孙希威[1]2006年在《磁流变抛光机床数控系统关键技术研究》文中研究表明磁流变抛光是国外近年来新兴的一种光学表面超精密加工技术。它将电磁学、流变学、化学综合作用于光学加工中,可以实现对光学器件的高效精密抛光,是获得超光滑光学表面的理想工艺之一,目前已经被应用于对平面、球面、非球面的超精密加工,可加工材料范围涵盖了光学玻璃、微晶玻璃、光学晶体等多数光学材料。磁流变抛光机床是实现磁流变抛光技术的重要基础设备,本论文结合“纳米级超光滑表面磁流变加工新技术研究”的课题,开发了磁流变抛光机床数控系统,并对其诸如面形控制、轮廓控制、伺服控制及插补算法等关键技术进行了比较深入的研究。本文首先综述了国内外磁流变抛光技术和数控系统的发展状况,对数控系统及超精密机床控制策略的发展和研究状况进行了总结。然后根据磁流变抛光机床的结构和运动方式,从工程实际应用出发,分析了磁流变抛光机床数控系统的功能和任务,研制了一套基于PC的具有开放式体系结构的数控系统,同时针对磁流变抛光的特点,提出了磁流变抛光数控系统的轨迹控制插补算法,运用该算法可对非球面等适用于光学通用方程表示的回转对称曲面进行磁流变抛光加工。磁流变抛光机床的伺服进给系统,在很大程度上决定了机床的加工精度、表面质量和生产效率。本文以磁流变抛光机床的伺服进给系统为研究对象,通过对伺服进给系统的结构分析,建立了伺服进给系统的传递函数模型,并运用频域建模的方法得到了系统模型参数。在综合考虑系统的跟随误差、伺服刚度、干扰抑制等因素后,设计了PID位置控制器。为改善系统的跟踪特性,在系统传递函数模型基础上设计了速度、加速度前馈控制器,提高了单轴位置跟踪能力,仿真实验结果表明位置跟随误差减小了一个数量级。为补偿系统中振荡模态的影响,设计了陷波滤波器,提高了系统的相对稳定性。超精密机床伺服系统的轮廓控制精度直接决定着所加工的光学表面的面形精度。理论分析结果表明机床的轮廓误差受机床的进给速度、加工曲面形状、伺服系统的动态特性及各联动轴的参数匹配程度的共同影响。因此,仅靠保证
郑子文[2]2001年在《超精密机床伺服控制技术研究》文中指出超精密加工技术是现代机械加工技术发展的重要方向之一，其中金刚石车削加工技术以其高的表面质量和低的制造成本成为超精密加工技术发展的热点。在非球面车削加工方面，刀具运动轨迹的精度决定着非球面加工的精度，因此轮廓跟踪控制技术成为非球面加工的关键技术，也是非球面车削加工的难点。本文以非球面车削加工为背景，针对自行研制的超精密车床，主要研究机床进给系统的伺服控制及轮廓控制技术。课题研究的主要内容包括：超精密机床进给机构的运动特性研究，进给系统的伺服控制技术和跟踪控制技术研究，两轴联动轮廓误差控制技术研究等。 一、进给机构的运动特性是研究其伺服控制方法的基础，而且从根本上决定进给机构所能达到的运动精度。滚珠丝杠是超精密机床进给机构中运动传递的核心部件，本文针对滚珠丝杠传动的进给机构，深入研究了进给机构中的摩擦、接触刚度、反向间隙等诸多影响进给机构动态性能的因素，并提出了相应的改进措施；研究了滚珠丝杠进给机构的微观运动特性，并建立了适当的动态模型。 二、采用实验建模和理论推导相结合的方法建立了进给系统的模型，并采用基于误差的增益自适应控制＋PID控制算法对进给机构进行控制，进给机构的定位分辨率达到0.02μm。 叁、研制了适用于超精密机床的运动控制器，除普通运动控制器所具有的运动控制功能外，集成了适用于超精密机床的控制器；针对光学零件的加工，集成了基于光学普适方程的直接函数插补法。该控制器已应用于超精密车床的控制。 四、鲁棒性能是对超精密机床伺服控制系统的基本要求，采用定量反馈控制理论（QFT）设计了进给系统的鲁棒控制器。针对机床进给系统的高精度高性能的多方面要求，提出了混合控制系统的设计思想，设计了基于QFT的速度前馈与复位控制相结合的跟踪控制器。仿真结果显示，采用该控制器在控制对象存在不确定性的情况下，使进给系统对正弦输入的跟踪精度达到纳米级，满足超精密加工的需求。 五、研究了引起轮廓误差的各种因素，以圆弧轮廓为例推导了联动坐标轴动态特性对轮廓误差的影响公式，提出了轮廓误差模型。基于此轮廓误差模型，研究了交叉解耦控制方法和同步技术在改进多轴联动轮廓运动精度方面特点，提出了细插补和交叉耦合控制相结合的轮廓精度控制方法，该方法有效降低了耦合控制算法的复杂性，并能够平滑由于插补指令引起的进给系统中的高频振荡。
