三轴超精密车床的控制系统设计及实验

发布时间：2020-05-17 02:25

【摘要】：随着尖端科技水平的进步,对零件加工水平的要求越来越高,超精密加工技术的地位变得愈发重要。当前美国、德国和日本等国家已经能够实现超精密机床设备的产业化,机床能够达到很高的加工水平,但是其价格昂贵。而国内所研制的超精密机床在控制精度、稳定性及功能的完备性等方面均与发达国家存在不少差距,因此开展超精密机床控制系统的研究很有价值。首先,针对超精密车床的功能需求,完成了伺服电机、驱动器、光栅、控制器及拓展板卡的选型校核,进行了电控系统的设计。并基于MFC分模块开发了上位机交互界面,主要包括机床检测模块、程序管理模块、参数配置模块及JOG运动模块,完成了基于UMAC的控制系统软硬件平台的搭建。其次,建立了直线电机及UMAC伺服控制算法的模型,进行了电流环的设计优化,并通过Matlab/Simulink仿真验证了优化后的电流环响应快、无超调。进一步地,仿真分析了控制系统的阶跃响应和正弦响应,仿真结果表明控制系统具有良好的稳态性能和动态性能。在此基础上,针对控制系统带宽,绘制出控制系统的闭环Bode图,完成了直线轴控制系统的设计。再次,调试了各电机的驱动器,并在UMAC中采用手动整定的方式,进行了阶跃响应调试实验和正弦响应调试实验,从而验证了仿真的合理性。仿真与实验结果表明,控制系统拥有良好的控制性能,满足超精密车床的控制需求。此外,为校核控制系统的带宽设计,开展了机床各轴的模态测试实验,实验结果表明控制系统带宽设计合理。最后,开展了超精密车床的端面车削及外圆车削实验,并进行了表面形貌及粗糙度检测分析,结果表明了课题所设计的控制系统具有良好的控制性能。此外,针对加工过程中产生的锯齿状形貌,对主轴止推轴承的承载力进行了计算,然后结合加工质量的检测结果,探究了机床结构与控制对加工质量的影响,并针对当前机床存在的不足提出了改良意见。
【图文】：

超精密金刚石车床

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文以及 Moore 和 Precitech 公司，日本的发那科和，英国的 Cranfield 大学等都具有十分先进的技[2,4]。领域的需求，在 20 世纪 60 年代初美国就率先，并始终保持着领先地位。在中小型超精密机床领m 系列和 Moore 公司的 Nanotech 系列数控机床]。在大型超精密机床领域，美国也始终保持着领室所研制的 LODTM 大型超精密金刚石车床，工质量为 1360kg，加工精度可达 28nm，主要用变所需的金属反射镜的加工。该机床与实验室另床以及英国 Cranfield 公司研制的 OAGM-2500最高的 3 台大型超精密车床[2,6]。

超精密机床

图 1-2AHN15-3D 超精密机床[4]国在该领域的发展也很快，Fraunhofer 研究所开发了一种紧凑型设减小了机床尺寸的同时提高了机床的刚度和精度。另外，Kugler 公微细加工超精密机床领域也一直保持着很高的水平。国内超精密机床的研究现状到二十世纪八十年代，我国才逐渐开始超精密加工及相关设备的研晚。几十年来随着国家的支持和相关研究单位的不断努力，我国的不断发展，并在某些领域达到了世界先进的水平。然而整体上而言精度、稳定性、效率还是机床的数量及功能的完备性都无法和美英是随着研究的推进，，我国和发达国家的差距逐渐缩小。京机床研究所是国内研究超精密机床设备的重要力量，该所于 20超精密机床 SPHER200C，实现了薄壁球面零件的超精密批量加工糙度 Ra 为 10nm，尺寸的一致性达到 0.3~0.7[4]。011 年，北京航空精密研究所推出了我国首台大型光学级加工水平的anosys-1000[7]，机床及加工的工件如图 1-3 所示。机床的床身设计
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG51

【参考文献】