發(fā)布時(shí)間：2020-05-28 05:19

【摘要】：傳統(tǒng)的滾珠絲杠副低速運(yùn)行時(shí),由于摩擦的非線性會(huì)導(dǎo)致非線性蠕動(dòng)爬行現(xiàn)象,難以實(shí)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(dòng)行程大、控制精度高的進(jìn)給運(yùn)動(dòng),目前多采用宏微復(fù)合驅(qū)動(dòng)形式,即通過(guò)宏驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)完成大行程運(yùn)動(dòng),通過(guò)微驅(qū)動(dòng)在較小的行程內(nèi)實(shí)現(xiàn)精度高的微量運(yùn)動(dòng),但這種驅(qū)動(dòng)存在非線性、剛度小、遲滯等缺陷。因此,本文基于雙驅(qū)差動(dòng)復(fù)合原理,利用空心軸直驅(qū)電機(jī)和螺母驅(qū)動(dòng)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(duì)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(jì)和優(yōu)化,雙直驅(qū)系統(tǒng)的剛度配置、動(dòng)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(dòng)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(jì)了空心軸直驅(qū)電機(jī)。根據(jù)雙直驅(qū)伺服系統(tǒng)對(duì)螺母驅(qū)動(dòng)電機(jī)的設(shè)計(jì)要求,依據(jù)電機(jī)磁路法初步設(shè)計(jì)計(jì)算出了空心軸電機(jī)的基本參數(shù),根據(jù)磁路法設(shè)計(jì)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(duì)初步設(shè)計(jì)的空心軸直驅(qū)電機(jī)進(jìn)行了參數(shù)尋優(yōu)。針對(duì)初步設(shè)計(jì)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(dòng)大,不滿足設(shè)計(jì)要求的問(wèn)題,確定影響空心軸直驅(qū)電機(jī)性能的設(shè)計(jì)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(jì)實(shí)驗(yàn)樣本,用有限元法計(jì)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(duì)空心軸直驅(qū)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化,降低了轉(zhuǎn)矩波動(dòng),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(dòng)剛度。通過(guò)用彈簧阻尼單元模擬系統(tǒng)的結(jié)合部對(duì)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(jì)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(yàn)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(duì)進(jìn)給系統(tǒng)動(dòng)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(duì)雙直驅(qū)伺服系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)建模并設(shè)計(jì)了全閉環(huán)控制方案;,研究了系統(tǒng)工作臺(tái)在低速工作時(shí),采用雙直驅(qū)差速驅(qū)動(dòng)與傳統(tǒng)的單絲杠驅(qū)動(dòng)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(dòng)相比采用差速雙驅(qū)動(dòng)時(shí),工作臺(tái)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(dòng)特性。分析了低速下影響電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)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(duì)速度波動(dòng)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(tái)低速下使用雙驅(qū)動(dòng)時(shí)兩電機(jī)合理工作區(qū)間。最后仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析了兩種不同驅(qū)動(dòng)下工作臺(tái)在低速時(shí)的速度波動(dòng)和位移跟蹤誤差波動(dòng)情況,同時(shí),與傳統(tǒng)的絲杠單驅(qū)動(dòng)相比,采用雙驅(qū)動(dòng)時(shí)在某些特定速度點(diǎn)可以有效避免電機(jī)諧波引起的系統(tǒng)共振,減小工作臺(tái)的速度波動(dòng)和位移跟蹤誤差波動(dòng),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(duì)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(dòng)力學(xué)設(shè)逡逑計(jì)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(xiàng)逡逑前沿技術(shù)。目前，依據(jù)不同的驅(qū)動(dòng)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(dòng)：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(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。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(jí)，但缺陷是運(yùn)動(dòng)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(dòng)氣浮導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，用激光千涉儀做測(cè)量反饋裝逡逑置，通過(guò)ＰＩＤ控制器進(jìn)行前饋補(bǔ)償，制作了超精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，在超精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)逡逑中，系統(tǒng)的動(dòng)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(dòng)副設(shè)計(jì)了一種超精密的工作臺(tái)，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(lái)，在１５０邋ｍｍ的運(yùn)動(dòng)行程內(nèi)實(shí)現(xiàn)了逡逑７．２邋ｎｍ的定位【２６］。東京工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)的納米級(jí)氣體靜壓運(yùn)動(dòng)平臺(tái)如圖１－３所示［２＇逡逑它利用有刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shí)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(dòng)系統(tǒng)邐位ｉｆｆ測(cè)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(cè)邋ｉ板邋＾￣Ｉ邋！逡逑、、：N」邐ｚ７邋＇七：口：N晚一逡逑￣＂Ｉ邋計(jì)邋Ｉ￣邐逡
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TM31

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