【摘要】：精密微量驅(qū)動進給技術(shù)已成為精密加工及超精密加工發(fā)展的主要瓶頸之一,如何使數(shù)控機床及加工中心的刀具或工件實現(xiàn)精確、均勻的微量位移一直是困擾國內(nèi)外研究人員的技術(shù)難題�；跐L動接觸組件的常規(guī)驅(qū)動進給系統(tǒng),因受到低速非線性爬行的干擾,很難實現(xiàn)高精度微量進給。目前,宏微復合驅(qū)動是一種能同時滿足高精度和大行程的驅(qū)動進給技術(shù),通過基于智能材料的微動臺有較高的定位精度和動態(tài)響應速度,通過宏動臺實現(xiàn)了大行程進給,但微動臺的智能材料所固有的非線性遲滯問題,不但增加了控制難度,也影響了定位精度。因此,本文作者導師基于“螺母旋轉(zhuǎn)型”滾珠絲杠傳動副與極小差速合成原理,提出了一種“雙軸差速式微量進給伺服系統(tǒng)”。本文以提高雙軸差速式微量進給伺服系統(tǒng)的控制精度為目標,圍繞動態(tài)特性、非線性摩擦、熱變形等影響因素,重點在摩擦建模、辨識與分析等方面展開工作,提出了較為完善的系統(tǒng)建模與誤差補償方法。本文的主要內(nèi)容包括:(1)建立了雙軸差速微量進給系統(tǒng)的有限元模型。通過理論分析得出系統(tǒng)前6階振型,應用模態(tài)試驗對差速進給系統(tǒng)的有限元模型準確性進行了驗證。從應用角度出發(fā),使用有限元模型分析了工作臺的質(zhì)量、位置和各結(jié)合部剛度對差速進給系統(tǒng)動態(tài)特性的影響,為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計和誤差補償控制策略研究提供了理論依據(jù)。(2)建立了雙軸差速式微量進給伺服系統(tǒng)全組件摩擦模型。首先分析了進給系統(tǒng)滾動接觸組件接觸面摩擦特性的差異性。針對雙軸差速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和驅(qū)動方式導致其無法使用常規(guī)摩擦參數(shù)辨識方法進行辨識的問題,提出了一種全組件摩擦參數(shù)辨識方法。通過該方法對兩驅(qū)動軸和工作臺處摩擦參數(shù)分別進行辨識,建立進給系統(tǒng)的精準全組件摩擦模型。(3)建立了包含系統(tǒng)精確動力學模型、全組件摩擦模型的Matlab/Simulink仿真平臺;基于全組件摩擦模型,提出了一種考慮驅(qū)動軸和工作臺臨界速度的低速進給特性分析方法,通過該方法研究了不同工況下雙軸差速系統(tǒng)和單驅(qū)動系統(tǒng)的工作臺速度響應,通過分析得出了兩個系統(tǒng)的臨界爬行速度,以及適合不同驅(qū)動方式的速度范圍;通過實驗對比驗證了兩種驅(qū)動模式的的低速微量進給性能和換向區(qū)速度跟蹤性能。(4)研究了雙軸差速系統(tǒng)的摩擦補償控制方法。首先以絲杠單驅(qū)動進給系統(tǒng)為研究對象,設計了基于比例微分控制的前饋摩擦補償控制算法,將基于常規(guī)摩擦模型和全組件摩擦模型的前饋摩擦補償控制效果進行對比,驗證全組件摩擦模型刻畫系統(tǒng)摩擦特性的準確性。然后以差速進給系統(tǒng)為研究對象,考慮系統(tǒng)建模未涵蓋部分與模型參數(shù)不確定部分,設計小波模糊神經(jīng)網(wǎng)絡觀測器用于觀測系統(tǒng)集中不確定度,結(jié)合二階滑模變結(jié)構(gòu)控制提出了一種智能二階滑模摩擦補償控制策略來提高雙軸差動微進給伺服系統(tǒng)的位置跟蹤性能。(5)建立了雙軸差速系統(tǒng)的熱誤差模型。雙軸差速系統(tǒng)的特殊機械結(jié)構(gòu)使之溫度場分布和常規(guī)進給機構(gòu)也不同。通過求解基于“螺母旋轉(zhuǎn)型”滾珠絲杠進給系統(tǒng)的熱生成、熱傳導與熱平衡方程組,研究了雙軸差速系統(tǒng)溫度場分布。構(gòu)建了基于BP、Elman與DE-Elman神經(jīng)網(wǎng)絡的雙軸差速系統(tǒng)軸向熱誤差預測模型,通過實驗驗證建模方法的有效性及魯棒性。
【圖文】：

圖１－２滾珠絲杜超精密定位平臺邐１－３摩擦驅(qū)動進給機構(gòu)圖逡逑（３）宏微復合驅(qū)動微進給機構(gòu)：宏微復合雙級驅(qū)動的概念最早在上世紀８０年代逡逑

連接宏動臺與微動臺［２＞２６］。00叩等［２９］采用音圈電機來直接驅(qū)動宏運動平臺，利用逡逑壓電疊堆制動器驅(qū)動微動臺，設計了一種宏微雙驅(qū)動系統(tǒng)，在５０ｍｍ的行程內(nèi)得逡逑到了邋２０ｎｍ的定位精度（圖１－４）。國內(nèi)的許多科研人員也對機械耦合式宏微復合運逡逑動平臺進行了相關(guān)研究。在１Ｃ封裝領域，哈爾濱工業(yè)大學的孫立寧等１３Ｑ］采用音圈逡逑電機作為宏動臺驅(qū)動機構(gòu)和壓電陶瓷驅(qū)動器作為微動臺驅(qū)動機構(gòu)研制了宏微復合逡逑驅(qū)動ＸＹ運動平臺，，該運動平臺在２０ｍｍｘ２０ｍｍ的運動范圍內(nèi)實現(xiàn)了邋１０ｎｍ的重復逡逑定位精度；廣東工業(yè)大學的陳新教授和楊志軍教授課題組［２２］開發(fā)了一種基于并聯(lián)逡逑驅(qū)動的新型宏微復合直線運動平臺，因其宏／微驅(qū)動力均獨立作用在基座上，平臺逡逑結(jié)構(gòu)設計和控制系統(tǒng)設計得以簡化。中國科技大學竺長安教授＠］應用交流伺服電逡逑機驅(qū)動滾珠絲杠，壓電疊堆致動器驅(qū)動柔性較鏈，在３００ｍｍ行程內(nèi)得到了近５ｎｍ逡逑的定位精度，該雙驅(qū)動進給系統(tǒng)成功應用于大面積衍射光柵的超精密加工。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＾邐－邐ａ逡逑Ｌｉｎｅａｒ邋ｅｎｃｏｄｅｒ邋ｓｃａｌｅ邋／逡逑Ｚ逡逑Ｌｉｎｅａｒ邋ｅｎｃｏｄｅｒ邋ｒｅａｄ４＞ｅａｄ邋＾逡逑圖１－４采用音圈電機的宏微運動平臺逡逑機械解耦形式一般是通過氣浮或者磁浮的形式來實現(xiàn)宏動平臺與微動平臺的逡逑解耦連接１２２
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG659

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本文編號：2673581