大行程高精度微進給系統(tǒng)的研究.pdf

1、隨著科學技術的不斷發(fā)展，在國防工業(yè)、航天宇航技術、生物工程、微電子工程、納米科學與技術等各個領域，對加工精度的要求越來越高，提高制造精度后可以大幅地提高產品的性能和質量，提高其穩(wěn)定性和可靠性。超精密機床是保證產品加工精度的主要工具，而微進給系統(tǒng)作為超精密機床的核心部件，其性能直接影響超精密機床的加工精度。超精密加工技術的持續(xù)發(fā)展，要求進給系統(tǒng)能夠實現(xiàn)在大行程范圍內的超精密微位移，從而可以加工大尺寸的工件，并獲得好的加工精度。傳統(tǒng)的進給系

2、統(tǒng)受自身結構特點的限制，不能很好地滿足要求，因此需要研制一種新型的具有高精度、大行程的超精密進給系統(tǒng)，可以大大提高超精密機床的加工精度。對提高我國國民經濟發(fā)展、縮短我國與發(fā)達國家在超精密加工、檢測領域的差距，加快國防工業(yè)現(xiàn)代化建設具有重要意義。
　　本文基于摩擦學原理，采用壓電陶瓷驅動，研制了一種新型的大行程高精度微進給系統(tǒng)，為超精密微進給技術的實現(xiàn)提供了一個經濟可靠的手段，對于超精密定位系統(tǒng)的研究和應用具有重要的意義和實用價值。

3、
　　該微進給系統(tǒng)由驅動部件與傳動部件組成。驅動部件采用壓電陶瓷驅動摩擦套筒實現(xiàn)角位移輸出；傳動部件由滾珠絲杠與空氣靜壓導軌組成，實現(xiàn)直線運動。對系統(tǒng)的可調預壓裝置、空氣靜壓導軌等關鍵部件進行設計，采用有限元方法系統(tǒng)地分析了預壓裝置的剛度、應力、固有頻率等靜態(tài)特性，得出柔性鉸鏈的各幾何尺寸對預壓裝置的靜態(tài)特性的影響，從而實現(xiàn)優(yōu)化設計。
　　采用模塊化方法，建立微進給系統(tǒng)的物理模型和數學模型，為設計系統(tǒng)的控制器打下了基礎。為了

4、減少摩擦驅動過程中，微觀滑移、非線性等因素對定位系統(tǒng)的動態(tài)性能的影響，優(yōu)化控制系統(tǒng)的控制參數，建立了系統(tǒng)的動力學模型與方程，并基于Karnopp“粘滯——滑移”模型對系統(tǒng)的動態(tài)特性進行仿真、實驗研究，得出正壓力、摩擦系數、轉動慣量等參數變化對位移輸出的影響規(guī)律。
　　針對壓電陶瓷驅動過程中存在的磁滯、非線性等特性，建立了驅動系統(tǒng)的逆Preisach模型，能夠很好的預測壓電驅動器在經過一定的隨機控制電壓序列后的位移輸出值，有效地改善

5、輸出位移的磁滯非線性，減小了系統(tǒng)的非線性誤差，提高了控制精度。
　　根據微進給機構的特點，設計了變速積分模糊控制系統(tǒng)。采用二維模糊控制器，在選擇模糊變量的隸屬函數時采用不均勻劃分，在誤差較大的區(qū)域采用低分辨率的模糊子集，在誤差較小的區(qū)域采用較高分辨率的模糊子集，從而提高系統(tǒng)的漸進穩(wěn)定性，并改善了常規(guī)模糊控制器存在量化誤差和調節(jié)死區(qū)、穩(wěn)態(tài)性能差的缺點。采用 Matlab軟件的Simulink工具進行了閉環(huán)控制的仿真分析，證明了方案的