超精密机床伺服控制技术研究

超精密加工技术是现代机械加工技术发展的重要方向之一，其中金刚石车削加工技术 以其高的表面质量和低的制造成本成为超精密加工技术发展的热点。在非球面车削加工方 面，刀具运动轨迹的精度决定着非球面加工的精度，因此轮廓跟踪控制技术成为非球面加 工的关键技术，也是非球面车削加工的难点。本文以非球面车削加工为背景，针对自行研 制的超精密车床，主要研究机床进给系统的伺服控制及轮廓控制技术。课题研究的主要内 容包括：超精密机床进给机构的运动特性研究，进给系统的伺服控制技术和跟踪控制技术 研究，两轴联动轮廓误差控制技术研究等。 一、进给机构的运动特性是研究其伺服控制方法的基础，而且从根本上决定进给机构 所能达到的运动精度。滚珠丝杠是超精密机床进给机构中运动传递的核心部件，本文针对 滚珠丝杠传动的进给机构，深入研究了进给机构中的摩擦、接触刚度、反向间隙等诸多影 响进给机构动态性能的因素，并提出了相应的改进措施；研究了滚珠丝杠进给机构的微观 运动特性，并建立了适当的动态模型。 二、采用实验建模和理论推导相结合的方法建立了进给系统的模型，并采用基于误差 的增益自适应控制＋PID控制算法对进给机构进行控制，进给机构的定位分辨率达到 0.02μm。 三、研制了适用于超精密机床的运动控制器，除普通运动控制器所具有的运动控制功 能外，集成了适用于超精密机床的控制器；针对光学零件的加工，集成了基于光学普适方 程的直接函数插补法。该控制器已应用于超精密车床的控制。 四、鲁棒性能是对超精密机床伺服控制系统的基本要求，采用定量反馈控制理论（QFT） 设计了进给系统的鲁棒控制器。针对机床进给系统的高精度高性能的多方面要求，提出了 混合控制系统的设计思想，设计了基于QFT的速度前馈与复位控制相结合的跟踪控制器。 仿真结果显示，采用该控制器在控制对象存在不确定性的情况下，使进给系统对正弦输入 的跟踪精度达到纳米级，满足超精密加工的需求。 五、研究了引起轮廓误差的各种因素，以圆弧轮廓为例推导了联动坐标轴动态特性对 轮廓误差的影响公式，提出了轮廓误差模型。基于此轮廓误差模型，研究了交叉解耦控制 方法和同步技术在改进多轴联动轮廓运动精度方面特点，提出了细插补和交叉耦合控制相 结合的轮廓精度控制方法，该方法有效降低了耦合控制算法的复杂性，并能够平滑由于插 补指令引起的进给系统中的高频振荡。