超精密宏-微結(jié)合微位移系統(tǒng)的研制.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在超精密加工、生物工程、微電子工程、納米科學(xué)與技術(shù)等各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)微位移技術(shù)提出越來(lái)越高的要求，要求實(shí)現(xiàn)在大行程范圍內(nèi)的超精密微位移。尤其是在精密和超精密加工領(lǐng)域，如加工曲面零件時(shí)，要求伺服進(jìn)給系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、大行程的連續(xù)軌跡跟蹤控制。采用宏/微結(jié)合雙驅(qū)動(dòng)進(jìn)給技術(shù)可以顯著提高超精密機(jī)床的加工精度，但我國(guó)與國(guó)外相比在該領(lǐng)域還具有較大的差距，目前只是實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)位控制。將宏/微結(jié)合雙驅(qū)動(dòng)進(jìn)給技術(shù)應(yīng)用于超精密機(jī)床實(shí)現(xiàn)連續(xù)

2、軌跡跟蹤控制在國(guó)內(nèi)還是一個(gè)全新的工作。研制可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡跟蹤控制宏/微結(jié)合雙驅(qū)動(dòng)微位移系統(tǒng)可以大大提高我國(guó)的超精密加工水平、對(duì)提高我國(guó)尖端武器性能、打破國(guó)外的技術(shù)封鎖、縮短我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家在精密工程領(lǐng)域的差距、促進(jìn)國(guó)防事業(yè)的發(fā)展具有重要意義。并且對(duì)于解決我國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)超精密設(shè)備需要進(jìn)口的問題，也具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的應(yīng)用前景。
　　本文密切結(jié)合超精密加工的實(shí)際要求，研制了宏/微結(jié)合雙驅(qū)動(dòng)微位移實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大行程、高精度的連續(xù)軌

3、跡跟蹤控制。該系統(tǒng)的研制為將宏/微結(jié)合雙驅(qū)動(dòng)進(jìn)給技術(shù)應(yīng)用于超精密機(jī)床實(shí)現(xiàn)在線誤差補(bǔ)償?shù)於嘶A(chǔ)。微位移系統(tǒng)由宏動(dòng)機(jī)構(gòu)和微動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，宏動(dòng)機(jī)構(gòu)采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)精密滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)大行程進(jìn)給；微動(dòng)機(jī)構(gòu)采用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)柔性鉸鏈微動(dòng)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)高分辨進(jìn)給。宏動(dòng)機(jī)構(gòu)和微動(dòng)機(jī)構(gòu)分別采用精密光柵尺和電容測(cè)微儀作為位移傳感器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。
　　采用有限元方法系統(tǒng)地分析了柔性鉸鏈各幾何尺寸對(duì)微動(dòng)工作臺(tái)剛度、應(yīng)力等靜態(tài)特性和固有頻率等動(dòng)態(tài)特性的影響，并

4、建立了壓電陶瓷在彈性載荷作用下的位移輸出模型，給出了柔性鉸鏈幾何尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，為柔性鉸鏈工作臺(tái)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。
　　采用理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法分別建立了宏動(dòng)機(jī)構(gòu)和微動(dòng)機(jī)構(gòu)的物理模型和數(shù)學(xué)模型，并給出了宏/微結(jié)合微位移系統(tǒng)的狀態(tài)空間。為系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。
　　為實(shí)現(xiàn)宏/微聯(lián)動(dòng)連續(xù)軌跡跟蹤控制，本文設(shè)計(jì)了雙伺服環(huán)控制策略，由宏動(dòng)機(jī)構(gòu)跟蹤系統(tǒng)輸入作為軌跡跟蹤伺服環(huán)，由微動(dòng)機(jī)構(gòu)跟蹤宏動(dòng)機(jī)構(gòu)的跟蹤誤差作為誤差補(bǔ)償

5、伺服環(huán)。經(jīng)分析得出宏/微結(jié)合微位移系統(tǒng)的連續(xù)軌跡跟蹤能力取決于微動(dòng)機(jī)構(gòu)的跟蹤能力，這為宏/微結(jié)合雙驅(qū)動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)大行程、高精度連續(xù)軌跡跟蹤提供了理論依據(jù)。
　　針對(duì)常規(guī)模糊控制器存在量化誤差和調(diào)節(jié)死區(qū)、穩(wěn)態(tài)性能差等缺點(diǎn)，本文提出了帶有變速積分的在線插值模糊控制器，通過理論推導(dǎo)證明該控制器具有非線性PID控制規(guī)律，可保證消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。采用Matlab軟件的Simulink工具進(jìn)行了宏/微聯(lián)動(dòng)連續(xù)跟蹤控制的仿真分析，證明了雙伺