高速高精度滚珠丝杠定位系统动态特性与控制方法研究
本文选题：滚珠丝杠 + 高速高精度 ； 参考：《中国科学技术大学》2016年博士论文
【摘要】：随着数控机床、表面贴装技术、金属3D打印等智能制造装备的迅速发展,采用伺服电机+滚珠丝杠的驱动技术呈现出巨大的需求,已成为智能制造装备的核心基础部分,对我国高端装备的发展起着关键和决定性作用,其精度和速度性能直接决定了高端装备的定位精度与效率。本文以表面贴装技术为研究背景,针对伺服电机+滚珠丝杠在高速运行下产生的振动及定位精度问题,对伺服电机+滚珠丝杠的定位系统展开了一系列的研究。通过对该系统的动态特性、闭环控制算法等进行理论分析与实验研究,使得系统工作台在定位精度与速度方面都取得到了较大程度的提高。课题研究对高端装备技术的发展具有重要的理论意义与应用价值。本文主要工作和研究成果如下：1)研究并设计基于“旋转电机+滚珠丝杠”驱动模式的定位系统,建立滚珠丝杠定位系统的刚体动态模型。使用分段常值电压信号作为输入获取系统的输出数据,通过最小二乘辨识方法对刚体动态模型进行时域辨识。研究了作为定位系统驱动源的永磁交流同步电机,建立了该电机基于空间矢量控制原理的数学模型,通过实验研究获取了电机驱动放大器的带宽特性,奠定了控制系统的设计基础。2)在考虑工作台高速运动及滚珠丝杠导程对动态特性影响的情况下,基于有限元分析的振型结果,研究了一种基于混合基函数的Ritz级数法来获取系统精确的动态特性。通过数值仿真,分析了Ritz级数的收敛特性,研究了工作台在不同位置下系统的固有频率与振型的变化情况。对滚珠丝杠定位系统进行扫频实验研究,获取系统实际固有频率,结果表明,所提基于混合基函数的Ritz级数法能够准确预测系统的动态特性,为高频振动抑制提供了理论依据。3)为提高控制系统的瞬态响应和稳态精度,针对一类具有未知上界的匹配参数摄动和外界干扰的系统,研究了基于非线性滑模面的滑模控制器(NSMC),分析了非线性滑模面是如何改变系统阻尼比以提高响应性能。为了降低由切换控制引起的系统抖振,研究了自适应参数估计以代替NSMC的切换增益。当系统存在不匹配参数摄动和外界干扰时,在使用非线性滑模面的基础上结合干扰观测器设计了新的滑动模态,研究了基于非线性滑模面和干扰观测器的改进型自适应滑模控制律(ANSMC-DOB)。4)从传统控制方法入手,首先以滚珠丝杠定位系统的刚体动态模型为基础,研究了基于单位置闭环反馈的PID与自适应滑模控制。为了提高系统的控制性能,研究了基于滚珠丝杠定位系统一阶轴向模态的二自由度数学模型,以该模型为基础,研究了基于双位置闭环反馈的ANSMC-DOB定位控制系统。根据系统动态特性的分析结果,研究了相应的陷波滤波器以控制系统的高阶模态振动。5)建立了基于dSPACE实时仿真工作平台的滚珠丝杠闭环控制系统,为了降低由工作台加减速不平滑导致的系统振动现象,设计了适用于滚珠丝杠定位系统的加加速度连续的运动轨迹。由仿真和实验研究表明,滚珠丝杠定位系统使用所提ANSMC-DOB控制方法时,工作台可在最高速度为1 m/s的运行情况下获得±10μm的轨迹跟踪精度,相比于传统PID和自适应滑模控制,定位性能有了较大的提高。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN405
【相似文献】
相关期刊论文 前10条
1 曹巨江;李龙刚;刘言松;孙建功;;不同工况下高速空心滚珠丝杠的热特性研究[J];组合机床与自动化加工技术;2011年03期
2 李亚芹;龙泽明;王桂莲;;高速滚珠丝杠进给驱动系统屈服形变分析[J];机械工程师;2006年12期
