宏宏雙驅(qū)動微量進給伺服系統(tǒng)動態(tài)特性研究.pdf

1、實現(xiàn)超精密加工的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸之一是如何在加工過程中使工具或工件得到準確、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)對于精密測量、精密加工等各種精密設備都起著至關(guān)重要的作用。由于機電系統(tǒng)自身固有屬性導致的低速爬行現(xiàn)象的影響，常規(guī)結(jié)構(gòu)形式和工作方式的機電傳動系統(tǒng)，因低速非線性蠕動爬行現(xiàn)象的影響，很難實現(xiàn)精確、均勻的微小位移的進給控制，不能滿足當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)是實現(xiàn)超精密加工的重要途徑。針對高精度加

2、工技術(shù)的迫切需求，宏微雙驅(qū)動技術(shù)是目前實現(xiàn)大行程、高精度運動控制的一種有效策略，具有極高的分辨率、定位精度和動態(tài)響應速度以及較大的進給剛度，但也存在著明顯的缺點，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，因此基于運動合成原理和現(xiàn)代伺服驅(qū)動技術(shù)，本文提出了“宏宏雙驅(qū)動微量進給伺服系統(tǒng)”，通過“一個伺服電機驅(qū)動滾珠絲杠”和“一個伺服電機驅(qū)動滾珠螺母”的兩個準相等(瞬時速度大小近乎相等，轉(zhuǎn)向相同）宏觀運動疊加，從

3、而避開了因傳統(tǒng)機電伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自身固有屬性導致的不可回避的、低速非線性爬行現(xiàn)象的影響，從而實現(xiàn)高精度微量進給。
　　本文基于赫茲接觸理論，滾道接觸控制理論，多體動、靜力學分析，摩擦學及熱力學等理論，借助于Pro/E、ABAQUS、MATLAB等分析計算軟件，構(gòu)建了運動學模型、動力學模型以及熱力耦合模型，對雙驅(qū)動微量進給機構(gòu)的動態(tài)特性進行了研究，主要內(nèi)容包括:
　　(1)利用微分幾何學原理分析工作滾珠的運動狀態(tài)，計算接觸點處的

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)速下對滾珠運動學參數(shù)的影響，以及在不同驅(qū)動方式下滾珠運動狀態(tài)的差別，并計算雙驅(qū)動滾珠絲杠副機構(gòu)的機械效率，理論分析的結(jié)果為該微量進給機構(gòu)的設計計算及動力學分析奠定了基礎(chǔ)。
　　(2)利用彈性力學中的赫茲接觸理論，分析計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軸承的軸向剛度，采用集中質(zhì)量法建立雙驅(qū)動傳動系統(tǒng)的動力學模型，由拉格朗日方程和狀態(tài)空間向量對系統(tǒng)的頻響特性

5、進行計算，最后通過數(shù)值分析得出雙驅(qū)動系統(tǒng)頻響特性并比較分析與單驅(qū)動系統(tǒng)的差異;以及預緊力、扭轉(zhuǎn)剛度和工作臺總質(zhì)量的變化對雙驅(qū)動系統(tǒng)頻率響應特性的影響，建模及仿真結(jié)果可作為雙驅(qū)動進給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計和控制器設計的重要參考。
　　(3)由于非線性摩擦及機械系統(tǒng)固有的彈性及阻尼特性會導致系統(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)動微量進給系統(tǒng)動力學模型。利用傳遞函數(shù)框圖表示雙驅(qū)動伺服微量進給系統(tǒng)的運動關(guān)系，通過Simulink仿

6、真分析在勻速進給時不同驅(qū)動方式下，工作臺輸出速度波動的差異以及兩電機不同速度組合對工作臺輸出速度的影響;在變速輸入時不同驅(qū)動方式下工作臺輸出速度變化情況。
　　(4)基于傳熱學理論建立了系統(tǒng)各部件的傳導和對流換熱熱阻模型，通過熱節(jié)點的熱平衡分析，利用熱阻網(wǎng)絡法建立了該進給系統(tǒng)的熱平衡方程組，采用NewtonRaphson法求解熱平衡方程組，獲得進給系統(tǒng)的溫度場分布模型;結(jié)合機械熱變形理論，用所建立的溫度場模型預測雙驅(qū)動滾珠絲杠的軸

7、向熱誤差。分別對單/雙驅(qū)動工況下的熱動態(tài)特性進行了數(shù)值分析，結(jié)果表明，在相同進給速度且不同驅(qū)動方式下，單/雙驅(qū)動系統(tǒng)的溫度場分布及熱誤差是不同的，對比分析還顯示了不同進給速度下雙驅(qū)動系統(tǒng)熱動態(tài)特性的變化規(guī)律。
　　(5)立足現(xiàn)代傳感檢測、信號處理與計算機現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)，自主開發(fā)研制了雙驅(qū)動微量進給特性綜合實驗臺。在所搭建的實驗臺上進行動態(tài)特性實驗研究，包括頻率響應測試實驗、工作臺在不同驅(qū)動方式下的臨界爬行速度測試實驗、系統(tǒng)溫升及熱伸