基于压电陶瓷驱动器的快刀车削系统的研究

发布时间：2016-05-05 07:41

第 1 章 绪  论 

1.1课题研究的目的及意义
微结构表面是指零件的面形特征结构在微米级别，面形精度在亚微米级别,  表面粗糙度在纳米级的具有特定结构的表面[1]，在光学领域有非常广泛的应用[2]。具有微结构表面的光学零件是光电系统关键元件，可以使系统的重量更轻，体积更小[3]，在国防、民用工业（的设备中得到的极其广泛的应用。例如多层衍射的光学元件被广泛应用于光学镜头系统，即可以炫光等影响提高成像的质量，又可以大大减小镜头的质量和体积[4]。 近年来，各国加大了在新能源领域的开发力度，太阳能发电是其中的一个重要研究方向。利用太阳能的一个关键点就是太阳能转化为电能的效率问题，，学者提出了各种方案用以提高太阳能的转化效率，其中使用具有微结构表面太阳能板就是其中的一个重要突破点。图  1-1 显示的是微金字塔结构、微腔结构表面。相对于普通太阳能板，这类表面对于太阳光的反射较少，从而可以提高太阳能的转化率  [5-7]。由于太阳能转化装置的运行环境是在户外，所以，对于普通的太阳能板，需要定期对其进行清洁维护，而具有微结构表面的太阳能板可以实现自清洁的功能，这样就使运营的成本得以下降[8]。微透镜阵列的基本元素是大小形状相同的微小的透镜。这些小透镜按照特定的形状网格进行排布，多用于光通讯、图像信息等行业[9]。它的特点是入射光经过微透镜阵列后会聚焦形成众多的小光点[10]。虽然每一个小透镜是球面或者抛物面，但微透镜阵列表面也是回转对称微结构表面，因为整个微透镜阵列不能够由母线旋转得到。Shack-Hartmann 传感器主要用于测量光线波前的形状和强度，图 1-2显示了它的核心元件微透镜阵列的工作原理，入射光线的相关特性可以由投影平面中的光斑的排列形状反映出来[11-13]。这些光斑是微透镜阵列中的每一个透镜模块分别聚焦形成的。除此之外，这些小透镜模块还可以分别将入射光束成像，这可以用在光刻加工中用来提高效率[14-16]，如图 1-3 所示。入射光经过透镜阵列后，形成一系列大小一致的图像并照射在光刻胶上，从而使批量加工成为可能[17]。此外，在激光共聚焦显微镜和激光均束技术中，微透镜阵列也有着重要的应用[18-19]。 
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1.2 快刀伺服系统的控制技术
在微结构表面加工中,快刀伺服刀架的控制是核心。刀架的进给精度,直接决定加工后的微结构表面的光洁度;刀架的频率特性,决定了快刀伺服加工系统所能加工的微结构表面形貌的复杂程度。目前,快刀伺服加工系统主要采用两种方式实现:压电陶瓷驱动器和音圈电机。由于压电陶瓷可以实现较高的响应频率、较快的响应速度、较大的输出力、较好的稳定性,所以应用非常广泛。然而,压电陶瓷的电压——位移曲线是不是完全的线性关系，具有迟滞和蠕变的特点,因此,如果直接使用压电陶瓷进行进给,会使快刀车削系统的输出精度极大降低,进而影响加工的表面质量。为此,对压电陶瓷建立模型并设计良好的控制方法是非常必要的。 美国学者 Richter 研究了输入电压的频率对压电陶瓷的位移曲线的影响，并且建立的 Maxwell 模型来描述压电陶瓷的迟滞特性，使压电陶瓷的定位误差达到亚纳米级别[30]。Miller 通过研究使快刀伺服刀架的定位误差降为原来的 20%，他建立了一个线性补偿器模型来补偿 PZT 的迟滞效应[31]。学者 Kim 利用超精密车床加工出了倾斜面，其半径为 10mm，表面的形状误差为 100nm，他使用的是压电陶瓷的 PI 模型，并且结合了陷波滤波算法作为压电陶瓷的前馈[32]。Wang 引入了神经网络作为控制器，并且使用经典的压电陶瓷 Preisach 模型作为前馈，有效了降低了压电陶瓷的定位误差[33]。 在国内，天津大学的王建林设计了一个微二维定位机构装置，其定位精度达到了 10nm。其核心元件即为压电陶瓷，他采用的是 PID 的闭环控制办法[34]。傅星将压电陶瓷用在了显微镜的调节中，他使用了模糊控制对压电陶瓷进行补偿，取得了理想的控制效果[35]。相比于上述的闭环模型，开环模型具有特殊的优点，它可以在较高的输入电压频率下工作。开环控制研究的主要方向是提高压电陶瓷数学模型的模拟精度。在非线性建模方面，现阶段应用比较多的是基于 PZT 输入输出曲线特征方面的建模，主要是有多项式模型[36]，Preisach 模型[37]，PI 模型[38]，Duhem 模型[39]等。但是，这些数学模型不可能非常精确的反映压电陶瓷的真实特性，必然会存在着一定的误差。
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第 2 章 压电陶瓷驱动器的建模

