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研究生: 姜唐傑
Jiang, Tang-jie
論文名稱: 主動式氣壓配重系統於高速工具機之研究
A Study of Active Pneumatic Counterweight System Applied on High Speed Machine Tool
指導教授: 施明璋
Shih, Ming-chang
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 機械工程學系碩士在職專班
Department of Mechanical Engineering (on the job class)
論文出版年: 2007
畢業學年度: 95
語文別: 中文
論文頁數: 60
中文關鍵詞: 氣壓配重主動式氣壓配重系統自調式模糊控制器
外文關鍵詞: Pneumatic counterweight, Active Pneumatic Counterweight System, Self-tuning fuzzy controller
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  • 近年來,工具機的研發及製造皆朝著高速、超精密與高效率為發展趨勢。氣壓配重法適用於工具機的配重系統,但是氣壓缸的輸出力量必須加以控制,才能有效降低工具機進給系統的干擾力,提高主軸垂直定位精度。
    本文的研究目的是分析主動式氣壓配重系統,建立數學模型及使用自調式模糊控制器,在不同的速度下對系統進行壓力控制實驗,並分別探討實驗結果。

    The trends of design and development of machine tool have been focused on the features of high speed, high precision, and high efficiency. The pneumatic counterweight method is a suitable counterweight method used for machine tool. However, the cylinder force output must be controlled to reduce the disturbance force and to promote the precision of vertical positioning control for spindle feeding. For the reason, the purpose of this study was to analyze the Active Pneumatic Counterweight System on the basis of a mathematical model and the use of Self-tuning Fuzzy Controller (STFC) on servo pneumatic pressure control for cylinder force output. The system was experimented under pressure control at the different travelling rates, and results of this experiment were discussed respectively.

