快速刀具伺服系统位置域重复控制设计及其数字实现

在非圆零件车削过程中,快速刀具伺服(Fast tool servo,FTS)的运动精度直接影响零件的加工质量.主轴变速加工使得FTS的参考目标信号周期时变而不确定,这对实现其渐近跟踪提出了极大的挑战.本文利用FTS的位置域周期特性,提出一种基于位置域重复控制和时域速度反馈镇定的FTS系统复合控制设计方法,并给出位置域改进型重复控制器(Spatial modified repetitive controller,SMRC)的数字实现算法,实现对时变周期参考目标信号的高精度跟踪.首先,建立包含位置相关时变周期参考目标信号内模的SMRC,并引入位置域相位超前装置对镇定补偿器引起的相位滞后进行补偿,在此基础上构建复合控制律.然后应用小增益定理和算子理论,推导出控制系统的稳定性条件,在保持系统采样频率不变的条件下,应用插值法建立SMRC的数字实现算法,确保位置域重复控制和时域镇定控制器的同步执行.最后,通过仿真验证所设计的FTS控制系统具有满意的时变周期跟踪性能和鲁棒性,并通过与其他位置域重复控制方法的比较,说明所提方法同时具有更好的暂态和稳态性能.

压电驱动的快速刀具定位台自抗扰控制研究

针对压电驱动器输入电压与输出位移的动态迟滞特性,采用基于Prandtl-Ishlinskii的压电动态迟滞模型,实现了对刀具定位台的精确控制。实验分别采用逆模型前馈补偿控制和自抗扰控制方法对定位台控制系统进行测试,结果表明在单频输入信号下,采用自抗扰控制算法的系统均方根误差较逆模型前馈控制下降了1.137~1.137 5μm;系统相对误差有明显下降。结论表明自抗扰控制成功减小了定位台的迟滞特性,提高了控制精度,较逆模型前馈补偿控制有更好的优越性。

三轴电磁-压电混合驱动快速刀具伺服的轨迹跟踪控制

三轴快速刀具伺服(Fast Tool Servo,FTS)具有更高的刀具空间运动柔性,逐渐用于复杂光学曲面和微纳结构表面的切削加工。针对所研制电磁-压电混合驱动三轴FTS存在的轴间耦合、高频谐振和迟滞非线性等因素对轨迹跟踪性能的影响,研究综合补偿策略实现三轴空间轨迹的高性能跟踪控制。以陷波滤波器抑制系统高频谐振,以前馈解耦补偿弱化平面轴间耦合;针对法应力电磁驱动和压电驱动的迟滞非线性,提出以线性动力学模型级联Prandtl-Ishlinskii模型描述各轴的动态迟滞特性,并构建无需直接求逆的迟滞前馈补偿模型,实现系统的迟滞非线性补偿。谐波扫频测试结果表明:所采用的陷波滤波器可以很好地消除高频谐振,前馈解耦补偿可将平面XY轴间的耦合幅值降低约14 dB。宽频域内迟滞建模结果表明:平面XY轴和Z轴的动态迟滞建模误差分别小于±2.2%和±1.8%。以PID为主控制器,对宽频谐波(10~100 Hz)的跟踪结果表明:采用综合补偿策略获得各轴的最大跟踪误差约为仅采用逆动力学前馈补偿的25%~50%,进一步对空间螺旋球面轨迹进行了跟踪测试,证明了所构建的综合补偿控制策略的有效性。

基于自抗扰的快速刀具伺服系统复合控制

快速刀具伺服(fast tool servo,FTS)系统是实现微机械零件加工的关键部件。以压电陶瓷型FTS系统为研究对象,将迟滞状态时滞模型、时变时滞模型以及未建模动态非线性模型引入到FTS系统模型设计中以描述颤振现象,并基于神经网络控制提出具有迟滞时滞补偿功能的复合自抗扰控制方案,以实现FTS系统的颤振控制。其中,线性自抗扰控制将内部不确定性及迟滞时滞非线性和其他干扰视为总扰动并实时估计补偿,自适应BP(back propagation)神经网络用来对扰动估计误差进行逼近。与传统模型求逆方法相比,复合控制方案无需精确的数学模型易于初始设计。与线性自抗扰相比,复合控制方案减少了需要整定的参数数目,在相同带宽下具有更高的跟踪精度。仿真结果表明,所设计的复合控制具有更好的鲁棒性,能够实现压电陶瓷型FTS系统的快速精密跟踪控制。

