音圈电机FTS滑模重复控制研究
发布时间：2021-06-08 04:59
随着科学技术的不断发展,生活水平不断提高,光学技术在军事、航天科技、医学和通讯工程等领域内发展起到了关键性的作用,对于如何实现对光学曲面部件进行精加工并且低成本也成为了关键性的研究。其中,快速刀具伺服系统（Fast Tool Servo,FTS）利用金刚石作为切削工具其具有高频响、高精度、大行程、高刚度等特点是目前研究较多的加工技术之一。本文以音圈电机为被控对象,研究FTS系统在加工过程中为了提高跟踪精度、抑制扰动的控制方法,具体研究内容如下:首先,搜集并查阅大量的国内外参考文献,掌握有关音圈电机、快刀伺服装置以及对适用于音圈电机FTS的控制算法。由此,针对音圈电机驱动快刀伺服装置系统的基本结构、工作原理和FTS装置的核心性能指标等对系统进行数学建模。其次,针对音圈电机FTS伺服系统周期性扰动和周期性输入信号的跟踪问题提出改进式重复补偿PI控制,既能精确跟踪周期信号,抑制周期性扰动,又能解决由于重复控制器的延时而导致动态响应较差的问题。对于抑制非周期扰动构造了超螺旋观测器,利用鲁棒精确微分器来估计超螺旋观测器所需的速度。将两种控制方法的优点结合起来,提出基于超螺旋观测器的改进式重复控制...
【文章来源】：沈阳工业大学辽宁省
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
高精密自由曲面类加工器件Fig.1.1Highprecisionfree-formsurfacemachiningdevices
沈阳工业大学硕士学位论文2图1.2日本森精机MORISEIKICNC高精度立式加工机床Fig.1.2JapaneseMorifinemachineMORISEIKICNChighprecisionverticalmachiningmachine（2）工件的抛光对工件的抛光，外表面打磨等工艺，因为技术的局限，以及设备的粗糙性，使得生产部件总体效率降低，要想制造出具有高精度、大行程的数控机床，对于高精度零部件的加工制造有着重要的意义。随着光学设计的发展，设计者提出了一些较为复杂的光学自由曲面，如不连续曲面、Kohler曲面和一些仿复眼曲面。它们可以进一步改善透镜的一些光学特性，改善照明效率、扩大视野等[3]。这就要求所需工件表面的粗糙程度应达到微米级甚至更高的精度，工件曲面越复杂，对其加工技术的精度越严苛。因此，在加工原件过程中应更好地控制和消除主要误差来源以满足加工精度需要[4]。相对于金属部件外表面相对复杂的非圆型以及不对称型的工件就要使用不同的车削设备进行加工，这些车削设备必须具备着相当高的制造精度，同时也须要具备着很好的加工效率，较低的成本优势。为使这些目标得以实现，新一代的数控机床车削工具以及全新的加工方式被开发出来。比如：小型铣床、UltraMill超精密微细铣床加工、快速刀具伺服技术(FastToolServo，FTS)、慢速刀具伺服技术(SlowToolServo，STS)等[5]。其中，STS加工技术受自身车床滑动底座惯性的影响以及电机运动速度较慢的局限，仅适合加工曲面连续而且较大的复杂光学器件，加工效率偏低[6]。而在现实车床使用中，快速刀伺服技术有着较大的行程，高精度和高分辨率的优点，能够在加工工件表面相对复杂的时候使用。光学表面加工精度的提高已成为FTS制造中的主要问题。影响加工精度的两个主要因素是众所周知的。第一个因素来自于超精密车床和加工技术系统?
