad/s))=阻尼 TL(N·m)=負載轉矩(包括摩擦扭矩) （2） 3.2控制器結構 圖3顯示的基本原理提出的x - y定位跟蹤控制結構體系的情況。為了彌補添加的動力響應增加了一種跟蹤的前饋補償器并強加適當的跟蹤在新的參考輸入Xr(k)和實際輸出X(k)之間。在軸控制器中添加一個前饋補償器可以提高系統單軸的的響應速度，從而彌補了這一路徑跟蹤中每個軸誤差，但這并不能減少合成輪廓誤差由于:(1)在axial-loop參數中不匹配, （2)外部干擾和(3)輪廓在非線性軌跡和角落[3、4],因此介紹另一個協調補償器。 如圖1、落在x軸的載荷大于y軸，此外,在LOM應用中,激光運動軌跡大多是非線性的,涉及到許多難點。所有這些因素對輪廓控制都有有害影響的。為了進一步減少由于非線性軌跡和輪廓角兩參數不匹配引起的的輪廓誤差，正如我們所知道的輪廓誤差的重要性超過了偏差,一個非門控制器(CCC)被使用了。通過國家強制性“CCC”安全,首先被提出時Koren[5]。主要思想是建立真正時間內的輪廓誤差模型,在一種基于反饋的信息從兩個軸以及軌跡發(fā)生器, 找到一個最佳的補償法,然后反饋校正信號給軸。交叉耦合控制器的包括兩個主要部分: 1、實時輪廓誤差模型。 2、一種控制律。 一般來說,實時輪廓誤差補償的性價比高但是非常困難。在本文中,實時的輪廓誤差補償技術所稱[6]被應用于估計輪廓誤差的大小和為每個軸確定補償元件 圖4顯示了控制器的x軸結構的細節(jié)(Y軸控制器的結構是相似的)。 圖4中, Ax代表了放大器增益、Kv代表了切削模擬速度增益、Kpx是離散的位置反饋增益。給出了輸入 ux(k)對速度環(huán)和位置輸出x(k)之間的離散的傳遞函數 （3） 全比例和衍生產品收益被選為精密地阻尼閉環(huán)行為，而不考慮獲得CCC補償, 給出了相應理想輸入Xr(k)和實際位置輸出x(k) 之間的閉環(huán)傳遞函數, （4） Gr(z1)有兩個復雜的共軛兩極和一個負向相近z-plane起源的正極在前饋補償器Tx(z1)補償閉環(huán)傳遞函數Gr(z1)和強加一個更快的跟蹤信號。然而, 由于零的Gr(z1)(z1 = 0.82 -)都是負面的，它不應該被取消,否則,就會導致輕度阻尼振蕩輸出。以確保良好的跟蹤性能沒有取消該閉環(huán)零,零相位誤差跟蹤控制器(本文)提出了一種基于李明隆[7]的語境中焊接的應用。在文獻[8],補償器Tx(z-1)取消規(guī)定動力學定義為A(z-1)和在任何穩(wěn)定零點B(z-1)。也適用于一個前饋動態(tài)規(guī)模的因素零相位誤差,保證參考輸入位置xd(k)和實際位置x(k)。在這種情況下,跟蹤補償器將會被提供 （5） 補償作用是可實現的，因為所需的輸入序列xd (k),特別需要指出的是,超前兩步的價值可提前做好。于是,在瞬間kT,前饋控制行動將會在很大程度上取決于超前兩步xd (k)， （6） 傳遞函數(7)的參考軌跡之間的輸入xd (k)和工廠產量x(k)沒有CCC補償表明工廠產量是一個移動的平均單位的期望軌跡與穩(wěn)態(tài)增益。 （7） 傳遞函數之間的工廠產量x(k)及ex從CCC也是Gr(z1)。當考慮CCC補償，這個工廠產量被提出， （8） 4。參考軌跡生成跟蹤控制 不像計算機數控(CNC)技術,根據幾何信息提供,用的是線性的,圓形的,或樣條的插入器, 在LOM技術只有線性插值方法被使用(因為只在STL后的線性提取中產生片斷)，線性插值有助于低進給率，跟蹤誤差和輪廓誤差的存在分別負責最后部分的精度。因此,給定層,包括輪廓,即可被看作是一套線提取。為了保持沿每個直線段激光功率不變，,以維持一個恒定的比率在數字/模擬(D / A)輸出激光和激光切削在傷口的過程之間這是必要的。 （9） Vlaser(毫米/秒)是激光切削定位速度，Alaser(V)是激光的輸出,Amax 和Dmax分別是最大的激光D / A輸出和激光反饋，當前的技術、激光器的輸出只能控制在一個開環(huán)且沒有任何反饋,和D / A延時多樣輸出。因此,至關重要的是要保持刀具激光的常數。這就構成了一個約束的軌跡生成政策[9]。 另一個的制約軌跡生成的事實是激光進給率不連續(xù)。在兩段之間的連接點處,一個無限加速或扭矩是有時需要嚴格遵照參考的幾何形狀(在尖角處)。