双轴差速式微量进给伺服系统摩擦建模分析与补偿研究

摘要

精密微量驱动进给技术已成为精密加工及超精密加工发展的主要瓶颈之一，如何使数控机床及加工中心的刀具或工件实现精确、均匀的微量位移一直是困扰国内外研究人员的技术难题。基于滚动接触组件的常规驱动进给系统，因受到低速非线性爬行的干扰，很难实现高精度微量进给。目前，宏微复合驱动是一种能同时满足高精度和大行程的驱动进给技术，通过基于智能材料的微动台有较高的定位精度和动态响应速度，通过宏动台实现了大行程进给，但微动台的智能材料所固有的非线性迟滞问题，不但增加了控制难度，也影响了定位精度。因此，本文作者导师基于“螺母旋转型”滚珠丝杠传动副与极小差速合成原理，提出了一种“双轴差速式微量进给伺服系统”。 本文以提高双轴差速式微量进给伺服系统的控制精度为目标，围绕动态特性、非线性摩擦、热变形等影响因素，重点在摩擦建模、辨识与分析等方面展开工作，提出了较为完善的系统建模与误差补偿方法。本文的主要内容包括: (1)建立了双轴差速微量进给系统的有限元模型。通过理论分析得出系统前6阶振型，应用模态试验对差速进给系统的有限元模型准确性进行了验证。从应用角度出发，使用有限元模型分析了工作台的质量、位置和各结合部刚度对差速进给系统动态特性的影响，为系统结构优化设计和误差补偿控制策略研究提供了理论依据。 (2)建立了双轴差速式微量进给伺服系统全组件摩擦模型。首先分析了进给系统滚动接触组件接触面摩擦特性的差异性。针对双轴差速系统结构和驱动方式导致其无法使用常规摩擦参数辨识方法进行辨识的问题，提出了一种全组件摩擦参数辨识方法。通过该方法对两驱动轴和工作台处摩擦参数分别进行辨识，建立进给系统的精准全组件摩擦模型。 (3)建立了包含系统精确动力学模型、全组件摩擦模型的Matlab/Simulink仿真平台;基于全组件摩擦模型，提出了一种考虑驱动轴和工作台临界速度的低速进给特性分析方法，通过该方法研究了不同工况下双轴差速系统和单驱动系统的工作台速度响应，通过分析得出了两个系统的临界爬行速度，以及适合不同驱动方式的速度范围;通过实验对比验证了两种驱动模式的的低速微量进给性能和换向区速度跟踪性能。 (4)研究了双轴差速系统的摩擦补偿控制方法。首先以丝杠单驱动进给系统为研究对象，设计了基于比例微分控制的前馈摩擦补偿控制算法，将基于常规摩擦模型和全组件摩擦模型的前馈摩擦补偿控制效果进行对比，验证全组件摩擦模型刻画系统摩擦特性的准确性。然后以差速进给系统为研究对象，考虑系统建模未涵盖部分与模型参数不确定部分，设计小波模糊神经网络观测器用于观测系统集中不确定度，结合二阶滑模变结构控制提出了一种智能二阶滑模摩擦补偿控制策略来提高双轴差动微进给伺服系统的位置跟踪性能。 (5)建立了双轴差速系统的热误差模型。双轴差速系统的特殊机械结构使之温度场分布和常规进给机构也不同。通过求解基于“螺母旋转型”滚珠丝杠进给系统的热生成、热传导与热平衡方程组，研究了双轴差速系统温度场分布。构建了基于BP、Elman与DE-Elman神经网络的双轴差速系统轴向热误差预测模型，通过实验验证建模方法的有效性及鲁棒性。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题来源

1．2背景及意义

1．3国内外研究现状

1．3．1微量进给机构研究

1．3．2进给系统动态特性研究

1．3．3摩擦建模与辨识研究

1．3．4摩擦补偿控制研究

1．3．5热误差建模研究

1．4课题研究目的

1．5课题研究内容

第2章双轴差速系统动态特性研究

2．1引言

2．2双轴差速驱动系统组成

2．2．1双轴差速系统的机械结构

2．2．2双轴差速系统的控制系统

2．3基于有限元的双轴差速系统动态特性研究

2．3．1进给系统结合部建模

2．3．2进给系统动态特性分析

2．3．3进给系统动态特性影响因素研究

2．5本章小结

第3章双轴差速系统摩擦模型的建立与辨识

3．1引言

3．2双轴差速系统摩擦分析

3．2．1 LuGre摩擦模型

3．2．2进给系统滚动接触组件摩擦分析

3．2．3双轴差速系统摩擦特性分析

3．3摩擦建模

3．3．1常规摩擦建模

3．3．2全组件朋寰建模

3．4摩擦参数辨识

3．4．1常规摩擦参数辨识

3．4．2全组件摩擦参数辨识

3．5摩擦模型的实验验证及对比分析

3．6本章小结

第4章双轴差速系统低速进给特性研究

4．1引言

4．2．1丝杠单驱动进给系统动力学建模

4．2．2螺母单驱动进给系统动力学建模

4．2．3双轴差速系统动力学建模

4．2．4交流伺服电机动力学建模

4．3考虑临界速度的低速进给仿真研究

4．3．1仿真平台搭建

4．3．2低速进给仿真研究

4．4考虑临界速度的低速进给实验研究

4．4．1过渡阶段实验研究

4．4．2匀速进给实验研究

4．5本章小结

第5章双轴差速系统摩擦补偿控制策略研究

5．1引言

5．2基于比例微分控制器的前馈摩擦补偿

5．2．1比例微分控制器

5．2．2实验验证

5．3基于小波模糊神经网络的智能二阶滑模摩擦补偿

5．3．1二阶滑模控制器

5．3．2小波模糊神经网络观测器

5．3．3基于WFNN-AMF的智能二阶滑模控制器

5．3．4仿真研究与实验验证

5．4本章小结

6．1引言

6．2热生成与热平衡

6．2．1热生成计算模型

6．2．2热传导计算模型

6．2．3热平衡计算模型

6．3热膨胀分析

6．3．1热膨胀系数

6．3．2丝杠热伸长

6．4基于神经网络的热误差建模与补偿

6．4．1神经网络预测模型理论

6．4．2差分进化算法理论

6．4．3基于Elman神经网络热误差建模

6．4．4热误差建模与补偿实验验证

6．5本章小结

第7章总结与展望

7．1全文总结

7．2研究创新点

7．3研究展望

参考文献

博士期间发表论文与参与的科研项目

致谢

一种新型高精度微量进给伺服系统及控制方法专利证书