發(fā)布時間：2020-05-28 05:19

【摘要】：傳統(tǒng)的滾珠絲杠副低速運(yùn)行時,由于摩擦的非線性會導(dǎo)致非線性蠕動爬行現(xiàn)象,難以實現(xiàn)精準(zhǔn)的微量位移進(jìn)給控制。在精密加工中,為了達(dá)到運(yùn)動行程大、控制精度高的進(jìn)給運(yùn)動,目前多采用宏微復(fù)合驅(qū)動形式,即通過宏驅(qū)動機(jī)構(gòu)完成大行程運(yùn)動,通過微驅(qū)動在較小的行程內(nèi)實現(xiàn)精度高的微量運(yùn)動,但這種驅(qū)動存在非線性、剛度小、遲滯等缺陷。因此,本文基于雙驅(qū)差動復(fù)合原理,利用空心軸直驅(qū)電機(jī)和螺母驅(qū)動型滾珠絲杠副,提出了一種雙直驅(qū)微量進(jìn)給伺服系統(tǒng)。本文對提出的雙直驅(qū)微量進(jìn)給伺服系統(tǒng)進(jìn)行研究,圍繞空心軸直驅(qū)電機(jī)的設(shè)計和優(yōu)化,雙直驅(qū)系統(tǒng)的剛度配置、動態(tài)特性、摩擦非線性、低速下臨界爬行速度特性和低速下速度波動特性等進(jìn)行研究。本文的主要內(nèi)容包括:(1)基于磁路等效的方法初步設(shè)計了空心軸直驅(qū)電機(jī)。根據(jù)雙直驅(qū)伺服系統(tǒng)對螺母驅(qū)動電機(jī)的設(shè)計要求,依據(jù)電機(jī)磁路法初步設(shè)計計算出了空心軸電機(jī)的基本參數(shù),根據(jù)磁路法設(shè)計的基本參數(shù),利用Maxwell軟件仿真了空心軸直驅(qū)電機(jī)的空載特性和負(fù)載特性。(2)用多目標(biāo)遺傳算法對初步設(shè)計的空心軸直驅(qū)電機(jī)進(jìn)行了參數(shù)尋優(yōu)。針對初步設(shè)計的空心軸直驅(qū)電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩大、效率低、額定負(fù)載下轉(zhuǎn)矩波動大,不滿足設(shè)計要求的問題,確定影響空心軸直驅(qū)電機(jī)性能的設(shè)計變量及取值范圍,以減小齒槽轉(zhuǎn)矩、提升電機(jī)效率、減少磁鋼用量為優(yōu)化目標(biāo),建立多目標(biāo)優(yōu)化模型,采用優(yōu)化拉丁超立方采樣設(shè)計實驗樣本,用有限元法計算采樣結(jié)果,依據(jù)采樣結(jié)果建立Kring近似模型,在建立的近似模型的基礎(chǔ)上采用NSGA Ⅱ多目標(biāo)遺傳算法對空心軸直驅(qū)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化,降低了轉(zhuǎn)矩波動,提高了空心軸直驅(qū)電機(jī)性能。(3)優(yōu)化了雙直驅(qū)機(jī)械系統(tǒng)結(jié)合部的動剛度。通過用彈簧阻尼單元模擬系統(tǒng)的結(jié)合部對雙直驅(qū)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行有限元建模;依據(jù)機(jī)械系統(tǒng)模態(tài)柔度的設(shè)計思想確定雙直驅(qū)伺服系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)為薄弱模態(tài)的模態(tài)柔度最小,基于彈性能分布率理論確定雙直驅(qū)伺服系統(tǒng)的優(yōu)化變量為系統(tǒng)中彈性能的分布率高的結(jié)合部剛度值,建立了多目標(biāo)優(yōu)化模型;基于正交試驗和相似優(yōu)先比理論確定了彈性能分布率較高的結(jié)合部剛度值對進(jìn)給系統(tǒng)動態(tài)性能影響的主次順序,并得到了其最優(yōu)組合。(4)基于LuGre摩擦模型研究了雙直驅(qū)系統(tǒng)低速下爬行速度的臨界值。對雙直驅(qū)伺服系統(tǒng)進(jìn)行了動力學(xué)建模并設(shè)計了全閉環(huán)控制方案;,研究了系統(tǒng)工作臺在低速工作時,采用雙直驅(qū)差速驅(qū)動與傳統(tǒng)的單絲杠驅(qū)動相比的臨界爬行速度,在相同的控制參數(shù)下,與常規(guī)絲杠單驅(qū)動相比采用差速雙驅(qū)動時,工作臺的低速進(jìn)給性能更好。(5)研究了雙直驅(qū)伺服系統(tǒng)速度波動特性。分析了低速下影響電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動的主要因素,推導(dǎo)了雙直驅(qū)伺服系統(tǒng)誤差傳遞函數(shù)的幅頻特性,分析了不同速度下轉(zhuǎn)矩諧波對速度波動的影響規(guī)律,結(jié)合誤差傳遞函數(shù)的幅頻特性曲線和機(jī)械系統(tǒng)模態(tài),確定了雙直驅(qū)系統(tǒng)工作臺低速下使用雙驅(qū)動時兩電機(jī)合理工作區(qū)間。最后仿真與實驗對比分析了兩種不同驅(qū)動下工作臺在低速時的速度波動和位移跟蹤誤差波動情況,同時,與傳統(tǒng)的絲杠單驅(qū)動相比,采用雙驅(qū)動時在某些特定速度點可以有效避免電機(jī)諧波引起的系統(tǒng)共振,減小工作臺的速度波動和位移跟蹤誤差波動,能獲得更加平穩(wěn)的低速性能。
【圖文】：