    目 錄 中文摘要…………………………………………………… Ⅰ 英文摘要…………………………………………………… Ⅱ 誌謝………………………………………………………… Ⅲ 目錄………………………………………………………… Ⅳ 表目錄……………………………………………………… Ⅵ 圖目錄…………………………………………………… Ⅶ 符號說明.….……………………………………………… Ⅸ 第一章 緒論…………………………………………………… 1 1-1 前言…………………………………………………… 1 1-2 研究動機……………………………………………… 1 1-3 工具機配重系統介紹………………………………… 2 1-4 氣壓控制方式介紹……………………………… 6 1-4-1 氣壓控制迴路介紹……………………… 6 1-4-2 控制器介紹……………………………… 7 1-5 研究目的及方法……………………………………… 9 第二章 氣壓配重系統介紹.….……………………………… 11 2-1 被動式氣壓配重系統……………………………… 11 2-2 主動式氣壓配重系統………………………………… 15 2-3 實驗設備……………………………………………… 17 2-3-1 雙動式單桿氣壓缸……………………… 17 2-3-2 氣壓流量伺服閥………………………… 18 2-3-3 線性馬達………………………………… 19 2-3-4 感測器…………………………………… 21 2-3-5 微電腦與控制介面………………………… 22 2-3-6 氣壓配重系統控制實驗台………………… 22 第三章 控制理論……………………………………………… 24 3-1 模糊控制理論………………………………………… 25 3-2 模糊控制器架構……………………………………… 27 3-2-1 模糊化界面………………………………… 28 3-2-2 知識庫……………………………………… 29 3-2-3 決策邏輯…………………………………… 29 3-2-4 解模糊化界面……………………………… 30 3-3 自調式模糊控制理論………………………………… 31 第四章 系統數學模式分析與控制器設計……………………… 34 4-1 主動式氣壓配重系統數學模式分析………………… 34 4-1-1 系統力平衡方程式……………………… 34 4-1-2 系統摩擦力模型………………………… 37 4-1-3 伺服閥的數學模式……………………… 38 4-1-4 控制容積的質量流率計算……………… 38 4-1-5 控制容積的熱力過程…………………… 41 4-1-6 控制容積壓力變化之計算……………… 42 4-2 自調式模糊控制器………………………………… 43 4-2-1 自調式模糊控制器的架構……………… 43 4-2-2 歸屬函數建立…………………………… 44 4-2-3 模糊推論規則…………………………… 45 4-2-4 增益更新因子…………………………… 46 4-2-5 解模糊化………………………………… 47 第五章 實驗結果與討論………………………………………… 49 5-1 系統摩擦力量測……………………………………… 49 5-2 被動式氣壓配重系統之實驗……………………… 50 5-3 主動式氣壓配重系統之實驗………………………… 51 第六章 結論……………………………………………… 57 參考文獻………………………………………………………… 58 表 目 錄 表2-1 實驗設備主要元件規格表…………………………… 17 表4-1 模糊控制規則表……………………………………… 46 表4-2 輸出尺度因子調整機構之模糊控制規則表………… 47 圖 目 錄 圖1-1 工具機配重系統示意圖……………………………… 5 圖1-2 減壓閥壓力控制迴路圖……………………………… 7 圖1-3 方向閥壓力控制迴路圖……………………………… 7 圖1-4 比例閥壓力控制迴路圖……………………………… 7 圖1-5 伺服閥壓力控制迴路圖……………………………… 7 圖2-1 被動式氣壓配重系統架構圖………………………… 12 圖2-2 被動式氣壓配重系統示意圖………………………… 13 圖2-3 線性馬達驅動系統方塊圖…………………………… 15 圖2-4 主動式氣壓配重系統架構圖………………………… 16 圖2-5 主動式氣壓配重系統方塊圖………………………… 17 圖2-6 雙動式單桿氣壓缸…………………………………… 18 圖2-7 FESTO五口三位氣壓流量伺服閥……………………… 19 圖2-8 伺服閥設定電壓與流量關係圖……………………… 19 圖2-9 旋轉型馬達與線性馬達構造比較圖………………… 20 圖2-10 KOLLMORGEN線性馬達……………………………… 20 圖2-11 KYOWA壓力感測器…………………………………… 21 圖2-12 RSF Elektronik光學尺……………………………… 21 圖2-13 解碼電路接線圖……………………………………… 22 圖2-14 氣壓配重系統控制實驗台…………………………… 23 圖3-1 Fuzzy I/O控制器的概念方塊圖……………………… 26 圖3-2 模糊控制器的基本架構圖…………………………… 28 圖3-3 傳統式模糊控制器基本架構圖……………………… 32 圖3-4 自調式模糊控制器基本架構圖……………………… 33 圖4-1 主動式氣壓配重系統示意圖………………………… 36 圖4-2 系統摩擦力模型……………………………………… 37 圖4-3 控制容積壓力比與壓力函數關係圖………………… 41 圖4-4 壓力控制之自調式模糊控制器架構圖……………… 44 圖4-5 誤差之歸屬函數圖…………………………………… 44 圖4-6 誤差微分與輸出之歸屬函數圖……………………… 45 圖4-7 增益更新因子之歸屬函數圖………………………… 47 圖5-1 系統摩擦力與運動速度之關係圖…………………… 50 圖5-2 被動式氣壓配重系統壓力控制之時間響應圖 (最大移動速度分別為0.3m/s與0.5m/s) …………………… 52 圖5-3 主動式氣壓配重系統壓力控制之時間響應圖 (最大移動速度0.3m/s) …………………………………… 53 圖5-4 主動式氣壓配重系統壓力控制之時間響應圖 (最大移動速度0.5m/s) ……………………………………… 54 圖5-5 主動式氣壓配重系統壓力控制之位置、速度時間響應圖 (最大移動速度0.3m/s) ……………………………………… 55 圖5-6 主動式氣壓配重系統壓力控制之位置、速度時間響應圖 (最大移動速度0.5m/s) ……………………………………… 56

    [1] Blackburn, J. F., Fluid Power Control, John Wiley & Sons, New York and London, 1960.

    [2] Mccloy, D. & Martin, H. R., Control of Fluid Power: Analysis and Design, 2nd ed., Ellis Horwood Limited, 1980.

    [3] Mudi, R. K. & Pal, N. R., A Robust Self-Tuning Scheme for PI- and PD-Type Fuzzy Controllers, IEEE Transactions on Fuzzy Systems, vol. 7, no.1, pp.2-16, 1999.

