基于FTS的微結(jié)構(gòu)表面超精密車削控制系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、微結(jié)構(gòu)表面是指具有特定微小拓?fù)湫螤畹墓δ鼙砻?，由于其?dú)特的光學(xué)特性、粘附性、摩擦性、耐腐蝕性等，在民用和軍用工業(yè)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。利用快速伺服刀架(FTS)作為精密微位移加工模塊來車削加工微結(jié)構(gòu)表面的方法已經(jīng)成為微結(jié)構(gòu)表面切削加工的一種主流技術(shù)。目前，世界發(fā)達(dá)國家已經(jīng)研發(fā)了基于FTS的微結(jié)構(gòu)表面切削加工的超精密加工設(shè)備及其多軸數(shù)控系統(tǒng)，并成功的實(shí)現(xiàn)了高精度微結(jié)構(gòu)表面的加工。國內(nèi)對(duì)微結(jié)構(gòu)表面切削加工的研究僅僅處于起步階段，無論是加工設(shè)

2、備還是加工質(zhì)量與國外相比還具有相當(dāng)大的差距?；诖?，本文搭建了可用于復(fù)雜微結(jié)構(gòu)表面加工的多軸數(shù)控系統(tǒng)，并針對(duì)微結(jié)構(gòu)表面切削加工過程中的控制與優(yōu)化問題進(jìn)行了相應(yīng)的研究。
　　建立多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)非回轉(zhuǎn)對(duì)稱微結(jié)構(gòu)表面加工的前提條件。為了滿足加工實(shí)時(shí)性的要求，搭建的數(shù)控系統(tǒng)將FTS模塊作為一個(gè)加工軸來對(duì)待，這樣就避免了為 FTS設(shè)置獨(dú)立的控制模塊所帶來的其他加工軸與之通訊的問題。由于在非回轉(zhuǎn)對(duì)稱微結(jié)構(gòu)表面的加工中FTS的輸出位移量

3、是由主軸的角度位置θ和X軸方向的刀具位置共同決定的，本文利用UMAC控制器的時(shí)基觸發(fā)控制方法實(shí)現(xiàn)FTS進(jìn)給與主軸轉(zhuǎn)角和X軸進(jìn)給的精確同步，實(shí)現(xiàn)非回轉(zhuǎn)對(duì)稱微結(jié)構(gòu)表面的加工。建立面向微結(jié)構(gòu)加工的數(shù)控系統(tǒng)人機(jī)界面，及能夠?qū)崿F(xiàn)典型微結(jié)構(gòu)表面加工的自動(dòng)編程系統(tǒng)。
　　作為FTS的驅(qū)動(dòng)元部件，壓電陶瓷本身所固有的遲滯、蠕變等非線性特點(diǎn)不但會(huì)降低FTS系統(tǒng)的控制精度，而且可能造成系統(tǒng)失穩(wěn)。因此，為了減小遲滯非線性的影響，提高FTS的跟蹤控制精度

4、，本文利用拓展輸入空間法建立FTS遲滯系統(tǒng)的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并在其逆模型基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了FTS的閉環(huán)控制。由于理論上神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)只能對(duì)一一映射或多對(duì)一映射建模，不能辨識(shí)FTS系統(tǒng)的遲滯特性這類多值映射的非線性現(xiàn)象，因此引入遲滯算子的概念，將遲滯算子的輸出與系統(tǒng)的輸入一起作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入向量，實(shí)現(xiàn)遲滯系統(tǒng)由多值映射到單值映射的轉(zhuǎn)換。由于實(shí)際加工過程中使用的UMAC控制器將快速伺服刀架(FTS)也作為一個(gè)加工軸來對(duì)待，因此，利用UMAC控制器

5、底層伺服控制開放性這一特點(diǎn)，編寫自定義伺服算法代替控制器內(nèi)建的PID算法，達(dá)到了對(duì)FTS精確控制的目的。
　　為了提高加工工件的表面精度，誤差補(bǔ)償方法是最為經(jīng)濟(jì)有效地方法之一。由于在微結(jié)構(gòu)表面的超精密車削加工過程中，切削深度是隨著微結(jié)構(gòu)表面的輪廓不斷變化的，不同于普通的平面切削加工。因此，針對(duì)微結(jié)構(gòu)表面切削加工的特點(diǎn)，我們提出了基于最小二乘支持向量機(jī)(LS-SVM)的誤差補(bǔ)償方法。通過分析在不同加工參數(shù)下得到的微結(jié)構(gòu)表面誤差輪廓，

6、利用LS-SVM在小樣本空間下的回歸功能建立微結(jié)構(gòu)表面切削加工過程的誤差模型，并利用FTS作為誤差補(bǔ)償機(jī)構(gòu)用以補(bǔ)償在微結(jié)構(gòu)表面切削過程中各種系統(tǒng)誤差因素對(duì)加工表面輪廓精度的影響。通過回轉(zhuǎn)對(duì)稱正弦波微結(jié)構(gòu)表面的誤差補(bǔ)償加工實(shí)驗(yàn)來證明該誤差補(bǔ)償方法的有效性。
　　應(yīng)用搭建的多軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)的加工實(shí)驗(yàn)研究，成功實(shí)現(xiàn)了五波瓣微結(jié)構(gòu)表面、正弦網(wǎng)格微結(jié)構(gòu)表面等非回轉(zhuǎn)對(duì)稱微結(jié)構(gòu)表面的車削加工。利用二維離散Fourier變換(2D-DF