第1章绪论3研究，以获得更好的性能[7]。1.2FTS技术的国内外研究现状基于快刀伺服系统（FTS）的金刚石车削技术被越来越多的学者研究。FTS起源于劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LawrenceLivermoreNationalLaboratory，LLNL）20世纪80年代大规模光学金刚石车床的开发过程[8]。如图1.3所示大型光学金刚石车床结构图，帕特森开发了一种新型的微刀具进给系统，以压电陶瓷作为系统的执行器件，利用压电陶瓷的原理分析，进而取得刀具的微位移。微进给系统后来被命名为快速刀具伺服系统[9]。图1.3大型光学金刚石车床结构图Fig.1.3StructureDiagramoflargeOpticalDiamondLathe1.2.1FTS装置的发展现状因为快速刀伺服装置加工技术在频率响应上具有1~2kHz，以及更高的动态频率响应，有着加工精度达到纳米级别，是目前很多研究人员进行三维空间化复杂表面加工的首选方案。早在1991年，美国就是使用了快速刀伺服装置进行对圆周曲面进行表面数据加工，这种圆周表面会有接近40个矩形齿，其波幅能够达到2.5μm，部件加工出来的表面误差能够达到0.5μm[10]。在1999年，夫琅和费生产技术学院研究人员就使用快速刀伺服装置，加工出了集成式的多面反光镜片，如下图1.4所示。在2004年美国实验室也使用快速刀伺服装置加工出如图中1.5所示的正弦表面，其X轴、Y轴波长以及运动幅值都能够达到70.7μm和2.5μm。部件表面精度误差为0.1μm，表面粗糙度为50nm。
【参考文献】：
期刊论文
[1]超精密铣削加工自由曲面光学元件误差补偿方法[J]. 曹义. 组合机床与自动化加工技术. 2018(11)
[2]采用鲁棒微分器的永磁直线同步电机二阶滑模控制[J]. 孙宜标,杨雪,夏加宽. 中国电机工程学报. 2007(33)
博士论文
[1]利用快速刀具伺服车削光学自由曲面的研究[D]. 刘强.吉林大学 2012
[2]基于滑动模态的永磁直线同步电动机鲁棒速度控制[D]. 孙宜标.沈阳工业大学 2007
硕士论文
[1]洛伦兹力型快速刀具伺服系统跟踪控制研究[D]. 徐燕.沈阳工业大学 2019
[2]超高频运动仿真系统设计及实现[D]. 范旭伟.哈尔滨工业大学 2019
[3]基于扰动观测器的移动机人轨迹跟踪控制研究[D]. 严珺雄.天津工业大学 2019
[4]基于模糊自适应分数阶PID伺服控制系统研究与设计[D]. 单亚运.江苏科技大学 2018
[5]基于速度规划的永磁直线伺服系统自适应反推滑模控制[D]. 吴勇慷.沈阳工业大学 2018
[6]高频响音圈电机驱动FTS的模糊神经网络重复控制[D]. 苏晓锋.沈阳工业大学 2018
[7]基于扰动观测器的IPMSM无位置传感器研究[D]. 周静.大连理工大学 2018
[8]高推力密度圆筒型音圈电机的结构设计研究[D]. 王晓伟.重庆大学 2018
[9]高精度微进给快速刀具伺服系统控制算法研究[D]. 张戟.沈阳工业大学 2017
[10]基于压电陶瓷的快刀伺服车削加工研究[D]. 李海民.广东工业大学 2016
本文编号：3217748
【文章来源】：沈阳工业大学辽宁省
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
高精密自由曲面类加工器件Fig.1.1Highprecisionfree-formsurfacemachiningdevices
沈阳工业大学硕士学位论文2图1.2日本森精机MORISEIKICNC高精度立式加工机床Fig.1.2JapaneseMorifinemachineMORISEIKICNChighprecisionverticalmachiningmachine（2）工件的抛光对工件的抛光，外表面打磨等工艺，因为技术的局限，以及设备的粗糙性，使得生产部件总体效率降低，要想制造出具有高精度、大行程的数控机床，对于高精度零部件的加工制造有着重要的意义。随着光学设计的发展，设计者提出了一些较为复杂的光学自由曲面，如不连续曲面、Kohler曲面和一些仿复眼曲面。它们可以进一步改善透镜的一些光学特性，改善照明效率、扩大视野等[3]。这就要求所需工件表面的粗糙程度应达到微米级甚至更高的精度，工件曲面越复杂，对其加工技术的精度越严苛。因此，在加工原件过程中应更好地控制和消除主要误差来源以满足加工精度需要[4]。相对于金属部件外表面相对复杂的非圆型以及不对称型的工件就要使用不同的车削设备进行加工，这些车削设备必须具备着相当高的制造精度，同时也须要具备着很好的加工效率，较低的成本优势。为使这些目标得以实现，新一代的数控机床车削工具以及全新的加工方式被开发出来。比如：小型铣床、UltraMill超精密微细铣床加工、快速刀具伺服技术(FastToolServo，FTS)、慢速刀具伺服技术(SlowToolServo，STS)等[5]。其中，STS加工技术受自身车床滑动底座惯性的影响以及电机运动速度较慢的局限，仅适合加工曲面连续而且较大的复杂光学器件，加工效率偏低[6]。而在现实车床使用中，快速刀伺服技术有着较大的行程，高精度和高分辨率的优点，能够在加工工件表面相对复杂的时候使用。光学表面加工精度的提高已成为FTS制造中的主要问题。影响加工精度的两个主要因素是众所周知的。第一个因素来自于超精密车床和加工技术系统?