    [4] Outbib, R., State Feedback Stabilization of an Electropneumatic System, Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, Transactions of the ASME, vol. 122, pp. 410-415, 2000.

    [5] Pandian, Pressure Observer –Controller Design for Pneumatic Cylinder Actuators, IEEE/AMSE Transactions on Mechatronics, vol.7, no.4, pp.490-499, 2002.

    [6] Richer, E., A High Performance Pneumatic Force Actuator System: Part Ⅰ -Nonlinear Mathematical Model, Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, Transactions of the ASME, vol. 122, pp. 416-425, 2000.

    [7] Richer, E., A High Performance Pneumatic Force Actuator System: Part Ⅱ –Nonlinear Controller Design, Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, Transactions of the ASME, vol. 122, pp. 426-434, 2000.

    [8] Shieh, L., Implemntation of Integrated Fuzzy Logic Controller for Servomotor System, IEEE International Conference on Fuzzy Systems, v4, 1995.

    [9] Tsai, M.-H. & Shih, M.-C., A Study of Pneumatic Counterweight of Machine Tools Conventional and Active Pressure Control Method, JSME International Journal, Series C, Vol.49, No.3, pp.890-896, 2006.

    [10] 王進德、蕭大全,類神經網路與模糊控制理論入門,全華科技,台北市,2005。

    [11] 王文俊,認識Fuzzy,全華科技,台北市,2006。

    [12] 白凱仁,自調式模糊控制射出成型機射膠速度之研究,國立成功大學機械工程學系碩士論文,台南市,1998。

    [13] 何啟吉,氣壓缸與步進馬達作雙軸運動之位置控制研究,國立成功大學機械工程學系碩士論文,台南市,2002。

    [14] 李建藩,氣壓傳動系統動力學,華南理工大學出版社,1991。

    [15] 周洪,氣動技術的新發展,《液壓氣動與密封》,總第77期,頁2-12,1999。

    [16] 邱新橋、張桂英、張晨陽,機床垂直運動部件重力平衡方法的研究,《機械制造》,第42卷,第473期,頁39-41,2003。

    [17] 孫宗瀛、楊英魁,Fuzzy控制:理論、實作與應用,全華科技,台北市,2005。

    [18] 張碩,自動控制系統,鼎茂圖書,台北市,2001。

    [19] 許正道,油空壓的數位控制與應用,全華科技,台北市,1989。

    [20] 許資永,嵌入氣靜壓軸承之雙軸氣壓伺服平台精密定位控制之研究,國立成功大學機械工程研究所碩士論文,台南市,2006。

    [21] 陳志鏗、曾偉誠、許旭明,龍門銑床Z軸油壓配重測試分析,《機械月刊》,第28卷,第6期,2002。

    [22] 陳國禎,線性馬達伺服應用技術,《機械工業雜誌》,第229期,頁126-138,2002。

    [23] 陳國禎,線性馬達氣壓配重,《機械工業雜誌》,第241期,頁156-161,2003。

    [24] 張恩生,線性馬達工具機之技術發展與應用,《機械工業雜誌》,第216期,頁156-161,2001。

    [25] 曾我部正豐、張哲堅,線型馬達的最新技術及其應用,《機械工業雜誌》,第252期,頁189-193,2004。

    [26] 褚明豐,線性馬達工具機垂直軸之高性能伺服控制器之設計與實現,國立成功大學製造工程研究所碩士論文,台南市,2003。

    [27] 蔡明宏,氣壓缸作垂直運動及受負荷下壓力伺服控制之研究,國立成功大學機械工程研究所碩士論文,台南市,2003。

    [28] 蔡明祺、李榮顯、姚武松、梁碩芃,線性馬達驅動之工具機系統簡介,《機械月刊》,第296期,頁367-381,2000年。

    [29] 劉向陽、郁鼎文,馮平法,竪直運動平台氣動配重的研究,《機械科學與技術》,第25卷,第3期,頁352-354,2006。

    [30] 顏瑞宏,氣壓缸位置以模糊斷續式非線性增益控制之研究,國立成功大學機械工程研究所碩士論文,台南市,2001。

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    校外:2007-08-14公開
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