然而,由于轉矩有限,主要表現為線性系統模型的Eq。(1)可以代表一個“好”的近似實際系統中只有當沒有飽和度 （10） 輪廓誤差的棱角在不可避免的,除非激光器頭部在轉折能停止。然而,這并不好停止和開始在每一個棱角,特別是當肢節(jié)是非常小的,因為這將產生一種非常緩慢的平均速度,而且也因為不易控制 激光器的輸出在停止/開始點。而不是一個完全停止,這是更適當的減少的速度在一定的公差在Eq方面。(9)。 根據上面討論的兩個約束，軌跡生成事實上是一個優(yōu)化速度的問題及所需的加工時間為沒有在急速運動時。不像許多應用中,實時在線軌跡規(guī)劃是十分必要的。LOM應用中,軌跡生成和跟蹤控制系統可以被隔離。因此一個離線軌跡生成模型被提出了。 上面所描述的兩個約束條件,一個人可以得出這樣的結論:激光切削必須為常數才是可行的,除了在棱角處。事實上,如果激光切削 充分低,你甚至還可以在恒定的速度。然而,對于更高的參考速度要求和棱角處,或者非常小線提取，恒速或許都是不適宜的。在給定線段“優(yōu)化”速度曲線,有必要提前考慮下一個環(huán)節(jié)的長度和在下一個轉角處,以便有足夠的時間給出加速或減速。我們提出的LOM申請這是最主要的方針 超前算法決定了開始和結束的速度,根據當前段的電流長度和下一個環(huán)節(jié),并根據這兩段之間的角度。例如,如果角度接近180o，兩段可以看成是一條直線段并且在轉點也不需要減速。如果是在兩個預定義值角度,例如,100o和176o之間(這個值應該是根據仿真結果), 在轉點達到最大允許進給率應該是有規(guī)定的。否則,根據棱角處尤其是急角處激光進給率就應該降低了。上述算法只使用線性程序。在圖5的流程圖描述了計算在這個標準中必需的算法步驟。不同加速/減速的資料可選擇(如梯形,S-curve或多項式函數)在每個線段。在這種應用中,使用梯形輪廓已經被用來降低計算的復雜度和大量的內存需求。 軌跡生成的結果是保存在一個虛擬光盤分(x,y)序列中,那么它們被用于x - y定位控制系統，在第3節(jié)中所描述的跟蹤控制。 5、仿真結果 上面所描述的在Matlab環(huán)境下開發(fā)的雙軸仿真模型的定位系統是為了在第四節(jié)中的客觀評價性能的參考軌線的生成算法和在第3節(jié)提出了跟蹤控制器。圖6顯示了對其x軸Matlab仿真模型, X軸和參數都顯示在表1。該模型的定位系統,調節(jié)反饋和前饋跟蹤補償器是在3節(jié)描述的。仿真模型考慮了轉矩控制器和飽和度。 以評估其性能的前饋跟蹤控制器,“高”-頻率正弦參考輸入位置算法應用于仿真模型, 跟蹤補償器的存在與不存在。圖7(a)和(b)代表了參考輸入位置(虛線)和系統輸出的位置(實線)獲得了分別用與沒用跟蹤補償器。這些調查結果表明在所生產的引入前饋補償器的跟蹤性能等方面有了改進。 就像預期的那樣,這個補償器跟蹤閉環(huán)系統的響應速度更快,也可以沒有引入任何滯后的情況下根據高速參考輸入。 圖8顯示模擬模型,x - y定位系統,而個人軸驅動系統作為一個子系統參與了這一模型。在這個系統CCC補償器中扮演一個重要的角色。如9圖的模擬樣品。該曲線由181線提取是采用插值軌跡生成方法。其結果是保存在一個參考輸入文件”laserpath.mat”,然后是美聯儲定位系統。在圖9(a)和(b), 分別是追蹤位置(實線)有補償器和無補償器位置(虛線)進行了參考對比 ，圖9(c)顯示沒有補償器的輪廓誤差,帶和帶CCC +控制器。結果表明,x - y定位系統獲得了精確輪廓控制與控制補償器,從而得出通過消除單軸滯后降低了輪廓誤差的結論, 而CCC +本文能進一步減小雙軸不匹配引起的輪廓誤差[10]。 結論 本質上LOM控制系統需要的是一種高精度的定位體系與準確的激光輸出。該軌跡生成方法是對于生成一個期望軌跡的位置有用的, 接著是一個控制器的定位系統和CCC補償器?？刂蒲a償器的使用,消除了單軸下面的錯誤,從而減小了軸的輪廓誤差。CCC補償器被用來進一步減小雙軸不匹配引起的輪廓誤差。根據仿真結果和x軸傳動系統x - y定位系統在Matlab模型的基礎上的新的LOM機器在新加坡動力精密機械有限公司,產生了不錯的表現。 參考文獻 1. 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