3 刘莉;李世伟;宋现春;孙翰英;;精密滚珠丝杠螺旋线误差动态测量方法的研究[J];组合机床与自动化加工技术;2007年05期
4 杜占辉;;高级型水压力发生器滚珠丝杠的选择与计算[J];广西轻工业;2007年06期
5 ;高性价比的镗轴组件和滚珠丝杠[J];现代制造;2009年10期
6 李明;;精密滚珠丝杠装配工艺改进的实践与探索[J];职业;2010年21期
7 周志红;文怀兴;杨东生;;滚珠丝杠安装方式的研究[J];制造技术与机床;2007年08期
8 杜洪江;;基于高精度数控机床滚珠丝杠的装配与调整[J];无线互联科技;2013年03期
9 陈群强;梁睿君;叶文华;刘宝俊;刘世豪;;数控机床滚珠丝杠的温度场研究[J];系统仿真技术;2013年02期
10 阮平生;;新型机械传动机构滚珠丝杠(?)[J];中国邮政;1979年01期
相关会议论文 前5条
1 王健;高明月;董学哲;;滚珠丝杠设计计算[A];2002年黑龙江省机械工程学会年会论文集[C];2002年
2 罗容;李凌丰;彭铁柱;项林辉;;基于有限元的滚珠丝杠的应力分析与研究[A];第四届中国CAE工程分析技术年会论文集[C];2008年
3 ;滚珠丝杠设计计算(英文)[A];2002年黑龙江省机械工程学会年会论文集[C];2002年
4 孙奎洲;周金宇;;基于Matlab的滚珠丝杠可靠性优化设计[A];2010年全国机械行业可靠性技术学术交流会暨第四届可靠性工程分会第二次全体委员大会论文集[C];2010年
5 焦卫兵;吴志国;李富强;;滚珠丝杠传动的热变形对机床精度的影响[A];第三届十省区市机械工程学会科技论坛暨黑龙江省机械工程学会2007年年会论文（摘要）集[C];2007年
相关重要报纸文章 前2条
1 本报记者 严曼青;滚珠丝杠企业遭遇钢材涨价困局[N];机电商报;2008年
2 本报记者 徐俊霞;上银科技执着于功能部件创新[N];机电商报;2006年
相关博士学位论文 前4条
1 钱荣荣;高速高精度滚珠丝杠定位系统动态特性与控制方法研究[D];中国科学技术大学;2016年
2 卢礼华;基于滚珠丝杠的大行程纳米定位系统建模和控制技术研究[D];哈尔滨工业大学;2007年
3 李彦凤;滚珠丝杠旋风硬铣削加工热变形误差及其控制技术研究[D];山东大学;2014年
4 何王勇;数控机床双轴同步控制技术研究[D];华中科技大学;2011年
相关硕士学位论文 前10条
1 潘恒沛;滚珠丝杠原材料预先热处理及组织性能一致化研究[D];南京理工大学;2015年
2 施棱舰;微型精密滚珠丝杠抗逆运动能力研究与测试[D];北华航天工业学院;2015年
3 杨蕾;滚珠丝杠副轴向静刚度试验台测控系统设计及试验分析[D];南京理工大学;2015年
4 刘鹏飞;滚珠丝杠磨削加工误差预测补偿关键技术研究[D];山东大学;2015年
5 闫野;精密滚珠丝杠表面感应加热淬火工艺研究[D];山东大学;2015年
6 郭遵站;小型3D打印技术研究[D];长春理工大学;2014年
7 张军伟;基于特征编码及产生式规则的滚珠丝杠CAPP系统研究[D];山东理工大学;2015年
8 白鹏飞;基于温度补偿的PMC控制方法的研究[D];辽宁科技大学;2015年
9 张洪国;滚珠丝杠传动副的接触力学模拟与静动态特性分析[D];吉林大学;2011年
10 王淑坤;滚珠丝杠进给系统定位精度分析[D];大连理工大学;2006年
，本文编号：1749787
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/xxkjbs/1749787.html
