（机械制造及其自动化专业论文）气浮工作台控制系统研究.pdf

中文摘要 随着科学技术的不断发展以及机械加工技术的不断进步，高精度和高分辨率 的精密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。 通过研究总结国内外大行程超精密平台的发展，可以看出超精密工作台的一个发 展方向，即采用空气静压导轨，利用直线电机的直接驱动技术研究开发的超精密 工作台，相对于其他的方式更具有优势。而采用基于p c 和运动控制卡的开放式 数控系统则是设计工作台控制系统的最佳选择。 本文通过对精密工作台的关键技术的研究，决定采用直线电机、开式空气静 压导轨、精密光栅尺、高性能运动控制卡等搭建整个运动系统，并通过比较和研 究，确定硬件系统的选型。同时，采用l a b v i e w 软件设计具有良好人机交互界 面的控制系统，以满足工作台的精度和速度等指标要求。 工作台运行不但要求速度快，精度高，而且还要最大程度的消除振动。因此， 本文对轨迹规划进行了研究，提出了适合超精密工作台的轨迹方式。同时，本文 还对基于l a b v i e w 实现插补的算法进行了分析研究。 随着控制技术的不断发展，越来越多的现代控制方法被应用到现代工业之 中。考虑工作台的特性，以及对速度，精度等指标的要求，采用基于指数趋近律、 变速趋近律、组合趋近律三种控制方案，通过计算机仿真，比较了各种方案的控 制效果。同时，还通过与采用p i d 控制方式的控制效果的比较，并合理设置控制 参数，确定了最佳的控制方案。 募糊：超精密气浮平台直线电机滑模变控制l a b v i e w 运动控制 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ， p r e c i s i o nm a c h i n i n gs t a g es y s t e mw i t hh i g hp r e c i s i o na n dh i g hr e s o l u t i o np l a y sa n i m p o r t a n tr o l ei nm o d e mi n d u s t r ya n ds c i e n t i f i cr e s e a r c hf i e l d t h r o u g hr e s e a r c h i n g a n ds u m m i n gu pt h ed e v e p l o p m e n to ft h ed o m e s t i ca n df o r e i g nu l t r a p r e c i s i o ns t a g e ，i t i st h ed i r e c t i o no fd e v e p l o p m e n tt h a tu s i n ga e r o s t a t i cg u i d e w a ya n dt h ed i r e c td r i v e t e c h n o l o g yo fl i n e a rm o t o r ，t h eu l t r a - p r e c i s i o ns t a g e i sm a d e ，a n di th a sm o r e a d v a n t a g e sc o m p a r i n gw i t ho t h e rw a y s t h eo p e n - c n cs y s t e mb a s e do np ca n d m o t i o nc o n t r o l l o ri st h eb e s tc h o i c ef o r t h ec o n t r o ls y s t e mo fs t a g e t h r o u g hr e s e a r c h i n go nk e yt e c h n o l o g yo fp r e c i s i o ns t a g e ，t h el i n e a rm o t o r , o p e n t y p ea e r o s t a t i cg u i l d w a y ，p r e c i s el i n e a re n c o d e ra n dh