激光焦點(diǎn)控制磁力驅(qū)動的控制特性對比分析

1、1激光焦點(diǎn)控制磁力驅(qū)動的控制特性實驗對比分析激光焦點(diǎn)控制磁力驅(qū)動的控制特性實驗對比分析?佟玲1，吳利平1，金嘉琦1，孫鳳1，張曉友12（1.沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽110870；2.日本工業(yè)大學(xué)，日本琦玉3450826）摘要：為了滿足激光焦點(diǎn)控制系統(tǒng)的位置和速度響應(yīng)要求，該文設(shè)計了一種軸向放置、軸向磁化的環(huán)形永磁體自復(fù)位的3自由度激光焦點(diǎn)磁力驅(qū)動微動平臺。根據(jù)該微動平臺的結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析和動力學(xué)方程的建立，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行微動平

2、臺的PID控制實驗和魯棒控制實驗。通過兩種不同的控制策略的對比分析，結(jié)果表明，兩種控制策略都能實現(xiàn)微動平臺的穩(wěn)定驅(qū)動，但是在PID控制策略下，響應(yīng)速度更好，在魯棒控制策略下，抗干擾能力更好。關(guān)鍵詞：電磁驅(qū)動；魯棒控制；PID控制；對比實驗；差動控制中圖分類號：TH39文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：TheExperimentalComparativeAnalysisofControlacteristicsofLaserFocusControlM

3、agicFceDriveTONGLing1WULiping1JINJiaqi1SUNFeng1ZHANGXiaoyou12(1.SchoolofMechanicalEngineeringShenyangUniversityofTechnologyShenyang110870China；2.NipponInstituteofTechnology，Saitama3450826Japan)Abstract:Indertosatisfyther

4、equirementsofpositionvelocityresponseofthelaserfocuscontrolsystemathreedegreeoffreedomlaserfocusmagicallydrivenmicromotionplatfmisdesignedinthispaper.Accdingtothestructureofthefreestyleplatfmthemechanicalanalysistheestab

5、lishmentofthekiicequationarecarriedout.OnthisbasisthePIDcontrolexperimenttherobustcontrolexperimentofthefrettingplatfmarecarriedout.Theresultsshowthatthetwocontrolstrategiescanachievethestabledrivingofthemicromotionplatf

6、mbutunderthePIDcontrolstrategytheresponsespeedisbetterundertherobustcontrolstrategytheantijammingabilitybetter.Keywds:electromagicdriverobustcontrolPIDcontrolcomparativeexperimentdifferentialcontrol?收稿日期：收稿日期：2017XXXX基金項

7、目：基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（51105257，51310105025）作者簡介：作者簡介：佟玲（1980－），女，遼寧沈陽人，博士研究生，Email：tonglingsy@；孫鳳（通信作者），男，副教授，博士，博士生副導(dǎo)師，Email：sunfeng@sut.激光加工技術(shù)中，激光切割技術(shù)由于其具有光點(diǎn)小、能量集中、熱影響區(qū)小、在加工過程中不接觸加工工件、對工件污染小、不受電磁干擾、激光束易于聚焦、導(dǎo)向、便于自動化控制等特點(diǎn)，

8、已成為當(dāng)前激光加工技術(shù)領(lǐng)域研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)之一[13]。隨著加工制造行業(yè)往高精尖方向發(fā)展，提高激光切割質(zhì)量和切割效率的研究受到了國內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注[38]。影響切割效率和切口質(zhì)量的因素有許多，特別在噴嘴輔助氣體流場分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)上，研究較為集中[911]，其中氣體流動的空氣動力學(xué)特性是研究提高切割效率的重要影響因素。西班牙維戈大學(xué)的研究者通過實驗驗證了改變激光中軸與輔助氣體噴射中軸的角度，可以有效提高切口質(zhì)量和切割效率[12]。但是這

