宏宏雙驅(qū)動微量進(jìn)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(zhǔn)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(shè)備都起著至關(guān)重要的作用。由于機(jī)電系統(tǒng)自身固有屬性導(dǎo)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(jī)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(jìn)給控制，不能滿足當(dāng)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(yīng)速度以及較大的進(jìn)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(jìn)給伺服系統(tǒng)”，通過“一個伺服電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠”和“一個伺服電機(jī)驅(qū)動滾珠螺母”的兩個準(zhǔn)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(jī)電伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自身固有屬性導(dǎo)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(jìn)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(xué)分析，摩擦學(xué)及熱力學(xué)等理論，借助于Pro/E、ABAQUS、MATLAB等分析計算軟件，構(gòu)建了運動學(xué)模型、動力學(xué)模型以及熱力耦合模型，對雙驅(qū)動微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)的動態(tài)特性進(jìn)行了研究，主要內(nèi)容包括:
　　(1)利用微分幾何學(xué)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(xué)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(jī)構(gòu)的機(jī)械效率，理論分析的結(jié)果為該微量進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計計算及動力學(xué)分析奠定了基礎(chǔ)。
　　(2)利用彈性力學(xué)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(xué)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(jìn)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(yù)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(yīng)特性的影響，建模及仿真結(jié)果可作為雙驅(qū)動進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制器設(shè)計的重要參考。
　　(3)由于非線性摩擦及機(jī)械系統(tǒng)固有的彈性及阻尼特性會導(dǎo)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(jìn)給系統(tǒng)動力學(xué)模型。利用傳遞函數(shù)框圖表示雙驅(qū)動伺服微量進(jìn)給系統(tǒng)的運動關(guān)系，通過Simulink仿

6、真分析在勻速進(jìn)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(jī)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(xué)理論建立了系統(tǒng)各部件的傳導(dǎo)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(luò)法建立了該進(jìn)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(jìn)給系統(tǒng)的溫度場分布模型;結(jié)合機(jī)械熱變形理論，用所建立的溫度場模型預(yù)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(jìn)行了數(shù)值分析，結(jié)果表明，在相同進(jìn)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(jìn)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(jī)現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)，自主開發(fā)研制了雙驅(qū)動微量進(jìn)給特性綜合實驗臺。在所搭建的實驗臺上進(jìn)行動態(tài)特性實驗研究，包括頻率響應(yīng)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