i g hp e r f o r m a n c em o t i o n c o n t r o l l e ra r ec h o s e nt oe s t a b l i s ht h ew h o l em o t i o ns y s t e m ，b yc o m p a r i n ga n ds t u d y i n g ， t h es e l e c t i o no fh a r d w a r es y s t e mi sd e c i d e d m o r e o v e r ，t h ec o n t r o ls y s t e mw i t hg o o d m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ei sd e s i g n e db yu s i n gl a b v i e w ，t om e e tt h er e q u i r e m e n to ft h e i n d i c a t o r ss u c ha sa c c u r a c ya n ds p e e da n ds oo n t h es t a g en o to n l yr e q u i r e sf a s tv e l o c i t ya n dh i g hp r e c i s i o n , b u ta l s ot om a x i m i z e t h ee l i m i n a t i o no fv i b r a t i o n t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e st r a j e c t o r yp l a n n i n g ，a n d p r o p o s e st h eb e f i t t i n gt r a c kf o rt h eu l t r a p r e c i s es t a g e a tt h es a m et i m e ，i n t e r p o l a t i o n a l g o r i t h mb a s e do nl a b v i e wi sa l s oa n a l y z e di nt h i sp a p e r a tl a s t ，t h ei oi n t e r f a c e a n dt h ec o n n e c t i o nt oe x t e r n a ld e v i c eo ft h em o t i o ns y s t e mw e r ed i s c u s s e da n dt h ep i n d e f i n i t i o n sw e r ed e s i g n e df o rs u b s e q u e n tw o r k s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o n t r o lt e c h n o l o g y , m o r ea n dm o r em o d e mc o n t r o l m e t h o d sh a v eb e e na p p l i e dt om o d e mi n d u s t r i e s c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so f s t a g e ，a n dr e q u i r e m e n t so f t h es p e e d ，a c c u r a c ya n ds oo n , u s i n gc o n t r o lp r o g r a mb a s e d o ni n d e x ，v a r i a b l er a t e ，v a r i a b l er a t er e a c h i n gl a w ，t h r o u g hs i m u l a t i o n ，t h ee f f e c ta m o n g v a r i o u sc o n t r o lp r o g r a m si sc o