双轴差速式微量进给伺服系统摩擦建模分析与补偿研究

发布时间：2020-05-21 02:22

【摘要】：精密微量驱动进给技术已成为精密加工及超精密加工发展的主要瓶颈之一,如何使数控机床及加工中心的刀具或工件实现精确、均匀的微量位移一直是困扰国内外研究人员的技术难题。基于滚动接触组件的常规驱动进给系统,因受到低速非线性爬行的干扰,很难实现高精度微量进给。目前,宏微复合驱动是一种能同时满足高精度和大行程的驱动进给技术,通过基于智能材料的微动台有较高的定位精度和动态响应速度,通过宏动台实现了大行程进给,但微动台的智能材料所固有的非线性迟滞问题,不但增加了控制难度,也影响了定位精度。因此,本文作者导师基于“螺母旋转型”滚珠丝杠传动副与极小差速合成原理,提出了一种“双轴差速式微量进给伺服系统”。本文以提高双轴差速式微量进给伺服系统的控制精度为目标,围绕动态特性、非线性摩擦、热变形等影响因素,重点在摩擦建模、辨识与分析等方面展开工作,提出了较为完善的系统建模与误差补偿方法。本文的主要内容包括:(1)建立了双轴差速微量进给系统的有限元模型。通过理论分析得出系统前6阶振型,应用模态试验对差速进给系统的有限元模型准确性进行了验证。从应用角度出发,使用有限元模型分析了工作台的质量、位置和各结合部刚度对差速进给系统动态特性的影响,为系统结构优化设计和误差补偿控制策略研究提供了理论依据。(2)建立了双轴差速式微量进给伺服系统全组件摩擦模型。首先分析了进给系统滚动接触组件接触面摩擦特性的差异性。针对双轴差速系统结构和驱动方式导致其无法使用常规摩擦参数辨识方法进行辨识的问题,提出了一种全组件摩擦参数辨识方法。通过该方法对两驱动轴和工作台处摩擦参数分别进行辨识,建立进给系统的精准全组件摩擦模型。(3)建立了包含系统精确动力学模型、全组件摩擦模型的Matlab/Simulink仿真平台;基于全组件摩擦模型,提出了一种考虑驱动轴和工作台临界速度的低速进给特性分析方法,通过该方法研究了不同工况下双轴差速系统和单驱动系统的工作台速度响应,通过分析得出了两个系统的临界爬行速度,以及适合不同驱动方式的速度范围;通过实验对比验证了两种驱动模式的的低速微量进给性能和换向区速度跟踪性能。(4)研究了双轴差速系统的摩擦补偿控制方法。首先以丝杠单驱动进给系统为研究对象,设计了基于比例微分控制的前馈摩擦补偿控制算法,将基于常规摩擦模型和全组件摩擦模型的前馈摩擦补偿控制效果进行对比,验证全组件摩擦模型刻画系统摩擦特性的准确性。然后以差速进给系统为研究对象,考虑系统建模未涵盖部分与模型参数不确定部分,设计小波模糊神经网络观测器用于观测系统集中不确定度,结合二阶滑模变结构控制提出了一种智能二阶滑模摩擦补偿控制策略来提高双轴差动微进给伺服系统的位置跟踪性能。(5)建立了双轴差速系统的热误差模型。双轴差速系统的特殊机械结构使之温度场分布和常规进给机构也不同。通过求解基于“螺母旋转型”滚珠丝杠进给系统的热生成、热传导与热平衡方程组,研究了双轴差速系统温度场分布。构建了基于BP、Elman与DE-Elman神经网络的双轴差速系统轴向热误差预测模型,通过实验验证建模方法的有效性及鲁棒性。
【图文】：

图１－２滚珠丝杜超精密定位平台逦１－３摩擦驱动进给机构图逡逑（３）宏微复合驱动微进给机构：宏微复合双级驱动的概念最早在上世纪８０年代逡逑

连接宏动台与微动台［２＞２６］。00叩等［２９］采用音圈电机来直接驱动宏运动平台，利用逡逑压电叠堆制动器驱动微动台，设计了一种宏微双驱动系统，在５０ｍｍ的行程内得逡逑到了邋２０ｎｍ的定位精度（图１－４）。国内的许多科研人员也对机械耦合式宏微复合运逡逑动平台进行了相关研究。在１Ｃ封装领域，哈尔滨工业大学的孙立宁等１３Ｑ］采用音圈逡逑电机作为宏动台驱动机构和压电陶瓷驱动器作为微动台驱动机构研制了宏微复合逡逑驱动ＸＹ运动平台，，该运动平台在２０ｍｍｘ２０ｍｍ的运动范围内实现了邋１０ｎｍ的重复逡逑定位精度；广东工业大学的陈新教授和杨志军教授课题组［２２］开发了一种基于并联逡逑驱动的新型宏微复合直线运动平台，因其宏／微驱动力均独立作用在基座上，平台逡逑结构设计和控制系统设计得以简化。中国科技大学竺长安教授＠］应用交流伺服电逡逑机驱动滚珠丝杠，压电叠堆致动器驱动柔性较链，在３００ｍｍ行程内得到了近５ｎｍ逡逑的定位精度，该双驱动进给系统成功应用于大面积衍射光栅的超精密加工。逡逑＾邋Ｖｏｉｃｅ邋ｃｏｉｌ邋ｍｏｌｏｒ逡逑＾邋Ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ逡逑．邋Ｐｉｅｚｏｅｔｏｃｔｎｃ邋ｓｉａｃｆｃ邋ａｃｔｕａｔｏｒ逡逑Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ邋ｓｅｎｓｏｒ逡逑ｙ邋／邋Ｆｌｅｘｕｒｅ邋ｈｍｇｅ邋ｍｅｒ．ｈａｎｔｓｍ逡逑Ｌｊｎｅａｒ邋ａｉｒ邋ｂｅａｒｉｎｇ邋＾逦－逦ａ逡逑Ｌｉｎｅａｒ邋ｅｎｃｏｄｅｒ邋ｓｃａｌｅ邋／逡逑Ｚ逡逑Ｌｉｎｅａｒ邋ｅｎｃｏｄｅｒ邋ｒｅａｄ４＞ｅａｄ邋＾逡逑图１－４采用音圈电机的宏微运动平台逡逑机械解耦形式一般是通过气浮或者磁浮的形式来实现宏动平台与微动平台的逡逑解耦连接１２２
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG659

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本文编号：2673581