A Fast Tool Servo System for Fabrication of Micro-structured Surfaces on A Diamond Turning Machine

A fast tool servo (FTS) system is developed for the fabrication of non-rotationally symmetric micro-structured surfaces using single-point diamond turning machines.The constructed FTS employs a piezoelectric tube actuator (PZT) to actuate the diamond tool and a capacitive probe as the feedback sensor.To compensate the inherent nonlinear hysteresis behavior of the piezoelectric actuator,Proportional Integral (PI) feedback control is implemented.Besides,a feed-forward control based on a simple feed-forward predictor has been added to achieve better tracking performance.Experimental results indicate that error motions in the performance of the system caused by hysteresis can be reduced greatly and the micro-structured surface is successfully fabricated by implementing the FTS.

非圆截面及非对称型面高速精密车削关键技术研究

针对非圆截面及非对称型面的高速精密车削加工难题,提出一种基于快速刀具进给伺服系统的该类型面数控车削加工方法。通过分析非圆截面及非对称表面数控车削原理、快速刀具进给伺服机构及其控制方法,并通过车削实验验证了方法的有效性。首先,分析了非圆截面与非对称表面车削的原理、复杂几何形状工件的轮廓数据处理机制和方法,为高速精密车削提供准确的工件描述。其次,快速刀具进给伺服机构是实现高速精密车削的关键,分析了各种快速进给系统优缺点,提出了采用直线电机的快速刀具进给伺服机构,采用自抗扰控制算法控制快速刀具伺服系统。最后,通过试制的实验样机车削实验验证了基于自抗扰控制的快速刀具进给伺服机构及其数控车削系统的技术和方法的可行性。实验结果表明,该技术能够成功地实现非圆截面及非对称型面工件加工,并能够实现较高的尺寸精度和表面质量,满足复杂型面工件的加工需求。

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。

台式超精密车床关键部件结构设计

随着系统小型化已不断的成为一种趋势,微小精密零部件在很多领域都显示出越来越广阔的应用前景。目前,多数微小精密零部件都是由大型超精密机床加工的,由于大型超精密机床成本高,并难以控制其外界环境,使得其加工成本很高,因此,研制了台式超精密车床。本文介绍了该车床关键部件的设计,包括空气主轴、进给机构、快速伺服刀架等。该机床精度达亚微米级,不仅促进了微小型产品的制造与研究,而且加速了制造业的发展。