m p a r e d a l s o ，t h r o u g hc o m p a r i n gw i t ht h ee f f e c to fp i d c o n t r o lp r o g r a m ，a n ds e t t i n gr e a s o n a b l ec o n t r o lp a r a m e t e r s ，t h eb e s tc o n t r o ls c h e m ei s d e c i d e d k e yw o r d s ：u l t r a - p r e c i s i o ns t a g e ，l i n e a rm o t o ls l i d i n gm o d ec o n t r o l ，l a b - v i e w , m o t i o nc o n t r o l i i 独创。阽声明 本人声明所早交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究l 作和耿得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 歧撰的研究成果，也1 i 包含为扶得丞鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 s l i j 使j 4 j 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在沦文中 1 ：r 明确的说明并衷- ：了谢意。 近沦文作者签名：垄磊酵签字同期：一 眇圹年多月玎f 1 学位论文版权使用授权书 夺学何沦义作者完全r 解盘盗盘鲎 有关保留、使用学位论义的规定。 疆议丞盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据席进行柃 索斥宋j f j 影印、缩印或手- 1 捕等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 阳 尔f i 天部门或机构送交i 仑文的复印件和磁盘。 ( f 宋密的位论文存解密后适用本授权说明) 7 f i 做f i = 燃名：嘲 掺，一ll q j ：夕协夕勺i 歹，jz f 日 玎钐叮 彬中 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 目前，精密、超精密加工技术在我国的应用已不再局限于国防尖端和航空航 天等少数部门，它已扩展到了国民经济的许多领域，对机床的生产率、精度也有 了越来越高的要求。 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。它直接影响精密、超精密切削加工水平、精密测 量水平及超大规模集成电路生产水平。同时它的各项技术指标是各国高技术发展 水平的重要标志。精密微位移工作台系统的定位精度和行程范围直接影响到生产 加工的精度。同时，工作台的速度、加速度及启停过程的稳定时间则影响到设备 的效率，成为系统的重要指标【l j 。 超精密工作台是超精密加工设备的关键基础部件之一，它既是重要的进给元 件，也是对工艺系统误差进行动态、静态补偿的关键机构。为了获得高精度的运 动分辨率，对驱动电机及相关的部件均有很高的要求，特别是对机床进给系统的 伺服性能提出了更高的要求：要求有很高的驱动推力、快速进给速度和极高的快 速定位精度【2 j 。 超精密工作台系统可以按精度高低和行程大小分为两类：小行程、极高精度 的工作台系统和大行程、高精度的工作台系统。小行程极高精度工作台大多采用 压电元件或电磁元件作为驱动装置。行程多在数十微米的范围内，但位移分辨率 可高达1 姗。大行程高精度工作台是指行程达毫米级以上，但定位精度略低于小 行程系统的工作台系统【3 】。它大多采用直线电机或摩擦式驱动方式，运动分辨率 大多在1 0n l t l 左右。大行程超精密工作台主要的类型有直线电机驱动、摩擦驱动 式，也有采用两级进给的方式，即采用粗动与精动两套系统，以同时兼顾大行程、 高响应速度和高定位精度。 传统的超精密机床的进给系统主要是“旋转伺服电动机+ 滚珠丝杠”，这种进 给系统所能达到的定位精度不高，要达到微米级的位置精度难度大，成本高。