超磁致伸縮微致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的車(chē)削加工系統(tǒng)建模與控制.pdf

1、隨著非圓零件在航空、宇航、汽車(chē)、機(jī)床、輕工業(yè)等制造業(yè)中的比重日益增長(zhǎng)，為了達(dá)到所需性能要求，其加工精度要求隨之提高。一方面，高精度非圓截面加工常用的微進(jìn)給方式有利用彈性變形、機(jī)械靠模、偏心主軸或偏心刀桿等。這些方法機(jī)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)節(jié)困難，精度低，造價(jià)高，很難被推廣應(yīng)用。而用直線(xiàn)電機(jī)和表面馬達(dá)的精密機(jī)床微進(jìn)給機(jī)構(gòu)，滿(mǎn)足了高頻響、大行程和高精度的要求，但控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，成本高，難以在一般企業(yè)中推廣應(yīng)用。因此，研制具有高頻響、高分辨率、高精度、

2、大行程的刀架伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)是核心問(wèn)題。另一方面，以Terfenol-D為代表的稀土超磁致伸縮材料(GMM)制成的機(jī)電轉(zhuǎn)換器(超磁致伸縮微致動(dòng)器GMA)驅(qū)動(dòng)的非圓型面精密加工系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、重復(fù)精度高、無(wú)間隙、剛性好、傳動(dòng)慣量小、工作穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，既可實(shí)現(xiàn)無(wú)模體自動(dòng)控制高精密加工，克服傳統(tǒng)硬靠模法的缺點(diǎn)，又可克服以電磁力推動(dòng)車(chē)刀進(jìn)給的軟靠模方法精度差的缺點(diǎn)，更適用于復(fù)雜型線(xiàn)或硬質(zhì)基體的加工。
　　然而，GMA由于本身超磁致伸

3、縮材料的滯回特性，及GMA的設(shè)計(jì)與應(yīng)用涉及非線(xiàn)性振動(dòng)、磁彈性動(dòng)力學(xué)、精密機(jī)械加工、自動(dòng)控制等諸多學(xué)科，磁機(jī)耦合微致動(dòng)機(jī)理與非圓精密加工的滯回補(bǔ)償同步過(guò)程控制問(wèn)題，以及在磁場(chǎng)作用下還伴有發(fā)熱、能量損耗，致使GMA控制位移精度不高等原因，嚴(yán)重阻礙了GMA的應(yīng)用。因此，數(shù)控車(chē)削系統(tǒng)的GMA伺服微進(jìn)給控制系統(tǒng)的研究成為重中之重。
　　本文圍繞GMA數(shù)控車(chē)削加工系統(tǒng)的加工數(shù)據(jù)文件的生成、控制方法、加工零件及加工結(jié)果虛擬顯示進(jìn)行了研究，主要進(jìn)

4、行了以下的工作:
　　1、通過(guò)復(fù)雜活塞加工數(shù)據(jù)文件生成及數(shù)控車(chē)削加工成型機(jī)理的研究，利用非均勻有理B樣條(NURBS)曲線(xiàn)擬合方法建立了復(fù)雜型面加工數(shù)據(jù)的統(tǒng)一表達(dá)式，解決了用三次樣條差值算法擬合時(shí)在兩點(diǎn)間插值存在“階梯”的現(xiàn)象;針對(duì)擬合曲線(xiàn)具有的端點(diǎn)效應(yīng)，提出了在兩端構(gòu)造虛擬控制點(diǎn)方法，提高了曲線(xiàn)的擬合精度。
　　2、根據(jù)壓磁理論，考慮溫度的影響，引入預(yù)壓彈簧的幾何非線(xiàn)性及GMM滯回物理非線(xiàn)性的影響，并基于擴(kuò)展的J-A滯回模

5、型，建立了GMA車(chē)削加工系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，采用Simulink仿真工具對(duì)GMA車(chē)削系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了詳細(xì)的討論，對(duì)不同參數(shù)的影響進(jìn)行了研究。提出了不同參數(shù)下，使系統(tǒng)輸出位移達(dá)到最大時(shí)的最佳激勵(lì)振幅的概念。
　　3、基于實(shí)驗(yàn)，在超磁致伸縮微致動(dòng)器線(xiàn)性工作區(qū)內(nèi)，采用理想滯回模型，根據(jù)泰勒近似公式，建立了只考慮幾何非線(xiàn)性的GMA車(chē)削系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型。并根據(jù)所建立模型及實(shí)際工況的特點(diǎn)，采用基于精確反饋線(xiàn)性化的滑模變結(jié)構(gòu)控制實(shí)現(xiàn)了GMA

6、車(chē)削加工系統(tǒng)的控制，并通過(guò)Simulink仿真針對(duì)不同的期望輸入驗(yàn)證控制方法的有效性。
　　4、在超磁致伸縮微致動(dòng)器具有逆系統(tǒng)的非線(xiàn)性工作區(qū)內(nèi)，針對(duì)GMA車(chē)削加工系統(tǒng)的滯回非線(xiàn)性，研究了RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)前饋逆補(bǔ)償—自適應(yīng)模糊滑模變結(jié)構(gòu)反饋控制(RDFSC)方法。采用PID型設(shè)計(jì)了滑模面，并將自適應(yīng)模糊控制融合到了滑模變結(jié)構(gòu)控制器的設(shè)計(jì)中，一方面減小了滑模變結(jié)構(gòu)控制器存在的抖振現(xiàn)象，另一方面由于采用了自適應(yīng)模糊控制器，使模糊規(guī)則按照當(dāng)

7、前系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)更新模糊規(guī)則，使系統(tǒng)更具有了智能化。
　　5、針對(duì)RDFSC在初始過(guò)度階段誤差較大的缺點(diǎn)，提出了RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)前饋逆控制-多模自適應(yīng)控制(RMDC)的方法。提出以時(shí)間為切換開(kāi)關(guān)，在研究RDFSC的基礎(chǔ)上，確定使自適應(yīng)模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制器(DFSC)穩(wěn)定的時(shí)間。當(dāng)DFSC達(dá)到穩(wěn)定前，反饋控制采用PID控制策略，同時(shí)運(yùn)行DFSC，但不參與控制;當(dāng)DFSC達(dá)到穩(wěn)定后，切換到DFSC。仿真結(jié)果表明，RMDC使系統(tǒng)既具有

8、較好的穩(wěn)態(tài)精度又具有較好的過(guò)度過(guò)程。
　　6、從GMA的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，為了消除超磁致伸縮微致動(dòng)器的“倍頻”現(xiàn)象及使GMA的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為緊湊，基于模型的等價(jià)代換及狀態(tài)反饋，研究了模糊自適應(yīng)控制方法，并通過(guò)構(gòu)造李亞普諾夫函數(shù)分析了系統(tǒng)的穩(wěn)定，進(jìn)一步通過(guò)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了控制方法的有效性。該方法在一定范圍內(nèi)擴(kuò)展了超磁致伸縮微致動(dòng)器的工作區(qū)間，使GMA的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單緊湊。
　　7、通過(guò)CAD對(duì)外部開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的接口，利用VS2005作為