高速高精度滾珠絲杠定位系統(tǒng)動態(tài)特性與控制方法研究.pdf

1、隨著數(shù)控機床、表面貼裝技術(shù)、金屬3D打印等智能制造裝備的迅速發(fā)展，采用伺服電機+滾珠絲杠的驅(qū)動技術(shù)呈現(xiàn)出巨大的需求，已成為智能制造裝備的核心基礎部分，對我國高端裝備的發(fā)展起著關(guān)鍵和決定性作用，其精度和速度性能直接決定了高端裝備的定位精度與效率。
　　本文以表面貼裝技術(shù)為研究背景，針對伺服電機+滾珠絲杠在高速運行下產(chǎn)生的振動及定位精度問題，對伺服電機+滾珠絲杠的定位系統(tǒng)展開了一系列的研究。通過對該系統(tǒng)的動態(tài)特性、閉環(huán)控制算法等進行理

2、論分析與實驗研究，使得系統(tǒng)工作臺在定位精度與速度方面都取得到了較大程度的提高。課題研究對高端裝備技術(shù)的發(fā)展具有重要的理論意義與應用價值。本文主要工作和研究成果如下:
　　1)研究并設計基于“旋轉(zhuǎn)電機+滾珠絲杠”驅(qū)動模式的定位系統(tǒng)，建立滾珠絲杠定位系統(tǒng)的剛體動態(tài)模型。使用分段常值電壓信號作為輸入獲取系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)，通過最小二乘辨識方法對剛體動態(tài)模型進行時域辨識。研究了作為定位系統(tǒng)驅(qū)動源的永磁交流同步電機，建立了該電機基于空間矢量控制

3、原理的數(shù)學模型，通過實驗研究獲取了電機驅(qū)動放大器的帶寬特性，奠定了控制系統(tǒng)的設計基礎。
　　2)在考慮工作臺高速運動及滾珠絲杠導程對動態(tài)特性影響的情況下，基于有限元分析的振型結(jié)果，研究了一種基于混合基函數(shù)的Ritz級數(shù)法來獲取系統(tǒng)精確的動態(tài)特性。通過數(shù)值仿真，分析了Ritz級數(shù)的收斂特性，研究了工作臺在不同位置下系統(tǒng)的固有頻率與振型的變化情況。對滾珠絲杠定位系統(tǒng)進行掃頻實驗研究，獲取系統(tǒng)實際固有頻率，結(jié)果表明，所提基于混合基函數(shù)的

4、Ritz級數(shù)法能夠準確預測系統(tǒng)的動態(tài)特性，為高頻振動抑制提供了理論依據(jù)。
　　3)為提高控制系統(tǒng)的瞬態(tài)響應和穩(wěn)態(tài)精度，針對一類具有未知上界的匹配參數(shù)攝動和外界干擾的系統(tǒng)，研究了基于非線性滑模面的滑模控制器(NSMC)，分析了非線性滑模面是如何改變系統(tǒng)阻尼比以提高響應性能。為了降低由切換控制引起的系統(tǒng)抖振，研究了自適應參數(shù)估計以代替NSMC的切換增益。當系統(tǒng)存在不匹配參數(shù)攝動和外界干擾時，在使用非線性滑模面的基礎上結(jié)合干擾觀測器設計

5、了新的滑動模態(tài)，研究了基于非線性滑模面和干擾觀測器的改進型自適應滑?？刂坡桑ˋNSMC-DOB）。
　　4)從傳統(tǒng)控制方法入手，首先以滾珠絲杠定位系統(tǒng)的剛體動態(tài)模型為基礎，研究了基于單位置閉環(huán)反饋的PID與自適應滑?？刂?。為了提高系統(tǒng)的控制性能，研究了基于滾珠絲杠定位系統(tǒng)一階軸向模態(tài)的二自由度數(shù)學模型，以該模型為基礎，研究了基于雙位置閉環(huán)反饋的ANSMC-DOB定位控制系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)動態(tài)特性的分析結(jié)果，研究了相應的陷波濾波器以控制