同 时，由于从电动机主轴到工作台之间存在联轴节、丝杠、螺母、轴承、支架等一 系列中间环节，制造和装配困难。并且当进给部件完成启动、加减速、反转、停 第一章绪论 车等动作时，这些机械元件产生的弹性变形、摩擦、反向间隙等，都会造成进给 运动的滞后和其它许多非线性误差；而且这些中间环节也加大了系统的惯性质 量，影响了对运动指令的快速响应【4 】。另外，丝杠是细长杆，在力和热的作用下， 会产生变形，影响加工精度。 直线电动机传动取消了源动力和工作台部件之间的一切中间传动环节，使得 机床进给传动链的长度为零( 即所谓的“直接驱动”或“零传动”) ，从而克服了传 统驱动方式的中间传动环节带来的缺点，显著提高了机床的动态灵敏度、加工精 度和可靠性。 但是，采用直线电机传动则需要解决新的问题。直线伺服系统运行时的负载 变化、电动机参数的变化、直线导轨所存在摩擦力以及直线电动机存在的齿槽效 应和端部效应，这些给直线电动机的控制带来困难的因素，必须在控制算法中予 以抑制或补偿，否则将影响系统的性能，甚至造成控制系统的失稳。这就对控制 器的设计提出了新的更高的要求：稳态跟踪精度高、动态响应快、抗干扰能力强、 鲁棒性好。 同时，不但要解决控制系统的先进性，而且工作环境的影响不容忽视。精密 及超精密微进给平台的定位精度和分辨率多在亚微米级，温度的变化直接影响平 台的定位精度，环境的振动影响系统的稳定性，温度与湿度的变化影响传感器的 精度。因此精密及超精密微进给平台对工作环境要求极高，对温度及湿度的变化 一般控制到2 0 - t 0 1 和湿度6 0 - 3 ：5 以内，更高精度的平台则要求控制到温度变 化2 0 - 4 - 0 0 1 以内。而恒温车间的建造价格极高，为达到极小的温度变化，多采 用多级恒温车间嵌套的措施，更加增加了建设成本。同时空调等设备的运行费用 也不可忽视p j 。 诸多因素使得精密及超精密微进给平台在正常的工业环境中应用受到了很 大的制约。因此有必要提出一种新的设计观念，从一开始就综合考虑车间工作环 境建造成本、运行费用、使用要求、工作台技术指标、制造成本等技术经济因素， 通过新材料和新的控制技术在精密及超精密微进给平台中的应用，降低微进给平 台对使用环境的要求和整个生命周期的研制使用费用，提高精密及超精密微进给 平台的综合性能。这对精密及超精密平台的推广应用，提高我国的制造业水平有 着重要的意义。 1 2 超精密工作台的驱动特点和控制技术 1 2 1 直接驱动的特点 直线电机在机床进给伺服系统中的应用，近几年来己在世界机床行业得到重 2 第一章绪论 视，并在西欧工业发达地区掀起“直线电机热”。在机床进给系统中，采用直线电 动机直接驱动与原旋转电机传动的最大区别是取消了从电机到工作台( 拖板) 之 间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零，因而这种传动方式又被 称为“零传动”。正是由于这种“零传动”方式，带来了原旋转电机驱动方式无法达 到的性能指标和优点【6 ，7 】。 ( 1 ) 高速响应。由于系统中直接取消了一些响应时间常数较大的机械传动 件( 如丝杠等) ，使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，反应异常灵敏快捷。 ( 2 ) 精度高。直线驱动系统取消了由于丝杠等机械机构产生的传动间隙和 误差，减少了插补运动时因传动系统滞后带来的跟踪误差。通过直线位置检测反 馈控制，即可大大提高机床的定位精度。 ( 3 ) 动刚度高。由于“直接驱动”，避免了启动、变速和换向时因中间传动 环节的弹性变形、摩擦磨损和反向间隙造成的运动滞后现象，同时也提高了其传 动刚度。 ( 4 ) 速度快、加减速过程短。由于“零传动”的高速响应性，使其加减速过 程大大缩短。以实现起动时瞬间达到高速，高速运行时又能瞬间准停。可获得较 高的加速度，般可达2 1 0 9 ，而滚珠丝杠传动的最大加速度一般只有0 1 0 5 9 。 ( 5 ) 行程长度不受限制。在导轨上通过串联直线电机，就可以无限延长其 行程长度。 ( 6 ) 运动安静、噪音低。由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦，且导轨 又可采用滚动导轨或磁垫悬浮导轨( 无机械接触) ，其运动时噪音将大大降低了。 ( 7 ) 效率高。由于无中间传动环节，消除了机械摩擦时的能量损耗，传动 效率大大提高。 1 2 2 控制方法介绍 1 、传统的控制方法 1 ) p i d 控制简介 p i d ( p r o p o r t i o n a li n t e g r a ld e r i v a t i v e ) 控制是比例、积分、微分控制的简称， 是控制工程中技术成熟、应用广泛的一种控制策略，经过长期的工程实践，已形 成了一套完整的控制方法和典型的结构。它不仅适用于数学模型已知的控制系 统，而且对于大多数数学模型难以确定的工业过程也可应用。p i d 控制参数整定 方便，结构改变灵活，在众多工业过程控制中取得了满意的应用效剽引。 具有比例一积分一微分控制规律的控制器称为p i d 控制器。控制器的输出信 号“( f 1 与偏差输入信号e ( f ) 的关系如下式所示 第一章绪论 “( f ) = g p e ( f ) + 等 e o 协+ 酢t o _ d e ( _ t ) ( 1 1 ) 1 ” a t 相应的传递函数为 g “羽+ 去+ 纠 ( 1 - 2 ) 在串联校正中，采用p i d 控制器可以提高系统的型别，并提供两个负实零点。 较p i 控制多出一个负实零点，从而在提高系统动态性能方面具有更大的优越性。 p i d 控制器广泛应用于工业控制中。其参数的选择通常按照如下原则，应使积分 部分发生在系统频率的低频段，以提高系统的稳态性能；微分部分发生在系统频 率特性的中频段，以改善系统的动态特性【9 】。 2 ) s m i t h 预估控制方法 电气伺服系统的主回路元件、控制回路元件采用的都是电子器件，其控制作 用的传递方式是以电信号形式实现的，因此电气伺服系统具有很小的滞后特性。 在控制要求不高的场合中，其滞后影响一般可以忽略掉。但是，在要求实现微精 进给、高速与超高速运行的高性能伺服系统中，滞后因素的影响将变的突出。如 逆变器传输滞后造成的控制量传输滞后和转速测量滞后造成的被控量反馈滞后 都会使控制作用不能及时得到响应，扰动作用不能被及时发现与补偿，从而导致 系统出现超调、振荡、伺服性能降低，甚至不稳定。此时，在系统设计和系统实 际运行时，就必须考虑滞后因素的影响。目前，主要是采用s m i t h 预估控制方法 来解决【lu j 。 1 9 5 7 年s m i t h 在研究具有时滞特性系统的控制时提出了一种控制方法，称 为s m i t h 预估控制方法。这种方法的特点是预先估计出被控系统在基本扰动下的 动态特性，然后应用预估器进行补偿，力图使被延迟了的被控量超前反映到控制 器中，使控制器提前动作，从而显著地减小系统的超调量，同时加速系统的调节 过程。s m i t h 预估控制的实质是相当于在闭环控制系统的反馈回路中加入一个产 生超越函数e 4 的预测单元。为了改善s m i t h 预估补偿器的性能，已经研究出了 几种改进补偿方案，如加入反馈环节、增益自适应补偿等。 3 ) 解耦控制 解耦控制的基本思想是设计一个解耦补偿器来消除多变量系统中各有关输 入输出变量间的关联作用，使一个控制输入只对其相应的输出有影响，从而把 多变量系统分解为几个单变量系统。然后在每个已解耦的控制回路中，认为各控 制器只对其相应的被控量施加作用，这样便可以采用相应的单变量控制策略。 直线永磁同步电动机伺服系统是一个多变量、强耦合的非线性控制系统，其 励磁电流分量和推力电流分量相互耦合、相互作用，因此必须对其采取解耦控制。 解耦的本质在于设置一个计算网络，用它去抵消控制对象相关参量的耦合，以保 4 第一章绪论 证各个单回路控制系统能够独立地工作。通常采用以下方法： a 、控制量与被控量间的正确匹配。这是最简单最有效的方法。 b 、调节器参数整定。当采用一个方法无法实现控制或控制效果不好时，可 以通过动态整定调节器参数，使各个控制回路的工作频率互相错开，即各个调节 器的控制强弱不同。 c 、设计解耦控制系统，使各个控制系统相互独立( 或称自治) 1 1 1 。 2 、现代控制方法 传统的控制方法要求受控对象的模型是精确的、不变化的和线性的，而且操 作条件和运行环境是确定的、不变的。随着现代科学技术的发展，对各种机械零 件的加工精度要求越来越高，为此必须考虑控制对象参数乃至结构的变化、非线 性的影响、运行环境的改变以及环境干扰等时变的和不确定因素，才能得到满意 的控制效果。