电磁驱快速刀具伺服闭环系统DOB补偿增益PID阻尼控制器设计

为了弥补快速刀具伺服(fast tool servo,FTS)系统驱动不足的问题,开发了一种电磁驱动直接数字式频率合成器(direct digital synthesizer,DDS)系统来实现高带宽轨迹的跟踪控制方法。利用静态增益实现参数前馈补偿,通过线性控制建立扰动观测器(disturbance observer,DOB)补偿前馈增益处理。开展实验测试分析,从控制器中采集控制指令,实现对FTS励磁线圈的驱动作用,完成输出位移控制。研究结果表明:采用PAVPF控制器时对谐振峰起到了明显抑制,发挥理想减振作用。通过阻尼控制保持稳定裕度恒定,再通过更高增益PID控制器对系统实施控制,实现系统闭环带宽的显著增加。PAVPF阻尼达到了±2μm误差;提高DOB增益后系统最大跟踪误差降低值接近±0.16μm。该研究具有很好的控制精度,为高精度刀具控制起到理论支撑作用。

快速刀具伺服机构研究进展

快速刀具伺服机构(FTS)是非圆数控车削和非轴对称车削的一项共同的关键性技术。论述了FTS的发展历程、结构特点及性能指标。详细介绍了压电陶瓷FTS、磁致伸缩FTS、洛仑兹力FTS、麦克斯韦力FTS的国内外研究情况,阐述了它们的原理、结构、性能优缺点及应用情况,并给出了FTS用于非轴对称光学元件车削的实例。指出超高频响(大于1000Hz)短行程(小于100μm)的FTS是当今研究热点,压电陶瓷FTS和麦克斯韦力FTS都可以实现较高频响,其中麦克斯韦力型FTS是可实现超高频响的一种全新类型的FTS。

快速刀具伺服系统自抗扰控制的研究与实践

快速刀具伺服系统(fast tool servo,FTS)是实现非圆截面和非轴对称表面零件加工的关键部件.加工过程中,FTS应克服时变切削力负载和自身参数的非线性,驱动刀具完成高频高精度跟踪运动.为了解决FTS的快速精密跟踪控制问题,根据刀具运动参考轨迹已知的特点,应用自抗扰控制原理和前馈控制策略,针对基于剪应力和正应力电磁驱动的两种直线执行机构,分别设计了采用线性和非线性扩张状态观测器的自抗扰控制器,并利用传递函数和描述函数方法,分析了线性控制器的跟踪精度和动态刚度特性,探讨了非线性控制系统的极限环问题.两种基于自抗扰控制的快速刀具伺服系统已应用于发动机椭圆截面活塞的精密车削和二维正弦微结构表面的超精密车削,满足了加工需求.研究与应用结果表明:自抗扰控制思想独特、算法易于工程实现,具有很好的工程应用价值.

快速刀具伺服分数阶PID控制仿真的研究

利用分数阶PID控制,提出了一种新的快速刀具伺服(FTS)跟踪控制方法,以改善FTS的控制性能。根据差分进化算法,讨论了分数阶PID控制器的参数整定;通过数值仿真,考察了该方法的可行性和有效性。针对FTS的轨迹跟踪,根据响应时间、跟踪精度等指标,详细比较了分数阶PID控制与传统PID控制的性能。仿真结果表明,分数阶PID控制器的阶跃响应时间约为5×10-7s,是PID控制响应时间的42%,对频率为1 kHz,幅值为1μm的正弦信号的跟踪误差约为6 nm,是PID跟踪误差的50%,验证了基于分数阶PID控制器实现FTS轨迹跟踪控制的可行性和优越性。