9、種不同軸激光切割，會導(dǎo)致激光切割機(jī)在各個加工進(jìn)給方向上的加工效率和質(zhì)量不同，進(jìn)而嚴(yán)重影響加工精度。為解決這種不一致帶來的影響，必須有一種高速、高精度、結(jié)構(gòu)緊湊的驅(qū)動器，可以控制噴嘴，以實現(xiàn)在不同進(jìn)給方向上，實時保證激光束與輔助氣流之間的位置關(guān)系。傳統(tǒng)的機(jī)械接觸驅(qū)動器，各部件之間存在運(yùn)動摩擦副，定位精度低，響應(yīng)速度慢。電磁懸浮驅(qū)動技術(shù)是利用通電的電磁線圈產(chǎn)生的電磁力作為驅(qū)動力的無接觸驅(qū)動技術(shù)。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，不產(chǎn)生機(jī)械接觸摩擦，無

10、需潤滑，易于實現(xiàn)多自由度驅(qū)動，在一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)驅(qū)動技術(shù)的不足[1316]。為了同時解決非同軸切割帶來的不一致和傳統(tǒng)接觸驅(qū)動器定位精度低、響應(yīng)速度慢的問題。本文提出電磁驅(qū)動、永磁復(fù)位式的3自由度微動平臺，該圖3電磁力測量的實驗裝置Fig.3Theexperimentdeviceofelectromagicfcemeasurement分別測量1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0mm時，不同電流情況下，電磁鐵對

11、坡莫合金吸引力。如圖4所示，是不同電流情況下，電磁鐵磁力與氣隙大小的關(guān)系。1.522.533.544.5502468101214位位(mm)位位位位位(N)位位0.5385A位位0.5385A位位1.1058A位位1.1058A位位1.6678A位位1.6678A位位2.2318A位位2.2318A位位2.7959A位位2.7959A位位3.3592A位位3.3592A位位3.9219A位位3.9219A圖4電磁鐵磁力與氣隙和線圈電流的

12、關(guān)系Fig.4Relationshipofmagicfcebetweentheairgapcurrent根據(jù)電磁力的公式形式，由式（1）得(2)22(012...)jmqjqdkFqji??式中：kmq—電流為i時，第q點(diǎn)的電磁鐵系數(shù)，F(xiàn)jq—電流為i時，氣隙為dj時，第q點(diǎn)電磁力。對式（2）進(jìn)行求和并取平均值得km(3)122111(012...)nmmqqnjjqqkkndFqjni???????從而得出電磁鐵電磁力的表達(dá)式為：(4

13、)221.9257(012...)jjiFjd??通過式（1）可以看出，電磁鐵是一種非線性驅(qū)動力，可采用差動式控制方式，使其在工作點(diǎn)附近具有良好的線性，線性化后的差動式電磁鐵的電磁力大小可表示為：(5)2001232007.7028()()iiFixxydd???????式中，i0—電磁鐵線圈的偏置電流，iΔ—線圈的控制電流，d0—電磁鐵與坡莫合金初始?xì)庀叮ぁ灰谱兓俊－h(huán)形永磁體的磁力大小與永磁體材料、軸向氣隙、徑向位移有關(guān)，永磁體

14、的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖5所示。圖5永磁體的結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.5Structuralparametersofthepermanentmag由基爾霍夫定律和虛位移法可以得到環(huán)形永磁體的徑向磁力表達(dá)式為：(6)2221.632()eeeFkte???????????其中：20021214()()rertBnLtknLrrtrr???????????????????????式中：Br—永磁材料剩磁，n—永磁體個數(shù)，L—永磁體厚度，μ0—空氣磁導(dǎo)率，μr—

15、磁環(huán)的相對磁導(dǎo)率，t為環(huán)形永磁體的寬度，r1—環(huán)形永磁體內(nèi)徑，r2—環(huán)形永磁體外徑，Λt—磁導(dǎo)，ε—軸向氣隙，e—徑向位移。由于永磁體的磁力計算中，有許多參數(shù)是經(jīng)驗值，因此不一定能準(zhǔn)確的反應(yīng)永磁回復(fù)力，為了能更加準(zhǔn)確的反應(yīng)永磁回復(fù)力，本文對永磁體磁力進(jìn)行了實際測量。實驗測量裝置如圖6所示，該裝置由龍門機(jī)架、單自由度微調(diào)平臺、力矩傳感器、環(huán)形永磁體、兩自由度微調(diào)平臺等組成，其中力矩傳感器的型號為LoadCellCXZ114，量程為0~30