宏宏雙驅(qū)動(dòng)微量進(jìn)給伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性研究.pdf

1、實(shí)現(xiàn)超精密加工的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸之一是如何在加工過(guò)程中使工具或工件得到準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠的微量位移，即精密定位技術(shù)。精密定位系統(tǒng)對(duì)于精密測(cè)量、精密加工等各種精密設(shè)備都起著至關(guān)重要的作用。由于機(jī)電系統(tǒng)自身固有屬性導(dǎo)致的低速爬行現(xiàn)象的影響，常規(guī)結(jié)構(gòu)形式和工作方式的機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)，因低速非線性蠕動(dòng)爬行現(xiàn)象的影響，很難實(shí)現(xiàn)精確、均勻的微小位移的進(jìn)給控制，不能滿足當(dāng)前高精度制造裝備及加工的迫切需求，因而研究微位移技術(shù)是實(shí)現(xiàn)超精密加工的重要途徑。針對(duì)高精度加

2、工技術(shù)的迫切需求，宏微雙驅(qū)動(dòng)技術(shù)是目前實(shí)現(xiàn)大行程、高精度運(yùn)動(dòng)控制的一種有效策略，具有極高的分辨率、定位精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度以及較大的進(jìn)給剛度，但也存在著明顯的缺點(diǎn)，如剛度小、非線性、遲滯、蠕變等，尤其是遲滯非線性，使其定位精度大打折扣，因此基于運(yùn)動(dòng)合成原理和現(xiàn)代伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)，本文提出了“宏宏雙驅(qū)動(dòng)微量進(jìn)給伺服系統(tǒng)”，通過(guò)“一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠”和“一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠螺母”的兩個(gè)準(zhǔn)相等(瞬時(shí)速度大小近乎相等，轉(zhuǎn)向相同）宏觀運(yùn)動(dòng)疊加，從

3、而避開(kāi)了因傳統(tǒng)機(jī)電伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自身固有屬性導(dǎo)致的不可回避的、低速非線性爬行現(xiàn)象的影響，從而實(shí)現(xiàn)高精度微量進(jìn)給。
　　本文基于赫茲接觸理論，滾道接觸控制理論，多體動(dòng)、靜力學(xué)分析，摩擦學(xué)及熱力學(xué)等理論，借助于Pro/E、ABAQUS、MATLAB等分析計(jì)算軟件，構(gòu)建了運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、動(dòng)力學(xué)模型以及熱力耦合模型，對(duì)雙驅(qū)動(dòng)微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究，主要內(nèi)容包括:
　　(1)利用微分幾何學(xué)原理分析工作滾珠的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，計(jì)算接觸點(diǎn)處的

4、摩擦力，建立力和力矩平衡方程式，研究絲杠和螺母在不同轉(zhuǎn)速下對(duì)滾珠運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的影響，以及在不同驅(qū)動(dòng)方式下滾珠運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的差別，并計(jì)算雙驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠副機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率，理論分析的結(jié)果為該微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算及動(dòng)力學(xué)分析奠定了基礎(chǔ)。
　　(2)利用彈性力學(xué)中的赫茲接觸理論，分析計(jì)算絲杠軸的軸向及扭轉(zhuǎn)剛度、螺母組件的軸向剛度以及支撐滾動(dòng)軸承的軸向剛度，采用集中質(zhì)量法建立雙驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，由拉格朗日方程和狀態(tài)空間向量對(duì)系統(tǒng)的頻響特性

5、進(jìn)行計(jì)算，最后通過(guò)數(shù)值分析得出雙驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)頻響特性并比較分析與單驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的差異;以及預(yù)緊力、扭轉(zhuǎn)剛度和工作臺(tái)總質(zhì)量的變化對(duì)雙驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性的影響，建模及仿真結(jié)果可作為雙驅(qū)動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制器設(shè)計(jì)的重要參考。
　　(3)由于非線性摩擦及機(jī)械系統(tǒng)固有的彈性及阻尼特性會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的爬行、振蕩等不穩(wěn)定行為，因此建立了考慮摩擦的雙驅(qū)動(dòng)微量進(jìn)給系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。利用傳遞函數(shù)框圖表示雙驅(qū)動(dòng)伺服微量進(jìn)給系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，通過(guò)Simulink仿

6、真分析在勻速進(jìn)給時(shí)不同驅(qū)動(dòng)方式下，工作臺(tái)輸出速度波動(dòng)的差異以及兩電機(jī)不同速度組合對(duì)工作臺(tái)輸出速度的影響;在變速輸入時(shí)不同驅(qū)動(dòng)方式下工作臺(tái)輸出速度變化情況。
　　(4)基于傳熱學(xué)理論建立了系統(tǒng)各部件的傳導(dǎo)和對(duì)流換熱熱阻模型，通過(guò)熱節(jié)點(diǎn)的熱平衡分析，利用熱阻網(wǎng)絡(luò)法建立了該進(jìn)給系統(tǒng)的熱平衡方程組，采用NewtonRaphson法求解熱平衡方程組，獲得進(jìn)給系統(tǒng)的溫度場(chǎng)分布模型;結(jié)合機(jī)械熱變形理論，用所建立的溫度場(chǎng)模型預(yù)測(cè)雙驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠的軸

7、向熱誤差。分別對(duì)單/雙驅(qū)動(dòng)工況下的熱動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了數(shù)值分析，結(jié)果表明，在相同進(jìn)給速度且不同驅(qū)動(dòng)方式下，單/雙驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的溫度場(chǎng)分布及熱誤差是不同的，對(duì)比分析還顯示了不同進(jìn)給速度下雙驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)熱動(dòng)態(tài)特性的變化規(guī)律。
　　(5)立足現(xiàn)代傳感檢測(cè)、信號(hào)處理與計(jì)算機(jī)現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)，自主開(kāi)發(fā)研制了雙驅(qū)動(dòng)微量進(jìn)給特性綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)。在所搭建的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)研究，包括頻率響應(yīng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)、工作臺(tái)在不同驅(qū)動(dòng)方式下的臨界爬行速度測(cè)試實(shí)驗(yàn)、系統(tǒng)溫升及熱伸