王哲[3]2016年在《低摩擦快速平衡卸荷模糊控制精密伺服系统》文中研究表明在超精密加工领域,垂直运动组件比较重,虽然可被现有平衡装置进行重力平衡,但是在被平衡之后,运动阻力仍然较大,还是会引起驱动电机的过流效应,进而影响到机床的稳定性和定位精度。因此,在机床的设计中如何平衡掉垂直运动组件的重力,以此减少被平衡之后的驱动力,进而满足其速度和加速度要求,并提高其定位精度,这对于保障机床稳定性及精度的保持都有很大的意义。本文以超精密机床垂直运动部件的重力平衡系统为研究对象,主要对以下几个方面进行了研究：1.根据超精密机床的工作特性等因素,选择利用气压传动来构建垂直运动部件的重力平衡系统。用一个简单的气动实验模型来模拟气动平衡系统在超精密机床上的使用,提出了无摩擦气缸和密封气腔实时精密恒压控制两大关键技术难点。2.根据气动平衡系统所涉及到的相关气动技术,对低摩擦气缸、气动比例伺服阀、压力伺服控制系统和控制策略这四个方面进行了比较分析。3.通过研究低摩擦气缸的发展,结合气体润滑理论,并依据气缸的基本结构,提出了一种全方位、全工况气体悬浮支撑的无摩擦快速响应平衡装置。该装置利用柔性环节,结合锥面、球面垫圈对试件进行重力平衡,更赋予了其独一无二的偏心自动调节能力。并对该装置进行了理论参数设计分析,为之后的结构仿真参数优化奠定理论基础。4.通过研究气动伺服控制理论,提出用智能模糊PID算法对无摩擦快速响应平衡装置的密封气腔进行实时精密恒压控制。为减少研发周期和成本,本课题选取了基于智能模糊PID控制器工作的精密比例伺服阀。5.根据气压传动的基本理论和电气比例阀优秀的工作特性,结合无摩擦快速响应平衡装置的工作需求,研究提出了一种精密气压平衡卸荷伺服气动系统,并从理论上分析了该气动系统优越的工作性能。6.研究智能模糊PID控制器的工作原理和设计方法,通过对气动回路的工作机制进行仿真实验,以检验智能模糊PID控制相对于PID控制的优越性,从侧面证明了该气动平衡系统对气缸气腔进行实时精密恒压控制出色的工作特性。7.对无摩擦快速响应平衡装置的基本参数进行测量校对,验证了其加工装配的正确性。搭建气动平衡系统实验平台,并用拉力传感器、压力传感器对无摩擦快速响应平衡装置的摩擦力及低摩擦快速平衡卸荷模糊控制精密伺服系统的响应时间、抗干扰能力、工作平稳性以及被平衡之后试件的移动阻力等特性参数进行了测定。对实验结果进行研究分析,验证了所提出来的低摩擦快速平衡卸荷模糊控制精密伺服系统能充分发挥智能模糊PID算法优异的工作特性,能很好的完成超精密机床垂直运动组件的配重任务。
张妍[4]2009年在《超精密机床进给系统微动特性及其QFT控制器的研究》文中研究说明超精密加工是在综合应用机械发展的新成就、新技术的基础上,大幅度提高机械加工的精度和水平,向机械加工精度的极限——纳米级水平挑战的先进制造技术。超精密机床是实现先进制造技术的重要机械装备,在超精密加工技术的研究和发展中,起着决定性的作用。伺服进给系统是超精密机床的关键环节,直接决定着机床的加工精度、工件的表面质量和生产率。进给机构的运动特性是研究其伺服控制方法的基础,决定着进给机构的运动精度。本文针对超精密机床进给机构做了如下几方面研究:1.针对滚珠丝杠传动的进给机构,分析了进给机构中滚珠的受力情况,所受的摩擦,以及在传动过程中,接触刚度、传动间隙等因素对其动态性能的影响,提出了相应的改进措施,得出了滚珠丝杠进给机构的微观运动特性。2.采用机电分离的方法,对进给机构系统建立了数学模型。首先,将机床进给系统抽象为电气传动模块和机械传动模块的串联,分别建立了各模块的传递函数;然后,将机械和电气各模型进行合并,建立了整体系统的数学模型。3.分析了超精密机床常规位置控制器的控制机理,通过对超精密机床对象不确定性和对输入信号跟踪误差的分析,初步确定超精密机床位置控制器可以采用PI的控制形式。4.根据超静密机床所存在的不确定因素,利用定量反馈控制理论(QFT)的方法设计了系统的伺服控制器。系统具有鲁棒性是对超精密机床伺服控制系统的基本要求,利用该理论设计的控制器具有很强的鲁棒性。结果显示,在被控对象存存不确定因素的情况下,采用陔控制器能够使伺服进给系统满足超精密加工的要求。
