洛伦兹力型快速刀具伺服系统跟踪控制研究

发布时间：2020-04-09 07:06

【摘要】：光学自由曲面类零件因其良好的工作性能被广泛应用于航空航天、军事、电力电子、科研以及民用等领域,而实现光学自由曲面高精度、高效和低成本的主要加工方式是金刚石超精密车削技术,该技术的核心是快速刀具伺服系统(Fast Tool Servo,FTS)。本文以洛伦兹力型电机——音圈电机(Voice Coil Motor,VCM)作为FTS的执行器,结合滑模、重复等现代控制方法,对其周期性问题进行跟踪与抑制。其具体分析内容如下:首先,搜集并查阅大量的国内外参考文献,掌握FTS主要的驱动方式、建立驱动FTS运行的执行器件音圈电机的数学模型、分析与FTS相关的控制策略以及描述影响音圈电机驱动FTS控制精度的因素。其次,当FTS在运行过程中,若存在切削力扰动,采用基于代理的滑模控制。这是对PID控制的扩展,并且将滑模控制和PID控制相结合的控制策略。利用PID控制器将一种称为代理的假想的虚拟行程位置加在VCM的实际位置与期望位置之间,代理行程位置通过滑模控制器跟踪期望位置,将结合后的代理滑模控制律中不连续符号函数转换成饱和函数后可提高系统的跟踪精度和抗扰性。利用Matlab/Simulink在所设计的理论控制策略的基础上进行建模、仿真和比较分析,以此验证控制策略的有效性。最后,由于FTS在正常运行过程中,随着行程和频响的增大,其跟踪精度会受到影响。为进一步提高系统运行时的跟踪精度,采用超螺旋重复补偿PID控制。这是一种将重复补偿PID控制与超螺旋PID滑模控制相结合的且能够分别独立作用的控制策略。其中,重复补偿PID控制可提高系统运行时的跟踪精度。若存在等同于输入给定周期性正弦信号扰动或者切削力扰动时,在重复补偿PID控制策略的基础上加入超螺旋PID滑模控制,这是以PID控制器设计滑模面,根据李雅普诺夫函数的到达条件设计滑模控制律,超螺旋PID滑模控制是一种连续型二阶滑模控制,抗扰能力强。超螺旋重复补偿PID控制可以实现在长行程和高频响环境下的强鲁棒性和高跟踪精度。并且在理论的基础上用Matlab/Simulink对所设计的控制策略进行建模、仿真和比较分析,以此证明控制策略的可行性。
【图文】：

自由曲面,器件

第 1 章绪论1 课题研究的背景和意义本课题来源于辽宁省“百千万人才”资助项目“高频响快速刀具伺服系统的控制策研究”（项目批准号：2013921049）。近年来，随着现代科技创新的不断发展，数控机床和制造技术的发展备受人们关，人们对所加工产品的表面加工精度的要求越来越高。同时，加工过程中控制理论不断完善，使得实际的生产加工技术发生质的变化。数控技术的发展不断推动零件表面的加工精度，这也需要数控车床必须具备较高的进给加速度，否则就无法在高情况下完成复杂曲面的高精度加工[1]。其中非圆截面零件和非轴对称表面光学自由曲零件因其高精密性在航空航天、军事、电力电子、科研以及民用等领域被广泛应用，图 1.1 所示的光学自由曲面透镜、FTS 加工的徽标、航空发电机叶片等。

切削加工,器件,方式,伺服技术

（c）快速刀具伺服技术（d）慢速刀具伺服技术图 1.2 高精密器件切削加工方式Fig. 1.2 Machining methods of high precision devicesS 技术加工自由曲面类元件，可以相应的减少设备的轴数，简化刀短加工周期，一般一次就可以加工出高精度表面，对环境要求相对工处理[6]。此外，在车削中，一般采用的刀具材料为金刚石，金刚刃，硬度高，耐磨性好，耐热性高，能实现超薄的切削厚度等优具代表性的超精密加工手段[7]。因此，直线式执行器件驱动 FTS 工技术的绝对优势，，将引领数控机床技术向更高的层次迈进。同技术的发展与社会经济效益。工技术的国内外研究现状伺服技术的发展最早起步于 1980 年美国劳伦斯·利弗莫尔国家Livermore National Laboratory，LLNL），相关研究人员在微进给理
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TG51;TP273

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