第1章绪论3研究，以获得更好的性能[7]。1.2FTS技术的国内外研究现状基于快刀伺服系统（FTS）的金刚石车削技术被越来越多的学者研究。FTS起源于劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LawrenceLivermoreNationalLaboratory，LLNL）20世纪80年代大规模光学金刚石车床的开发过程[8]。如图1.3所示大型光学金刚石车床结构图，帕特森开发了一种新型的微刀具进给系统，以压电陶瓷作为系统的执行器件，利用压电陶瓷的原理分析，进而取得刀具的微位移。微进给系统后来被命名为快速刀具伺服系统[9]。图1.3大型光学金刚石车床结构图Fig.1.3StructureDiagramoflargeOpticalDiamondLathe1.2.1FTS装置的发展现状因为快速刀伺服装置加工技术在频率响应上具有1~2kHz，以及更高的动态频率响应，有着加工精度达到纳米级别，是目前很多研究人员进行三维空间化复杂表面加工的首选方案。早在1991年，美国就是使用了快速刀伺服装置进行对圆周曲面进行表面数据加工，这种圆周表面会有接近40个矩形齿，其波幅能够达到2.5μm，部件加工出来的表面误差能够达到0.5μm[10]。在1999年，夫琅和费生产技术学院研究人员就使用快速刀伺服装置，加工出了集成式的多面反光镜片，如下图1.4所示。在2004年美国实验室也使用快速刀伺服装置加工出如图中1.5所示的正弦表面，其X轴、Y轴波长以及运动幅值都能够达到70.7μm和2.5μm。部件表面精度误差为0.1μm，表面粗糙度为50nm。
【参考文献】：
期刊论文
[1]超精密铣削加工自由曲面光学元件误差补偿方法[J]. 曹义. 组合机床与自动化加工技术. 2018(11)
[2]采用鲁棒微分器的永磁直线同步电机二阶滑模控制[J]. 孙宜标,杨雪,夏加宽. 中国电机工程学报. 2007(33)
博士论文
[1]利用快速刀具伺服车削光学自由曲面的研究[D]. 刘强.吉林大学 2012
[2]基于滑动模态的永磁直线同步电动机鲁棒速度控制[D]. 孙宜标.沈阳工业大学 2007
硕士论文
[1]洛伦兹力型快速刀具伺服系统跟踪控制研究[D]. 徐燕.沈阳工业大学 2019
[2]超高频运动仿真系统设计及实现[D]. 范旭伟.哈尔滨工业大学 2019
[3]基于扰动观测器的移动机人轨迹跟踪控制研究[D]. 严珺雄.天津工业大学 2019
[4]基于模糊自适应分数阶PID伺服控制系统研究与设计[D]. 单亚运.江苏科技大学 2018
[5]基于速度规划的永磁直线伺服系统自适应反推滑模控制[D]. 吴勇慷.沈阳工业大学 2018
[6]高频响音圈电机驱动FTS的模糊神经网络重复控制[D]. 苏晓锋.沈阳工业大学 2018
[7]基于扰动观测器的IPMSM无位置传感器研究[D]. 周静.大连理工大学 2018
[8]高推力密度圆筒型音圈电机的结构设计研究[D]. 王晓伟.重庆大学 2018
[9]高精度微进给快速刀具伺服系统控制算法研究[D]. 张戟.沈阳工业大学 2017
[10]基于压电陶瓷的快刀伺服车削加工研究[D]. 李海民.广东工业大学 2016
本文编号：3217748
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