张晶, 王立松, 李生, 苏宝库[5]2001年在《基于减小间隙极限环的超精密机床伺服控制技术研究》文中研究说明通过分析超精密机床伺服控制系统的特性 ,得出系统中传动部件的间隙非线性环节是影响系统性能的主要原因。为补偿间隙的影响 ,本文提出了在不改变原有的控制器基础上 ,通过引入速度反馈而减小间隙极限环的方法。将该方法应用于实际系统中 ,得到了闭环定位时系统的最大稳态输出误差不超过± 4 0nm的控制精度
王立松, 董申, 苏宝库, 张飞虎[6]2001年在《无间隙极限环的超精密机床伺服控制技术研究》文中提出超精密机床伺服系统中,间隙非线性环节是影响系统性能的主要原因。为消除间隙非线性的影响,本文提出了双回路的控制方法,有效地防止了系统中自持振荡的产生。将该方法应用于实际系统中,得到了闭环定位时系统的最大稳态输出误差小于±20nm的控制精度。
王立松, 董申, 苏宝库, 张飞虎[7]2001年在《无间隙极限环的超精密机床伺服控制技术研究》文中研究表明超精密机床伺服系统中 ,间隙非线性环节是影响系统性能的主要原因。为消除间隙非线性的影响 ,本文提出了双回路的控制方法 ,有效地防止了系统中自持振荡的产生。将该方法应用于实际系统中 ,得到了闭环定位时系统的最大稳态输出误差小于±2 0 nm的控制精度
董鹏程[8]2013年在《超精密液体静压导轨静动态特性分析及控制技术研究》文中指出精密和超精密技术的发展直接影响国防工业和民用工业的发展，世界各个强国都在超精密加工领域进行了大量研究并取得了大量成果。超精密机床是实现超精密加工的首要基础条件，而导轨部件是超精密机床里的关键部件，其性能很大程度上决定了超精密机床的精度，因此很有必要对超精密机床导轨进行研究。根据课题中机床设计的高精度和高刚度要求，选择闭式液体静压导轨作为运动部件。超精密机床要求导轨具有良好的静动态特性和控制性能，对导轨的静动态特性和控制技术进行研究以提高导轨精度是非常必要的。本文针对课题中超精密金刚石车床的研制，对超精密液体静压导轨的静动态特性和控制技术进行了相关研究。根据机床设计要求和静压导轨设计方法确定了导轨的结构尺寸，基于Fluent软件对单个油垫的静态特性进行仿真分析，对单个油垫的油膜厚度、节流孔直径和油腔深度进行了优化计算，得到了最佳结构参数。根据优化的结构参数计算了整个导轨的承载力和刚度，并进行了导轨刚度实验测试，来验证仿真刚度的正确性。利用ANSYS对导轨进行模态分析，得出其各阶固有频率和模态振型。基于PMAC和工控机完成了控制系统搭建，在搭建的数控系统基础上建立了直线电机运动的数学模型，设计出控制系统的带宽，使其满足设计要求，并调试得出最佳PID参数，同时研究了负载变化对伺服系统性能的影响，建立了两轴联动运动模型，进行了圆弧运动仿真，计算了圆弧圆度误差。基于PMAC控制器对控制参数进行了整定，得到了最佳的控制参数，并进行微位移实验测试了导轨的最小分辨率。利用激光干涉仪测量了导轨初始定位精度并基于PMAC的误差补偿功能进行补偿，大大提高了导轨定位精度。在调整完参数后进行了硬铝加工实验，证明了该导轨控制系统具有良好性能，适用于超精密加工设备。
