基于麦克斯韦力的快速伺服刀具控制系统研究

发布时间：2020-03-22 10:44

【摘要】：光学自由曲面不仅能改善光学系统成像质量,而且能简化光学系统结构,为光学设计带来很大便利。但是光学自由曲面通常具有非回转对称面形的表面结构,这使得采用传统车削方式加工自由曲面时,刀具的运动路径中必须加入更复杂且高频运动形式,给光学自由曲面的超精密加工带来了很大难度。快速伺服刀具由于频率响应快速,运动灵活,可以用来加工大部分面形的光学自由曲面并且获得较高的加工质量。研制频率响应更高、行程更大且出力能力更好的快刀可以提升加工复杂自由曲面的能力,并获得表面质量更加良好的加工效果。本论文针对麦克斯韦快刀结构设计了闭环控制系统以提升快刀性能,主要工作如下:1.在分析加工需求的基础上设计FPGA+DSP核心控制结构,由FPGA完成底层外设的控制与数据读写,DSP负责进行控制算法以及其他数据运算。完成外部接口中数据采集模块和机床坐标读取模块的设计和调试工作。最终设计的硬件控制系统具有5nm的位移分辨能力并至少具有3KHz的闭环设计带宽。2.在麦克斯韦快刀系统辨识的基础上设计了自抗扰控制算法的结构。使用Simulink模块进行了仿真,并采用基于经验公式以及Matlab辅助的参数整定方法。仿真结果表明控制算法可以将系统调节时间由46.0ms缩短到3.1ms。3.基于自主搭建的精密位移测量平台,调试麦克斯韦快刀闭环控制系统,并完成性能测试。测试结果表明快刀闭环系统具有5nm位移分辨能力以及4KHz的闭环带宽,并通过正弦曲面仿真加工实验验证了麦克斯韦快刀的加工能力。
【图文】：

第 1 章 绪论慢速导轨伺服也称慢刀伺服，是目前超精密车床中单点金刚石车削常用的加工方式之一。如图 1-2 所示为慢刀伺服原理图，慢速导轨伺服的运动机构通常由3 个自由度即 X、Z 方向的直线位移和主轴旋转自由度 C 构成。进行加工时，工件固定在机床的主轴上并具有 C 轴旋转方向上的旋转自由度。金刚石刀具通过刀架固定在机床的慢速导轨上进行 X 方向与 Z 方向上的联动。根据慢刀伺服的加工方式，通常建立柱坐标系来表征自由曲面面形和金刚石刀具的位移轨迹[13,14]慢速刀具伺服的导轨通常质量较大，行程相对较长，，所以可以实现的 Z 轴响应频率比较低，这使得加工自由曲面的时间较长同时影响表面质量。

(a) PZT-柔性铰链结构 (b)音圈电机-导轨结构(c)磁致伸缩电机结构 (d)麦克斯韦电机结构图 1-3 快刀常用结构形式[16,17]伺服刀具系统简介超精密机床的一个辅助轴，快速刀具伺服系统适合加工面型中部分的结构。在快速伺服刀具加工中刀具的运动路径严格按照证加工精度的关键因素。因此，对于快刀加工技术的核心研究两个方面：一是建立有效的自由曲面加工路径规划和有效补偿保证快刀在高频运动时的精度，也就是快刀系统的可实现带宽，评价快刀系统的性能指标还有系统的行程和出力能力等。速伺服刀具系统发展现状压电陶瓷驱动的快刀
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH74;TP273

【参考文献】

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本文编号：2594927