论文部分内容阅读
随着科学技术的不断发展，在超精密加工、生物工程、微电子工程、纳米科学与技术等各个领域，对微位移技术提出越来越高的要求，要求实现在大行程范围内的超精密微位移。尤其是在精密和超精密加工领域，如加工曲面零件时，要求伺服进给系统能够实现高精度、大行程的连续轨迹跟踪控制。采用宏/微结合双驱动进给技术可以显著提高超精密机床的加工精度，但我国与国外相比在该领域还具有较大的差距，目前只是实现了点位控制。将宏/微结合双驱动进给技术应用于超精密机床实现连续轨迹跟踪控制在国内还是一个全新的工作。研制可实现连续轨迹跟踪控制宏/微结合双驱动微位移系统可以大大提高我国的超精密加工水平、对提高我国尖端武器性能、打破国外的技术封锁、缩短我国与发达国家在精密工程领域的差距、促进国防事业的发展具有重要意义。并且对于解决我国长期以来超精密设备需要进口的问题，也具有重大的经济效益和广阔的应用前景。 本文密切结合超精密加工的实际要求，研制了宏/微结合双驱动微位移实验系统，实现了大行程、高精度的连续轨迹跟踪控制。该系统的研制为将宏/微结合双驱动进给技术应用于超精密机床实现在线误差补偿奠定了基础。微位移系统由宏动机构和微动机构组成，宏动机构采用交流伺服电机驱动精密滚珠丝杠实现大行程进给；微动机构采用压电陶瓷驱动柔性铰链微动工作台实现高分辨进给。宏动机构和微动机构分别采用精密光栅尺和电容测微仪作为位移传感器实现闭环控制。 采用有限元方法系统地分析了柔性铰链各几何尺寸对微动工作台刚度、应力等静态特性和固有频率等动态特性的影响，并建立了压电陶瓷在弹性载荷作用下的位移输出模型，给出了柔性铰链几何尺寸优化设计的方法，为柔性铰链工作台的设计提供了理论依据。 采用理论和实验相结合的方法分别建立了宏动机构和微动机构的物理模型和数学模型，并给出了宏/微结合微位移系统的状态空间。为系统控制器的设计奠定了基础。 为实现宏/微联动连续轨迹跟踪控制，本文设计了双伺服环控制策略，由宏动机构跟踪系统输入作为轨迹跟踪伺服环，由微动机构跟踪宏动机构的跟踪误差作为误差补偿伺服环。经分析得出宏/微结合微位移系统的连续轨迹跟踪能力取决于微动机构的跟踪能力，这为宏/微结合双驱动进给机构实现大行程、高精度连续轨迹跟踪提供了理论依据。 针对常规模糊控制器存在量化误差和调节死区、稳态性能差等缺点，本文提出了带有变速积分的在线插值模糊控制器，通过理论推导证明该控制器具有非线性PID控制规律，可保证消除系统的稳态误差。采用Matlab软件的Simulink工具进行了宏/微联动连续跟踪控制的仿真分析，证明了双伺服环控制方案的可行性。 利用超精密宏/微结合微位移实验台系统进行了连续轨迹跟踪控制实验研究。通过实验对比，验证了本文提出的带变速积分的在线插值模糊控制效果明显优于PID控制和常规模糊控制。通过有微动机构补偿和无微动机构补偿的对比实验，验证了所设计的双伺服环控制策略使宏/微结合双驱动微位移系统实现大行程、高精度连续轨迹跟踪控制的方案切实可行，并且效果良好。