张霖[9]2007年在《数控微细铣削机床系统构建及性能研究》文中研究指明微细切削加工技术在精密叁维微小零件制造中的应用,引发了微细制造领域重大的技术变革。其区别于MEMS技术和超精密加工技术,是利用传统机加工方式并针对微米和中间尺度微小零件进行高效率、高精度微细制造的有效途径。超精密机床是实现微细切削加工技术的重要装备,目前国内在微细切削设备专用机床研发方面尚属初期,欠缺对从系统设计构建到性能评估的一系列深入研究,而国外虽已开发出实用系统,但多数仍处于试制阶段且对我国技术保密。本文针对微细铣削加工,对数控微细铣削机床系统设计过程中的关键技术进行深入的研究,并对影响加工精度的机床主要性能特点进行评估和验证,主要创新性成果如下:1)设计并构建了一台专用于微细铣削加工的小型叁轴数控微细铣削机床系统。机床的本体尺寸为300mm×400mm×500mm,机床的工作空间尺寸为50mm×50mm×20mm,全闭环数控系统分辨率为0.05μm,能实现亚微米级加工精度。关键部件采用高速空气静压电主轴、精密滑台、直线电机以及基于IPC的多轴运动控制卡,结合优化的插补控制策略及误差补偿机制,能实现包括微直槽、微同心圆槽、薄壁、微齿轮及微球体的数控微细铣削加工,加工试验结果显示,该铣床已经具有加工叁维大深宽比meso尺度叁维零件的能力。2)对构建的微细铣削机床机械本体结构空间误差特性进行分析,运用多体系统运动学理论和齐次变换矩阵,根据微铣床误差特性,建立了微铣床空间综合误差模型。通过实际测量对微铣床空间误差参数进行辨识,并采用综合动态补偿方法进行误差补偿。3)提出了利用机床空间误差模型并基于损失模型的微铣床结构参数优化方法,为实现机床结构参数最优化设计提供了数学依据,运用该法实现了在机床设计阶段实现空间误差的最小化。4)对微细铣削系统直接驱动工作台微进给系统的伺服控制特性进行研究,建立了直线电机直接驱动伺服系统数学模型,并以此为基础分析了微细铣削系统单轴伺服控制特性,提出以PI控制算法为基础,结合速度、加速度前馈和陷波滤波器相结合的的控制策略,达到满意的控制性能。进一步分析多轴联动轮廓误差成因,提出采用交叉耦合轮廓控制方法提高直线电机驱动微进给工作台轮廓精度的控制策略,为微细铣削加工奠定了控制方面的基础。5)对微细铣削机床系统的切削加工性能进行研究,提出基于最小切削厚度理论的微细铣削加工机理分析过程。通过微细铣削表面粗糙度实验分析验证该机理分析过程的正确性,并考察了重要切削工艺参数对微细铣削零件表面粗糙度的影响规律,为后续生产奠定了工艺方面的基础。进一步通过一系列微小零件的铣削加工实验验证该微细铣削机床系统的切削加工性能。
王立松, 董申, 苏宝库, 张飞虎[10]2001年在《基于扰动前馈补偿的超精密机床伺服控制技术研究》文中进行了进一步梳理为消除超精密机床伺服系统中各种扰动力矩及系统参数波动对控制系统性能的影响 ,研究了基于扰动前馈补偿与反馈技术相结合的控制方法。利用扰动前馈控制器实时补偿系统中的扰动力矩 ,而利用常规反馈控制器保证了系统的良好的动态特性 ,并将其应用于实际系统中。实验表明 :该控制策略使系统跟踪速度信号时对各种扰动有良好的抑制能力 ,系统的最大稳态跟踪误差小于± 2 0nm。
参考文献：
[1]. 磁流变抛光机床数控系统关键技术研究[D]. 孙希威. 哈尔滨工业大学. 2006
[2]. 超精密机床伺服控制技术研究[D]. 郑子文. 国防科学技术大学. 2001
[3]. 低摩擦快速平衡卸荷模糊控制精密伺服系统[D]. 王哲. 广东工业大学. 2016
[4]. 超精密机床进给系统微动特性及其QFT控制器的研究[D]. 张妍. 兰州理工大学. 2009
[5]. 基于减小间隙极限环的超精密机床伺服控制技术研究[J]. 张晶, 王立松, 李生, 苏宝库. 组合机床与自动化加工技术. 2001
[6]. 无间隙极限环的超精密机床伺服控制技术研究[C]. 王立松, 董申, 苏宝库, 张飞虎. 中国仪器仪表学会第叁届青年学术会议论文集（下）. 2001
[7]. 无间隙极限环的超精密机床伺服控制技术研究[J]. 王立松, 董申, 苏宝库, 张飞虎. 仪器仪表学报. 2001
[8]. 超精密液体静压导轨静动态特性分析及控制技术研究[D]. 董鹏程. 哈尔滨工业大学. 2013
[9]. 数控微细铣削机床系统构建及性能研究[D]. 张霖. 南京航空航天大学. 2007
[10]. 基于扰动前馈补偿的超精密机床伺服控制技术研究[J]. 王立松, 董申, 苏宝库, 张飞虎. 制造技术与机床. 2001
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