微结构表面的加工的核心是对快刀伺服刀架的控制。快刀伺服刀架依据当前主轴的转角和 X 导轨的位置，在 Z 方向上进行进给，最终形成微结构表面。快刀伺服刀架的控制精度直接决定了最终加工成型的微结构表面质量。为了更精确的控制压电陶瓷，避免其本身的迟滞特性过大影响控制精度，通常需要对压电陶瓷进行建模。 本章将先测试压电陶瓷的迟滞特性，确定其非线性程度的大小，还将建立压电陶瓷的 Preisach 模型和线性模型，并对模型的精度进行了测试。 

2.1 压电陶瓷驱动器特征实验  

测量采用的实验平台由 UMAC、压电陶瓷驱动器、UMAC 的 16 位数模转附卡ACC-24E、16位模数转换附卡ACC-28E以及检测装置电容测微仪组成，如图  2-1所示。UMAC 通过 ACC-28E 附卡发出弱电压信号，经过功率放大器放大 100 倍后，驱动快刀伺服刀架中的压电陶瓷伸长，从而使刀架上的柔性铰链发生形变。电容测微仪将柔性铰链的形变量转换为电压信号，再经 UMAC 的模数转换附卡ACC-24E 进行采集，从而完成整个测量过程。 快刀伺服刀架的柔性铰链相当于一个弹簧，其具体的结构见文献[49]。刀架的刚度为 8.403 N/um，固有频率为 727.47 Hz。压电陶瓷和电容测量微仪的相关参数见表  2-1 和表 2-2。 利用 UMAC 的 PLC 功能，可以实现输出电压的随着时间变化输出，作为压电陶瓷的输入信号。UMAC 的 PLC 程序，每个伺服周期会固定执行一次。PLC 的执行周期为 ΔT = I8/2250 sec，I8 是 UMAC 的内部变量，可以自主设置，为了使信号的变化更光滑，程序执行的频率更高，通常设置为 1。在 PLC 执行的过程中，记录它执行的次数 k，就可以得到当前程序运行时的时间 t = k ?ΔT。这样，在 PLC 中不断改变内部变量 M479 的值  ，就可以实现输出电压 U 与随着时间变化输出。 电容测量仪输出位移信号的采集是由 UMAC 附卡 ACC-28E 来完成的。ACC-28E 是 Delta Tau 公司生产 16 位的 2 通道模数转换卡，用于 UMAC 的扩展采集模拟量反馈信号。ACC-28E 采集的电压范围是-14~14  V。采集的电压对应的内部数字量是 M4000，变化范围是是 0~216，所以可以在 UMAC 运行时，记录 M4000的变化情况，得到电容测微仪的电压输出。根据电容测微仪的参数可以知道，其最大输出电压为 10 V，对应的测量距离为 50μ m。