大行程快速刀具伺服装置的设计

基于快速刀具伺服(Fast Tool Servo,FTS)的金刚石车削加工技术是一种非常有发展前景的光学自由曲面加工手段。以柔性铰链和音圈电机为主要元素,研制一套大行程快速刀具伺服系统,该系统具有刚度大、工作稳定性好、阻尼可调等优点。详细介绍了柔性铰链的设计与分析、FTS系统性能测试和自由曲面切削试验,新型FTS系统的跟踪误差为0.12%,运动分辨率优于0.04μm,可以获得Ra30nm的光学自由曲面。测试和加工结果表明,新型的FTS系统可以用光学自由曲面高效、高精密金刚石车削加工。

基于压电液压的快速刀具伺服系统研究

研究基于压电陶瓷(PZT)的新型快速刀具伺服系统,与液压放大方案耦合。这种设计的优势是轴向放大,降低了对阿贝误差的敏感性,紧凑的放大器设计和高带宽行程比。然后利用模型和数据对系统的性能进行了验证,表明系统满足了设计要求。

三维调制靶模板的快速刀具伺服加工技术

采用快速刀具伺服技术(FTS)实现了非回转对称三维调制靶模板的精密车削加工.阐明了调制靶模板车削加工的基本原理,并提出一种基于坐标变换的金刚石刀具几何参数选择方法,推导了车削加工此类表面时金刚石刀具刀尖圆弧半径、前角和后角所需满足的条件.基于此提出了一种基于三次Hermite插值的刀尖圆弧半径补偿算法,并详细讨论了插值节点的计算方法.由刀尖圆弧半径补偿仿真结果可以看出,此补偿算法精度优于2 nm.在自行研制的精密金刚石车床上实现了X、Y方向上波长均为100μm、幅值均为0.7μm的正弦网格调制结构的加工.采用白光干涉仪对所加工的调制结构进行测量,并提取二维轮廓进行分析,其轮廓误差为0.31μm,表面粗糙度为13.3 nm.测量结果表明采用基于快速刀具伺服的非回转对称车削是实现三维调制靶模板制作的有效手段.

光学自由曲面快速刀具伺服加工技术的研究进展

基于快速刀具伺服(FTS)的金刚石车削加工技术是光学自由曲面高精密、高效率的加工手段,本文介绍了FTS技术刀具路径生成方法及轨迹跟踪控制算法的发展和应用情况,阐述了FTS系统在使用不同的控制算法时的轨迹跟踪能力;分析了刀具路径生成方法的研究进展。指出超大行程和超高频响是FTS发展的两个方向,将促进FTS在大幅值不对称曲面和微结构曲面加工中的应用。

基于分数阶PID和重复控制的快速刀具伺服系统

针对永磁直线同步电机(PMLSM)驱动的快速刀具伺服系统在高频输入信号时的系统跟踪精度问题,设计了一种分数阶PID重复控制算法.由于系统的参考信号和干扰信号都具有周期性的特点,通过对系统参考信号的跟踪和扰动的抑制研究,将改进型分数阶PID控制和重复控制相结合,利用重复控制对周期性输入或复杂干扰信号的跟踪和抑制能力来补偿分数阶PID控制器,使系统有快速响应能力的同时具有较强的抗干扰性.仿真结果表明,所提出的控制策略有效地提高了伺服系统的跟踪精度,并对周期性扰动有较好的抑制作用.

新型直线/回转式快速刀具伺服装置的设计

基于快速刀具伺服(Fast Tool Servo,简称FTS)的金刚石车削加工技术被认为是一种非常有发展前景的光学自由曲面加工方法,针对目前单自由度FTS加工技术中存在的刀具伺服运动与机床同步问题,以及刀具在x向匀速进给带来的影响,设计了一种新型的直线/回转式FTS装置,采用压电陶瓷驱动柔性铰链实现,能够输出z向的线性位移和绕y轴摆动,用于调节刀具在x向和z向的位置,使刀具的伺服运动与机床运动完全同步,并实现自由曲面的变进给车削加工,可提高加工精度以及改善被加工表面质量。根据应用的实际情况,详细分析了FTS设计要求,并对设计的柔性铰链结构进行了有限元分析,结果表明该结构在内应力和共振频率方面满足应用的要求,可用于光学自由曲面的车削加工。

