双直驱伺服系统低速进给特性研究

发布时间：2020-05-28 05:19

【摘要】：传统的滚珠丝杠副低速运行时,由于摩擦的非线性会导致非线性蠕动爬行现象,难以实现精准的微量位移进给控制。在精密加工中,为了达到运动行程大、控制精度高的进给运动,目前多采用宏微复合驱动形式,即通过宏驱动机构完成大行程运动,通过微驱动在较小的行程内实现精度高的微量运动,但这种驱动存在非线性、刚度小、迟滞等缺陷。因此,本文基于双驱差动复合原理,利用空心轴直驱电机和螺母驱动型滚珠丝杠副,提出了一种双直驱微量进给伺服系统。本文对提出的双直驱微量进给伺服系统进行研究,围绕空心轴直驱电机的设计和优化,双直驱系统的刚度配置、动态特性、摩擦非线性、低速下临界爬行速度特性和低速下速度波动特性等进行研究。本文的主要内容包括:(1)基于磁路等效的方法初步设计了空心轴直驱电机。根据双直驱伺服系统对螺母驱动电机的设计要求,依据电机磁路法初步设计计算出了空心轴电机的基本参数,根据磁路法设计的基本参数,利用Maxwell软件仿真了空心轴直驱电机的空载特性和负载特性。(2)用多目标遗传算法对初步设计的空心轴直驱电机进行了参数寻优。针对初步设计的空心轴直驱电机齿槽转矩大、效率低、额定负载下转矩波动大,不满足设计要求的问题,确定影响空心轴直驱电机性能的设计变量及取值范围,以减小齿槽转矩、提升电机效率、减少磁钢用量为优化目标,建立多目标优化模型,采用优化拉丁超立方采样设计实验样本,用有限元法计算采样结果,依据采样结果建立Kring近似模型,在建立的近似模型的基础上采用NSGA Ⅱ多目标遗传算法对空心轴直驱电机进行优化,降低了转矩波动,提高了空心轴直驱电机性能。(3)优化了双直驱机械系统结合部的动刚度。通过用弹簧阻尼单元模拟系统的结合部对双直驱机械系统进行有限元建模;依据机械系统模态柔度的设计思想确定双直驱伺服系统优化目标为薄弱模态的模态柔度最小,基于弹性能分布率理论确定双直驱伺服系统的优化变量为系统中弹性能的分布率高的结合部刚度值,建立了多目标优化模型;基于正交试验和相似优先比理论确定了弹性能分布率较高的结合部刚度值对进给系统动态性能影响的主次顺序,并得到了其最优组合。(4)基于LuGre摩擦模型研究了双直驱系统低速下爬行速度的临界值。对双直驱伺服系统进行了动力学建模并设计了全闭环控制方案;,研究了系统工作台在低速工作时,采用双直驱差速驱动与传统的单丝杠驱动相比的临界爬行速度,在相同的控制参数下,与常规丝杠单驱动相比采用差速双驱动时,工作台的低速进给性能更好。(5)研究了双直驱伺服系统速度波动特性。分析了低速下影响电机转矩波动的主要因素,推导了双直驱伺服系统误差传递函数的幅频特性,分析了不同速度下转矩谐波对速度波动的影响规律,结合误差传递函数的幅频特性曲线和机械系统模态,确定了双直驱系统工作台低速下使用双驱动时两电机合理工作区间。最后仿真与实验对比分析了两种不同驱动下工作台在低速时的速度波动和位移跟踪误差波动情况,同时,与传统的丝杠单驱动相比,采用双驱动时在某些特定速度点可以有效避免电机谐波引起的系统共振,减小工作台的速度波动和位移跟踪误差波动,能获得更加平稳的低速性能。
【图文】：

．１．３．１微量进给机构的研究逡逑当前科学技术含量高的用于高精尖行业的零部件对加工精度提出了更高的要逡逑求，如用于光学系统中的非球面镜片要求镜片加工后，加工精度要求要小于１０ｎｔｎ。逡逑目前零部件的加工精度在０．０５￣０．００５邋ｐｍ范围属于超精密加工范畴，高精度微量进逡逑给机构是超精密加工技术的核心。高精度微量进给机构综合了机械结构动力学设逡逑计与优化、热力学建模与热误差补偿、摩擦建模与摩擦补偿、先进控制算法等多项逡逑前沿技术。目前，依据不同的驱动原理将超精密加工中应用的微量进给机构分为以逡逑下四类ｎ？３］：逡逑（１）基于智能材料的微量变形驱动：依靠形状记忆合金、电陶瓷等智能材料的逡逑变形伸缩效应可以实现微量进给运动。这类机构有较高的定位精度，分辨率最高逡逑可到纳米级，但缺陷是运动范围仅有几十微米，只能带轻负载运行，不满足需要大逡逑行程重载加工的情况。逡逑

东京工业大学基于直线电机驱动气浮导轨运动，用激光千涉仪做测量反馈装逡逑置，通过ＰＩＤ控制器进行前馈补偿，制作了超精密运动平台，在超精密运动平台逡逑中，系统的动静态性能被电流变阻尼器调控，其定位精度达到了邋２ｎｍＰｊ。如图１－逡逑２为卢礼华等采用螺旋传动副设计了一种超精密的工作台，其将Ｂａｎｇ－Ｂａｎｇ控制理逡逑论和轨迹规划思想和高增益ＰＩＤ闭环结合起来，在１５０邋ｍｍ的运动行程内实现了逡逑７．２邋ｎｍ的定位【２６］。东京工业大学开发的纳米级气体静压运动平台如图１－３所示［２＇逡逑它利用有刷直流电机驱动气体静压丝杠，用气体静压导轨和气体静压轴承作为支逡逑撑件，使用０．３邋ｎｍ分辨率的激光千涉仪进行位置反馈，实现了在４００邋ｍｍ行程范逡逑围内±２邋ｎｍ的定位精度。逡逑驱动系统逦位ｉｆｆ测ｔｔ系统逡逑逦，一逦＇、逡逑＿ｎ邋ｆＨ，，逦＾＝工触＝＾５＾敝＿邋ｊ逡逑激光头邋Ｉ邋；逡逑Ｉ邋“逦？逦逦１邋；邋！逦激）ｔ接收邋ＪＫ逦｜逡逑！邋￣￣Ｉ逦反射梭锗邋浪珠铁杠丨｜邋￣逦Ｌｊ邋１邋！逡逑｜邋Ｉ邋似＃１逦Ｉ邋＊邋测邋ｉ板邋＾￣Ｉ邋！逡逑、、：N」逦ｚ７邋＇七：口：N晚一逡逑￣＂Ｉ邋计邋Ｉ￣逦逡
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM31

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本文编号：2684775