在实际应用需要的呼唤下，在计算机高速、低成本所提供的良好物 资条件下，一系列现代控制方法应运而生，并应用于实际中。现介绍四种在伺服 电动机控制系统中应用较多的现代控制方法：模型参考自适应控制、滑模变结构 控制、鲁棒控制和预见控制。 1 ) 模型参考自适应控制 模型参考自适应控制是针对被控对象特性的变化、漂移和环境干扰对系统的 影响而提出来的，或者当对被控过程的参数了解不多或这些参数在正常运行期间 有变化，特别是存在那些缓慢变化因素时，设计高性能的控制系统是比较有效的 控制方法。它对系统性能指标的要求完全通过参考模型来表达，在运行过程中， 被控对象的性能指标与要求指标相比较，自适应机构通过修改可调节系统控制器 的参数或者产生一个辅助输入量来保持对象的性能指标接近要求。由于系统的设 计性能指标是以参考模型的形式来表示的，简单直观、符合工程实践、容易实现、 自适应速度高和应用范围广，因而在实际伺服控制系统中得到了应用。 在经典控制理论中，系统设计常借助于希望特性的概念，即针对给定系统的 不可变部分一受控对象，设计一个控制器，以保证由该控制器和受控对象共同组 成的系统具有与希望特性相一致的性能，来达到设计要求。这一设计思想的实质 是线性模型跟随控制。又考虑到在自适应系统中都假定受控对象的参数的未知 的，或是随时间缓慢变化的，因此将模型跟随控制系统的设计思想引申到自适应 控制系统中。在系统设计中，先按照系统性能指标的要求确定一个理想的参考模 型，然后再设计参数可调整的控制器，控制器的参数将由引入的自适应机构按照 适当的规律自适应规律来调整，以保证自适性控制系统中受控对象输出跟随参 考模型输出的误差越小越好，直到趋于零。这就是模型参考自适应控制系统的基 本原理l i2 。 第一章绪论 2 ) 滑模变结构控制 滑模变结构控制是变结构控制系统的一种控制策略。这种控制策略与常规控 制的根本区别在于控制的不连续性，即一种使系统“结构 随时变化的开关特性。 该控制是为控制系统预先在状态空间中设计一个特殊的超平面，利用不连续的控 制规律，不断的变换系统的结构，即在一定条件下沿规定的状态轨迹作小幅度， 高频率的上下运动，迫使系统的状态沿着这个特定的超平面向平衡点滑动，最后 渐进稳定于平衡点或平衡点的某个允许多邻域内，即滑动模态运动。 滑模变结构控制方法的特点是：1 ) 它不需要知道系统的数学模型，而只需 要了解系统参数及其变化的大致范围，对外部扰动也是如此。2 ) 滑模变结构控 制具有降阶、解耦的功能。适当选择滑模超平面，通过简单的逻辑切换，就可以 将系统的状态控制在预定的空间轨线上运行。并较好的解决了动、静态性能指标 之间的矛盾。3 ) 滑模变结构控制的最大优点是系统一旦进入滑模状态，系统状 态的转移就不再受系统原有参数变化和外部扰动的影响，具有完全的自适应和鲁 棒性。4 ) 控制规律简单、易于实现和动态响应快等【l3 1 。 3 ) 鲁棒控制 一般来说，控制系统的某些参数与设计时依据的参数相比有某些偏差往往是 不可避免的，甚至系统的结构也可能会有些偏差，甚至为了简化工作，人们还常 常把被控对象中的某些次要因素故意略去不予考虑。总之，实际系统运行时的特 性与设计时认定的特性总是有一些差别的。我们把设计系统认定的系统数学模型 称为名义系统，把系统数学模型由于种种原因偏离名义系统的变化成为摄动。人 们设计的名义系统当然是稳定的，但摄动后的实际系统是否仍能保持稳定就不一 定了。一个稳定的名义系统在摄动下仍能保持其稳定的能力，称为这个系统的鲁 棒性( r o b u s t i o n ) 【l 卅。 从广义上讲，系统的不确定性按其结构可以分为两类：其一，不确定性的结 构未知，仅仅已知不确定性变化的范围；其二，不确定性的结构已知，参数存在 着变化( 参数不确定性) 。第一类不确定性的鲁棒控制研究导致了日。控制理论； 第二类不确定性的鲁棒控制研究导致了参数鲁棒控制理论。 4 ) 预见控制 伺服系统通常不利用未来信息，但在机器人、机床等机电领域中，可以利用 未来目标值等未来信息的情况是很多的，因此我们不但可以根据当前目标值而且 还根据未来目标值及未来干扰来决定当前的控制方案，这样的控制可称之为伺服 系统的预见控制。 预见伺服系统谋求在目标值信号及干扰信号的未来信息可被利用时，有效地 利用这些信息以改善控制性能。