宏微驱动超精密定位工作台在磨床上的应用研究

论文摘要

精密工作台的定位精度是制约机床加工精度的关键因素之一。宏微驱动的超精密定位工作台将系统划分为宏动和微动两个部分,宏定位工作台完成系统的高速度、大行程、低分辨率的运动,微定位工作台系统行程小,分辨率高,用来补偿宏定位误差和抑制残余振动,从而获得整个超精密定位工作台系统总体上的大行程、高速度、高精度、高频响等指标。宏微驱动超精密定位工作台是解决机床系统定位过程中大行程和高精度之间矛盾的有效途径。本文在分析国内外宏微驱动技术的基础上,以上海市科技攻关项目“面向精密磨床的压电驱动超精密定位工作台研制”为背景,研制了基于伺服电机和滚珠丝杠的宏进给定位系统和以压电陶瓷驱动的微进给工作台,并以精密线性光栅尺、电感式测微仪和磨加工主动测量仪实现系统的位移全闭环控制,达到了设计目标。本文的主要工作包括:1.以压电陶瓷驱动器的工作特性为基础,根据导向支承机构的杠杆原理,确定了以柔性铰链组构成的导向支承机构结构设计,并采用有限元法对机构进行校核,满足设计中对结构的强度、刚度的要求。基于结构疲劳寿命分析基本理论,采用有限元法对柔性铰链进行结构疲劳寿命分析,估算出柔性铰链的疲劳寿命,满足高周疲劳寿命的使用要求。2.在分析宏微驱动系统的数学模型的基础上,建立了宏微驱动系统动力学分析模型,对宏微驱动超精密定位工作台系统的关键技术进行研究,为压电陶瓷驱动控制系统研制奠定基础。3.采用多项式拟合法,建立压电陶瓷的前馈控制模型,并设计基于前馈模型的闭环控制系统;结合精密磨削加工工艺的特点与要求,设计基于宏微驱动超精密定位工作台的工件加工工艺流程,建立数控系统和微进给控制系统的通信,解决宏微驱动控制系统的集成问题。4.微进给定位系统进给精度达到±0.03μm,基于超精密定位工作台的精密外圆磨床最小进给量达到0.1±0.02μm。通过大量切入磨和纵磨测试,获得了很好的加工效果,为宏微驱动超精密定位工作台技术在磨床上的进一步应用打下了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 国内外研究的进展和现状
• 1.2.1 宏微驱动的国内外研究进展与现状
• 1.2.2 微进给技术在精密磨削中的作用与应用
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 磨床超精密定位工作台系统研究
• 2.1 磨床超精密定位工作台系统构成
• 2.2 微进给方案设计
• 2.2.1 常用微进给工作台
• 2.2.2 压电陶瓷微位移器件
• 2.2.3 压电陶瓷驱动电源
• 2.2.4 柔性铰链微进给工作台
• 2.3 检测系统
• 2.4 本章小结
• 第三章 宏微驱动超精密工作台关键技术研究
• 3.1 精密进给工作台总体结构设计
• 3.1.1 精密进给工作台方案设计
• 3.1.2 精密进给工作台总体结构设计
• 3.2 宏进给工作台设计
• 3.3 微进给工作台的设计
• 3.3.1 导向支承机构方案分析
• 3.3.2 平行四边形导向性能分析
• 3.3.3 微进给工作台刚度分析
• 3.3.4 柔性铰链关键参数的确定
• 3.3.5 有限元法校核
• 3.3.6 柔性铰链的加工
• 3.3.7 柔性铰链的疲劳寿命分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 宏微驱动控制系统设计与系统集成
• 4.1 总体控制方案设计
• 4.2 宏微驱动的动力学分析
• 4.3 微进给硬件电路设计
• 4.3.1 微进给控制系统硬件组成
• 4.3.2 压电陶瓷驱动电路设计
• 4.3.3 微进给系统检测电路设计
• 4.3.4 微进给控制系统人机接口设计
• 4.3.5 磨床信号处理模块
• 4.4 微进给系统闭环控制流程
• 4.4.1 微进给系统控制方法
• 4.4.2 控制系统前馈模型的建立
• 4.5.3 压电陶瓷驱动器的使用寿命分析
• 4.5 超精密定位工作台在磨床上应用的软件流程设计
• 4.5.1 磨床切入磨控制流程设计
• 4.5.2 磨床纵磨控制流程设计
• 4.6 本章小结
• 第五章 试验研究
• 5.1 性能测试环境要求及设计
• 5.2 测试实验
• 5.2.1 微进给工作台静态性能测试
• 5.2.2 微进给系统动态性能测试
• 5.2.3 精密磨床的加工试验测试
• 5.3 实验结论
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