超精密宏-微結合微位移系統(tǒng)的研制.pdf

1、隨著科學技術的不斷發(fā)展，在超精密加工、生物工程、微電子工程、納米科學與技術等各個領域，對微位移技術提出越來越高的要求，要求實現(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域，如加工曲面零件時，要求伺服進給系統(tǒng)能夠實現(xiàn)高精度、大行程的連續(xù)軌跡跟蹤控制。采用宏/微結合雙驅動進給技術可以顯著提高超精密機床的加工精度，但我國與國外相比在該領域還具有較大的差距，目前只是實現(xiàn)了點位控制。將宏/微結合雙驅動進給技術應用于超精密機床實現(xiàn)連續(xù)

2、軌跡跟蹤控制在國內(nèi)還是一個全新的工作。研制可實現(xiàn)連續(xù)軌跡跟蹤控制宏/微結合雙驅動微位移系統(tǒng)可以大大提高我國的超精密加工水平、對提高我國尖端武器性能、打破國外的技術封鎖、縮短我國與發(fā)達國家在精密工程領域的差距、促進國防事業(yè)的發(fā)展具有重要意義。并且對于解決我國長期以來超精密設備需要進口的問題，也具有重大的經(jīng)濟效益和廣闊的應用前景。
　　本文密切結合超精密加工的實際要求，研制了宏/微結合雙驅動微位移實驗系統(tǒng)，實現(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/微結合雙驅動進給技術應用于超精密機床實現(xiàn)在線誤差補償?shù)於嘶A。微位移系統(tǒng)由宏動機構和微動機構組成，宏動機構采用交流伺服電機驅動精密滾珠絲杠實現(xiàn)大行程進給；微動機構采用壓電陶瓷驅動柔性鉸鏈微動工作臺實現(xiàn)高分辨進給。宏動機構和微動機構分別采用精密光柵尺和電容測微儀作為位移傳感器實現(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微動工作臺剛度、應力等靜態(tài)特性和固有頻率等動態(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)化設計的方法，為柔性鉸鏈工作臺的設計提供了理論依據(jù)。
　　采用理論和實驗相結合的方法分別建立了宏動機構和微動機構的物理模型和數(shù)學模型，并給出了宏/微結合微位移系統(tǒng)的狀態(tài)空間。為系統(tǒng)控制器的設計奠定了基礎。
　　為實現(xiàn)宏/微聯(lián)動連續(xù)軌跡跟蹤控制，本文設計了雙伺服環(huán)控制策略，由宏動機構跟蹤系統(tǒng)輸入作為軌跡跟蹤伺服環(huán)，由微動機構跟蹤宏動機構的跟蹤誤差作為誤差補償

5、伺服環(huán)。經(jīng)分析得出宏/微結合微位移系統(tǒng)的連續(xù)軌跡跟蹤能力取決于微動機構的跟蹤能力，這為宏/微結合雙驅動進給機構實現(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，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工具進行了宏/微聯(lián)動連續(xù)跟蹤控制的仿真分析，證明了雙伺