．１．３．１微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)的研究逡逑當(dāng)前科學(xué)技術(shù)含量高的用于高精尖行業(yè)的零部件對加工精度提出了更高的要逡逑求，如用于光學(xué)系統(tǒng)中的非球面鏡片要求鏡片加工后，加工精度要求要小于１０ｎｔｎ。逡逑目前零部件的加工精度在０．０５￣０．００５邋ｐｍ范圍屬于超精密加工范疇，高精度微量進(jìn)逡逑給機(jī)構(gòu)是超精密加工技術(shù)的核心。高精度微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)綜合了機(jī)械結(jié)構(gòu)動力學(xué)設(shè)逡逑計與優(yōu)化、熱力學(xué)建模與熱誤差補(bǔ)償、摩擦建模與摩擦補(bǔ)償、先進(jìn)控制算法等多項逡逑前沿技術(shù)。目前，依據(jù)不同的驅(qū)動原理將超精密加工中應(yīng)用的微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)分為以逡逑下四類ｎ？３］：逡逑（１）基于智能材料的微量變形驅(qū)動：依靠形狀記憶合金、電陶瓷等智能材料的逡逑變形伸縮效應(yīng)可以實現(xiàn)微量進(jìn)給運(yùn)動。這類機(jī)構(gòu)有較高的定位精度，分辨率最高逡逑可到納米級，但缺陷是運(yùn)動范圍僅有幾十微米，只能帶輕負(fù)載運(yùn)行，不滿足需要大逡逑行程重載加工的情況。逡逑

東京工業(yè)大學(xué)基于直線電機(jī)驅(qū)動氣浮導(dǎo)軌運(yùn)動，用激光千涉儀做測量反饋裝逡逑置，通過ＰＩＤ控制器進(jìn)行前饋補(bǔ)償，制作了超精密運(yùn)動平臺，在超精密運(yùn)動平臺逡逑中，系統(tǒng)的動靜態(tài)性能被電流變阻尼器調(diào)控，其定位精度達(dá)到了邋２ｎｍＰｊ。如圖１－逡逑２為盧禮華等采用螺旋傳動副設(shè)計了一種超精密的工作臺，其將Ｂａｎｇ－Ｂａｎｇ控制理逡逑論和軌跡規(guī)劃思想和高增益ＰＩＤ閉環(huán)結(jié)合起來，在１５０邋ｍｍ的運(yùn)動行程內(nèi)實現(xiàn)了逡逑７．２邋ｎｍ的定位【２６］。東京工業(yè)大學(xué)開發(fā)的納米級氣體靜壓運(yùn)動平臺如圖１－３所示［２＇逡逑它利用有刷直流電機(jī)驅(qū)動氣體靜壓絲杠，用氣體靜壓導(dǎo)軌和氣體靜壓軸承作為支逡逑撐件，使用０．３邋ｎｍ分辨率的激光千涉儀進(jìn)行位置反饋，實現(xiàn)了在４００邋ｍｍ行程范逡逑圍內(nèi)±２邋ｎｍ的定位精度。逡逑驅(qū)動系統(tǒng)邐位ｉｆｆ測ｔｔ系統(tǒng)逡逑邐，一邐＇、逡逑＿ｎ邋ｆＨ，，邐＾＝工觸＝＾５＾敝＿邋ｊ逡逑激光頭邋Ｉ邋；逡逑Ｉ邋“邐？邐邐１邋；邋！邐激）ｔ接收邋ＪＫ邐｜逡逑！邋￣￣Ｉ邐反射梭鍺邋浪珠鐵杠丨｜邋￣邐Ｌｊ邋１邋！逡逑｜邋Ｉ邋似＃１邐Ｉ邋＊邋測邋ｉ板邋＾￣Ｉ邋！逡逑、、：N」邐ｚ７邋＇七：口：N晚一逡逑￣＂Ｉ邋計邋Ｉ￣邐逡
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM31

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本文編號：2684775