【摘要】：精密微量驅(qū)動(dòng)進(jìn)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(jī)床及加工中心的刀具或工件實(shí)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(dòng)接觸組件的常規(guī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng),因受到低速非線性爬行的干擾,很難實(shí)現(xiàn)高精度微量進(jìn)給。目前,宏微復(fù)合驅(qū)動(dòng)是一種能同時(shí)滿足高精度和大行程的驅(qū)動(dòng)進(jìn)給技術(shù),通過基于智能材料的微動(dòng)臺(tái)有較高的定位精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度,通過宏動(dòng)臺(tái)實(shí)現(xiàn)了大行程進(jìn)給,但微動(dòng)臺(tái)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(dǎo)師基于“螺母旋轉(zhuǎn)型”滾珠絲杠傳動(dòng)副與極小差速合成原理,提出了一種“雙軸差速式微量進(jìn)給伺服系統(tǒng)”。本文以提高雙軸差速式微量進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制精度為目標(biāo),圍繞動(dòng)態(tài)特性、非線性摩擦、熱變形等影響因素,重點(diǎn)在摩擦建模、辨識(shí)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(bǔ)償方法。本文的主要內(nèi)容包括:(1)建立了雙軸差速微量進(jìn)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(yīng)用模態(tài)試驗(yàn)對(duì)差速進(jìn)給系統(tǒng)的有限元模型準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。從應(yīng)用角度出發(fā),使用有限元模型分析了工作臺(tái)的質(zhì)量、位置和各結(jié)合部剛度對(duì)差速進(jìn)給系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響,為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和誤差補(bǔ)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(jìn)給伺服系統(tǒng)全組件摩擦模型。首先分析了進(jìn)給系統(tǒng)滾動(dòng)接觸組件接觸面摩擦特性的差異性。針對(duì)雙軸差速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)方式導(dǎo)致其無法使用常規(guī)摩擦參數(shù)辨識(shí)方法進(jìn)行辨識(shí)的問題,提出了一種全組件摩擦參數(shù)辨識(shí)方法。通過該方法對(duì)兩驅(qū)動(dòng)軸和工作臺(tái)處摩擦參數(shù)分別進(jìn)行辨識(shí),建立進(jìn)給系統(tǒng)的精準(zhǔn)全組件摩擦模型。(3)建立了包含系統(tǒng)精確動(dòng)力學(xué)模型、全組件摩擦模型的Matlab/Simulink仿真平臺(tái);基于全組件摩擦模型,提出了一種考慮驅(qū)動(dòng)軸和工作臺(tái)臨界速度的低速進(jìn)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(dòng)系統(tǒng)的工作臺(tái)速度響應(yīng),通過分析得出了兩個(gè)系統(tǒng)的臨界爬行速度,以及適合不同驅(qū)動(dòng)方式的速度范圍;通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證了兩種驅(qū)動(dòng)模式的的低速微量進(jìn)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(bǔ)償控制方法。首先以絲杠單驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)了基于比例微分控制的前饋摩擦補(bǔ)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(bǔ)償控制效果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證全組件摩擦模型刻畫系統(tǒng)摩擦特性的準(zhǔn)確性。然后以差速進(jìn)給系統(tǒng)為研究對(duì)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(shè)計(jì)小波模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)器用于觀測(cè)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(bǔ)償控制策略來提高雙軸差動(dòng)微進(jìn)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(jī)械結(jié)構(gòu)使之溫度場(chǎng)分布和常規(guī)進(jìn)給機(jī)構(gòu)也不同。通過求解基于“螺母旋轉(zhuǎn)型”滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)的熱生成、熱傳導(dǎo)與熱平衡方程組,研究了雙軸差速系統(tǒng)溫度場(chǎng)分布。構(gòu)建了基于BP、Elman與DE-Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雙軸差速系統(tǒng)軸向熱誤差預(yù)測(cè)模型,通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(tái)邐１－３摩擦驅(qū)動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)圖逡逑（３）宏微復(fù)合驅(qū)動(dòng)微進(jìn)給機(jī)構(gòu)：宏微復(fù)合雙級(jí)驅(qū)動(dòng)的概念最早在上世紀(jì)８０年代逡逑

連接宏動(dòng)臺(tái)與微動(dòng)臺(tái)［２＞２６］。00叩等［２９］采用音圈電機(jī)來直接驅(qū)動(dòng)宏運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，利用逡逑壓電疊堆制動(dòng)器驅(qū)動(dòng)微動(dòng)臺(tái)，設(shè)計(jì)了一種宏微雙驅(qū)動(dòng)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(duì)機(jī)械耦合式宏微復(fù)合運(yùn)逡逑動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行了相關(guān)研究。在１Ｃ封裝領(lǐng)域，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的孫立寧等１３Ｑ］采用音圈逡逑電機(jī)作為宏動(dòng)臺(tái)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器作為微動(dòng)臺(tái)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)研制了宏微復(fù)合逡逑驅(qū)動(dòng)ＸＹ運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，，該運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在２０ｍｍｘ２０ｍｍ的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了邋１０ｎｍ的重復(fù)逡逑定位精度；廣東工業(yè)大學(xué)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(dòng)的新型宏微復(fù)合直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，因其宏／微驅(qū)動(dòng)力均獨(dú)立作用在基座上，平臺(tái)逡逑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)得以簡(jiǎn)化。中國科技大學(xué)竺長(zhǎng)安教授＠］應(yīng)用交流伺服電逡逑機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，壓電疊堆致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)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(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)成功應(yīng)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(jī)的宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)逡逑機(jī)械解耦形式一般是通過氣浮或者磁浮的形式來實(shí)現(xiàn)宏動(dòng)平臺(tái)與微動(dòng)平臺(tái)的逡逑解耦連接１２２
【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】：2018
【分類號(hào)】：TG659

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本文編號(hào)：2673581