大行程超精密工作台关键技术研究

论文摘要

高精度和高分辨率的精密微位移工作台系统在近代尖端工业生产和科学研究领域内占有极为重要的地位。在已研制的超精密工作台中,往往整体性能存在缺陷,对环境的要求严格。因此迫切需要对精密平台的关键技术进行研究,为研制出性能均衡,适合工业环境应用的大行程超精密工作台打下坚实的基础。通过国内外大行程超精密平台的比较分析,认为先进结构材料、空气静压导轨、直接驱动技术是超精密平台的关键技术。本文对这些相关技术进行了研究。应用有限元软件ANSYS对常用九种材料进行了热稳定性和抗振性分析。结果表明:零膨胀玻璃的综合性能在所分析的九种材料中是最佳的,石英陶瓷稍差。零膨胀玻璃的造价昂贵,在不追求极端性能的情况下,石英陶瓷是一种非常有发展前途的超精密平台用先进结构材料。在对多孔质气体润滑理论进行分析时提出了一种基于商用有限元前后处理器的分析流程,并通过提高求解器的计算效率和内存利用率,使该方法具备解决工程中复杂多孔节流问题的分析能力。对多孔质节流器性能的影响因素进行了分析,为其设计打下了基础。在多孔质气体润滑的实验研究中,设计了实验方案及装置,进行了渗透率测试及加载实验,对多孔材料进行了加工堵塞工艺的研究。实验结果显示实验结果曲线与有限元分析结果曲线趋势接近一致,大致平行;多孔材料表面微孔的堵塞不均导致实验块出现严重倾斜,使得与有限元结果之间出现了很大偏差。加工堵塞的程度越严重,各部分渗透率也越不均。在对空气静压导轨结构设计的研究中,分析了适用于大行程超精密工作台的导轨类型。通过对滑套运动误差的分析,得出了滑套长度及行程的影响趋势。对导轨的误差组成部分、性质及传递系数进行了分析,探讨了精度分配方法。对动导轨典型螺栓紧固结构结合正交试验方法进行了有限元分析,得出了设计原则。建立了控制系统的数学模型,分析了外部扰动的形式及补偿方案,应用SIMULINK建立了单位反馈PID控制、带加速度前馈的PID控制、位置速度双环反馈等控制模型,比较了九种材料作为工作台材料时的控制效果,分析了各种控制模式以及Smith预估控制器的优点和不足。由于石英陶瓷较小的密度,能有效减轻运动部件的质量,在不同的控制系统下,能明显的提高系统的控制性能。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外大行程超精密工作台发展现状
• 1.2.1 直线电机式超精密工作台
• 1.2.2 摩擦式驱动超精密工作台
• 1.2.3 两级进给超精密工作台
• 1.3 各种工作台特点及存在的问题
• 1.4 大行程超精密工作台关键技术
• 1.5 课题的提出及本文的目的
• 第二章 超精密工作台的结构材料选择
• 2.1 常见结构材料介绍
• 2.2 材料热稳定性分析
• 2.2.1 模型建立及边界条件
• 2.2.2 静态热分析
• 2.2.3 热—结构耦合分析
• 2.2.4 变形的温度敏感性
• 2.2.5 瞬态热分析
• 2.3 材料振动特性分析
• 2.3.1 建模
• 2.3.2 模态分析
• 2.4 本章结论
• 第三章 多孔质气体润滑理论的数值分析
• 3.1 气体润滑技术简介
• 3.2 气体润滑中典型节流器形式
• 3.3 气体润滑基本理论
• 3.3.1 气体润滑基本方程
• 3.3.2 气体润滑稳态特性计算
• 3.4 气体润滑方程的数值解
• 3.4.1 有限元方法简介
• 3.4.2 多孔质气体润滑有限元分析
• 3.4.3 基于商用有限元前后处理器的有限元分析方法
• 3.4.4 有限元程序改进
• 3.5 多孔质节流器有限元计算结果
• 3.6 影响气膜承载能力的因素分析
• 3.7 本章结论
• 第四章 多孔质气体润滑技术实验研究
• 4.1 实验方案及设备
• 4.1.1 实验方案及内容
• 4.1.2 实验装置设计
• 4.2 多孔材料的渗透率测试方法
• 4.3 渗透率测试结果
• 4.4 气膜承载能力实验
• 4.5 有限元分析结果与实验结果比较
• 4.6 本章结论
• 第五章 空气静压导轨结构设计中的关键问题
• 5.1 导轨设计的基本要求
• 5.2 导轨的结构类型、截面形状选择
• 5.3 动导轨滑套设计
• 5.4 空气静压导轨精度设计
• 5.5 动导轨紧固结构设计
• 5.6 本章结论
• 第六章 超精密工作台直接驱动技术理论分析
• 6.1 直接驱动技术简介
• 6.2 超精密工作台进给系统数学模型的建立
• 6.2.1 直线电机伺服单元数学模型
• 6.2.2 影响系统伺服性能的扰动因素及其补偿方法
• 6.2.3 进给系统数学模型
• 6.2.4 PID 调节器参数的实验整定方法
• 6.3 控制系统的仿真结果
• 6.3.1 单位反馈PID 控制
• 6.3.2 带加速度前馈的PID 控制
• 6.3.3 位置环速度环双反馈PID 控制
• 6.3.4 纯滞后系统Smith 预估控制
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 本文结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 附录
• 致谢