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2.2离散 Preisach 模型 
在实际情况中，输入的电压序列并不一定会按照这样的方式进行，也会出现如图中 a)和 b)这样连续上升或者连续下降的电压序列。此外，如果按照式(2-10)和(2-11)的方式计算，需要用到压电陶瓷进给的过程所有的历史电压，就要把这些历史电压保存起来，这将极大的占用 UMAC 的内存资源，并且运算效率比较低。  本章介绍了测量平台的组成，通过实验验证了压电陶瓷具有迟滞特性，并且随着压电输入的频率变化。实验表明，压电陶瓷的迟滞定量约为 11.4%。并且当输入电压信号频率的增加时，其迟滞定量也将变大，而最大输出位移则随着频率增加而减小。 其次，建立了压电陶瓷的模型。为线性模型确定了最适比例系数。并且重点描述了 Preisach 离散模型的建立过程。设计了适用了 UMAC 控制器离散 Preisach模型，并测量了模型所需的数据库。通过实验测试了 Preisach 模型对压电陶瓷的模拟精度，实验表明，Preisach 模型的输出与压电陶瓷的实验输出的误差在 1  Hz 下为 14 cts(30 nm)，10 Hz 下为19 cts(41 nm)。与线性模型相比较，Preisach 模型在高频下模拟的精度更好。
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第  3  章  快刀伺服刀架的闭环复合控制 ..... 20 
3.1 Preisach 逆模型前馈控制 ........ 20 
3.1.1  前馈控制算法 .......... 20 
3.1.2  前馈控制精度检验 ......... 23 
3.2  压电陶瓷的复合控制算法 ..... 24 
3.2.1  复合控制模型 .......... 24 
3.2.2 UMAC 开放伺服算法 ..... 24 
3.3  快刀伺服刀架的跟踪效果 ..... 25 
3.4  本章小结 ..... 27 
第  4  章  轨迹生成算法及加工参数计算 ..... 29 
4.1  微结构表面轨迹规划原理 ..... 29 
4.2  刀尖轮廓参考点计算方法 ..... 31 
4.2.1  函数描述的表面 ...... 31 
4.2.2  阵形表面 .... 32 
4.3  刀具补偿 ..... 36
4.4  主轴转速和 X 导轨进给速度 ....... 41 
4.4.1  加工进给步长约束 ......... 41 
4.4.2  刀具运动频率约束 ......... 42 
4.5  本章小结 ..... 44 
第  5  章  非回转对称微结构表面车削加工实验 ....... 45
5.1  微结构表面加工软件系统 ..... 45
5.2  三轴联动的时基触发 ...... 48
5.3  微结构表面的加工实验 ......... 50
5.4  本章小结 ..... 54 

第 5 章 非回转对称微结构表面车削加工实验

本章将利用压电陶瓷驱动系统和上一章所述的轨迹规划算法，设计用于微结构表面加工的数控系统。由于微结构表面加工时，对于各轴的同步性能要求非常严格，因此，本章还将分析同步性对于加工的微结构表面面形的影响。在本章的最后，以正弦网格的加工为例，介绍了微结构表面加工的具体过程。 

5.1 微结构表面加工软件系统
Delta  Tau  公司为 UMAC 控制器提供了动态链接库文件 PComm32.dll 用于UMAC 与上位机之间的通信。该动态链接库文件提供了 400 多个函数接口，可以非常方便地在上位机上利用这些接口来控制 UMAC，包括发送指令，读取和设置UMAC 的内部变量，下载程序等，方便设计者开发出特色化、个性化的数控系统。 不同于文献[52]中所描述的软件系统，本文所述的加工软件系统不仅可以用于监测、控制车床，还集成了微结构表面加工路径规划所涉及的刀具参数选择算法、加工参数选择算法和微结构表面的自动编程功能。文献[52]与文献[53]均使用微软公司的 MFC 作为系统界面的开发工具。虽然MFC 具有效率高、兼容性好的优点，但是，利用 MFC 设计 UI 过程复杂，逻辑代码与 UI 代码的耦合度高，移植非常困难。并且，MFC 的二维绘图功能非常匮乏，没有办法显示三维图形，应用时受到了极大的限制。此外，C++的科学数值计算库安装复杂，并且难以使用，在 MFC 中进行矩阵的数学运算非常不便。随着计算机技术的发展出现了一些更方便 UI 设计工具和更适用于科学计算的程序语言.
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结   论

随着以光学自由曲面为核心的微光元件的应用日益广泛，对微光元件的加工要求也越来越高。由于高刚度的精密气浮主轴的出现及超精密加工工艺的发展使得以超精密车床为基础的快刀伺服加工工艺在光学曲面的加工上得到广泛应用。 本课题的主要内容是在具有快刀伺服的超精密车床的基础上，对快刀伺服刀架的控制算法和微结构表面轨迹规划算法进行了改进。具体内容包括： 
（1）建立了压电陶瓷的复合控制模型。通过建立压电陶瓷的 Preisach 模型及逆模型，结合 PID 算法，编写了 UMAC 底层伺服算法，实现了快刀伺服刀架的精确控制。 
（2）改进了刀尖圆弧半径补偿算法。为了方便 UMAC 在线计算刀尖点的补偿量，设计了 Hermite 插值的算法计算刀位点高度，算法的精度和稳定性很高。 
（3）设计了阵列形微结构表面的轨迹规划算法。根据四边形阵列和六边形阵列中心的分布规律，分别给出了加工时刀尖点进给量的计算方法。通过编写 UMAC运动程序，在快刀车削车床上验证了算法的正确性。 
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参考文献(略) 

本文编号：42012