从结构上看，预见伺服系统是在通常的伺服系统 6 第一章绪论 上加上利用未来信息的预见前馈补偿得到的。因此，可以期望其稳定性等仍和原 来一样，而且由于利用了未来信息使跟踪目标值性能更好且使输入的峰值减小 等。基于最优调节技巧的预见伺服系统，根据目的的不同，从大的方面可以分成 以下两种情况： ( a ) 利用一个二次型评价函数进行反馈控制系统及预见控制部分的设计( 称 为最优预见伺服系统) ； ( b ) 对已设计好的反馈控制系统设计预见控制部分( 这叫最优预见f f ( 前 馈) 补偿系统) 【l5 1 。 3 、智能控制 智能控制时一个新兴的学科领域，目前有关职能控制的定义、理论、结构等 尚无统一的系统描述。智能控制系统的结构如图1 1 所示。 在该系统中，广义对象包括通常意义下的控制对象和所处的外部环境。感知 信息处理将传感器得到的原始信息加以处理。认知部分主要接收和储存知识、经 验和数据，并对它们进行分析、推理，作出行动的决策，送至规划和控制部分。 通讯接口除建立人机之间的联系外，也建立系统中各模块之间的联系。规划和 控制是整个系统的核心，它根据给定的任务要求、反馈的信息及经验知识，进行 自动搜索、推理决策、动作规划，最终产生具体的控制作用，经执行部件作用于 控制对象【l6 j 。 i i 图1 1 智能控制系统的结构 神经网络和模糊集合论，在某些方面如逻辑关系、不依赖于模型等类似于人 第一章绪论 工智能的方法；而其他方面如连续取值和非线性动力学特性等则类似于通常的数 值方法，即传统控制理论的数学工具。因而它们是介于二者之间的数学工具，且 可能是进行智能控制研究的主要数学工具1 7 1 。 1 3 直线电机控制技术国内外发展现状 1 3 1 国外直线电机控制技术发展现状 早在1 8 4 5 年w h e a t s t o n e 就提出并制作了略具雏形的直线电机。但是由于它的 效率低、开发成本高而长期搁置。二十世纪中叶，随着材料技术、控制技术和其 他一些相关技术的快速发展，直线电机技术才开始真正得到发展。直线电机应用 于数控机床还是近十几年的事。随着机床向高速化、精密化方向的发展，直线电 机开始较为广泛的被用于机床进给系统中。 使用直线电机的机床首次出现在机床展览会是1 9 9 3 年的第1 0 届e m o 展会， 由于效能卓越，引起了各国机床制造商的浓厚兴趣。此后，装备直线电机的高档 机床不断问世。现在直线电机直接驱动工作台的进给方式已成为超精密机床工作 台进给的一种主流方式【l 崴憎】。 第一个认识这种新的驱动技术潜能的机床制造厂是美国的i n g e r s o l l 公司，它 在1 9 8 2 年已经完成了第一台样机，并从1 9 8 5 年开始在美国f o r d 汽车公司展示实际 应用中的第一台机床h v m 8 0 0 ，三轴都安装了a n o r a d 公司的永磁直线同步直线电 机，获得很好的性能，主轴最高转速可达2 0 0 0 0 f f m i n ，最大进给速度为7 6 2 m m i n ， 运行速度7 6 m m i n 2 0 , 2 1 。1 9 9 3 年在第1 0 届e m o 展览会上由德国e x c e l l o 公司于展 出的x h c 一2 4 0 型高速加工中心，其三个坐标方向上都采用了德国i n d r a m a t 公司生 产的交流感应式直线电机，进给速度达6 0 m m i n ，加速度为l g ，进给力为2 8 0 0 n ， 而且当进给速度为2 0 m m i n 时，加工精度达虱j 4 1 x m 。其新产品x h c 2 4 1 型加工中心， x 、y 和z 轴的定位精度为3 呻 2 2 2 3 1 。直线电机在高速加工中心上的成功应用，被 日本某杂志选为1 9 9 7 年工厂自动化行业的国际十大新闻之- - 2 4 | 。到1 9 9 7 年第1 2 届欧洲机床展览会时已有2 0 多家公司展出采用直线电机驱动的机床，除了以上公 司的产品外，还有r e n a u l t a u t o m a t i o ns a ，意大利v i g o l z o n o 的m c ms p a 公司， l u d w i g s b u r g 的h u l l e rh i l l e 公司，n u r t i n g e n 的g e b r h e l l e r 公司，g r o b w e r k 公司和西 班牙e l g o i b a r 的d a n o b a t s 公司也展出了直线电机驱动的加工中心或者用于生产 线的铣削单元 2 5 , 2 6 。