基于干扰观测器的快速刀具直线伺服系统的增量滑模控制

针对快速刀具直线伺服系统在实际加工过程中存在参数变化、摩擦力、切削力等不确定性干扰,为提高系统在周期性输入信号作用下的跟踪精度,提出一种基于干扰观测器的增量滑模控制方法。设计干扰观测器对不确定性干扰进行有效估计和抑制,在增量滑模控制中通过将上一时刻控制量叠加到当前控制量中实现增量式控制,从而较好地降低抖振。仿真结果表明:与传统滑模控制方法相比,采用基于干扰观测器的增量滑模控制方法有效解决了快速刀具直线伺服系统在周期性干扰作用下的跟踪问题,提高了系统的跟踪精度和抗干扰性能。

高精度快速刀具伺服系统中的超磁致伸缩致动器结构设计与控制研究

本文介绍了超磁致伸缩致动器的结构设计与位移精密控制方法,给出了致动器的结构原理图,并对位移的PID控制及模糊PID控制两种控制方法进行了仿真研究。仿真结果表明,模糊PID控制具有较好的控制精度。

压电致动快速刀具伺服迟滞非线性的分数阶模型

在复杂曲面或功能结构的超精密车削以及主动误差校正车削中,利用快速刀具伺服(FTS)受到了学术界和工程界的广泛关注.然而,无论采用哪一种驱动方式,FTS皆存在难以模型化的迟滞非线性,从而制约了FTS跟踪性能的提高.本文利用分数阶微积分理论,针对压电致动型FTS的迟滞非线性建立了等效的分数阶动力学模型,得到了压电致动型FTS的传递函数.利用一种改进的差分进化算法进行了模型参数的辨识.通过正弦波及三角波信号激励的实验结果表明,针对压电致动型FTS所提出的分数阶模型建模误差小于4%,具有预期的模型精度.本研究为FTS的迟滞非线性建模提供了一种简单有效的新方法,对于提高FTS运动轨迹的跟踪控制性能具有重要意义.

基于电磁场分析的快速刀具伺服系统的设计(英文)

基于快速刀具伺服(FTS)系统的单点金刚石车削是加工光学自由曲面的重要方法之一.传统的直线刀具伺服系统都具有频率响应低的问题,严重限制了可以加工自由表面的复杂程度.文中介绍了麦克斯韦力驱动的快速刀具伺服系统的设计,电机采用永磁体偏置模型实现线性驱动,根据磁路设计原理推导了电机的运动公式,利用有限元分析(FEA)的方法分析了电机模型在高频信号驱动时的受力曲线、涡流损耗的大小和分布情况.根据分析的结果设计了电机的驱动系统,并进行了开环正弦驱动实验和电极频率响应曲线的测试,最终利用PID算法实现了FTS系统的闭环控制.基于麦克斯韦力驱动的FTS系统的最佳驱动频率应小于40 kHz,系统目前行程可以达到15.75μm,最大的频率响应可以达到100 kHz,系统可以跟踪500 Hz正弦波运动.

一种快速刀具驱动装置的设计与性能分析

快速车削能够实现复杂面形零件的精密高效加工,在分析快速车削加工特点的基础上,设计了"压电陶瓷+柔性铰链"结构形式的快速刀具驱动装置;进行了柔性铰链的参数分析、结构设计和静力学分析,并采用有限元仿真方法分析了装置的刚度和振动模态;通过试验对快速刀具驱动装置进行了性能测试,结果表明所设计的快速刀具驱动装置具有较高的分辨率、跟踪精度和工作频响,能够作为超精密快速车削加工的快速进刀装置。

应用于RNS制造的快速刀具伺服跟踪控制系统设计

针对RNS曲面加工的工艺要求,从加工系统频率响应、抑制干扰等方面研究,提出了一种基于自适应前馈误差控制器的快速刀具伺服系统。建立辨识系统的数学模型,通过MATLAB进行仿真分析得出,系统性能得到有效提升,满足加工要求。