在1 9 9 8 年1 0 月第1 9 届j i m t o f 上，展出了8 台采用直线电机作 进给传动的机床。 与此同时，德国的b r i a c k ls 等人开展了将直线电动机用于超精加工机床进给 驱动系统的研究工作，他们在同一台亚微米车床上分别装上短初级永磁同步直线 第一章绪论 电动机和带精密滚珠丝杠的永磁同步旋转伺服电动机进行了对比实验研究【27 1 。他 们的研究结果表明直线电动机非常适合超精密加工机床。美国p r e c i t e c h 公司的 n a n o f o r m2 0 0 采用直线电机的两轴超精密数控机床，主要加工太空望远镜的镜 面，使用压电晶体误差补偿。d e n g i n e e r i n g 和山田d o b b y 公司的高速成形机 床技术，加工精度可达到0 1 0 2 5 i n n ，获得镜面效果，速度范围大，在1 删s 低速 下无爬行。k i n g s b u r y 公司的c y b e r c e l l2 机床的定位精度为3 1 m a ，重复精度可达 + l p m 。在2 0 0 0 年以后，国外几个超精密加工装置的主要制造商，如p r e c i t e c h ， n a n o t e c h 等相继完成了由滚珠丝杠驱动方式到直接驱动方式的转变，他们推出的 最新超精密加工机床如p r e c i t e c h 公司的n a n o f o r m 2 5 0 ，n a n o t e c h 公司的n a n o t e c h 3 5 0 f g 等都无一例外的采用了直线电机直接驱动技术。 德国的d m g 公司在c i m t 2 0 0 5 展览会上展出的d m c7 5 vl i n e a r 精密立式加 工中心所有进给轴都采用高动力性能直线电机驱动，主轴最高转速l 8 0 0 0 r m i n ， 可选2 8 0 0 0 r m i n ( h s k a 6 3 ) 或4 2 0 0 0 r m i n ( h s k e 4 0 ) ，工作台加速度高达2 9 ，快移 速度9 0 m m i n ，从而可使生产率提高2 0 【2 引。m o o r e n a n o t e c h n o l o g ys y s t e m sl l c 研制的n a n o t e c h3 5 0 u p l ( u l t r a p r e c i s i o n l a t h e ) x 、z 轴反馈分辨率都为1 0 n m ， 进给速率都是1 6 0 0 m m m i n ，行程分别是3 5 0 m m 、3 0 0 m m ，运动精度都是小于 5 0 n m 。法国雷诺自动化公司的工程主管j e a n p a u lb u g a u d 认为“直线电机己日趋 成熟，它的精度决非滚珠丝杆驱动的机床所能匹敌，它在高精密与高精度加工中 将是一种标准的选择。温度的变化已不再令人焦虑，它们能在1 0 或4 0 c 的运转 中得到相同的精度。几年以后，估计除了廉价机床外，将不再采用滚珠丝杆了”。 除了切削加工机床外，激光切割机、等离子切割机、电火花加工设备也开 始应用直线电机 2 9 】。据统计1 9 9 7 年直线电机驱动机床的销售量为3 0 0 台，而十年 后，将有2 0 的数控机床的所有轴都安装直线电机【3 0 】。 日本东京工业大学在其具有纳米级分辨率的直线进给平台中采用了激光干 涉仪作为位置反馈传感器，激光干涉仪为安捷伦公司基于v m e 总线的高分辨率 型号，其分辨率达0 6 3 r i m 。其控制系统简图如图1 2 所示。 图1 2 东京工业大学超精密平台控制系统简图 另外，直线传动电动机的发展也越来越快，在运动控制行业中倍受重视。在 9 第一章绪论 国外已开始推广使用相应的产品，其中美国科尔摩根公( k o l l m o r g e n ) 的 p l a t i n n md d l 系列直线电动机和s e r v o s t a rc d 系列数字伺服放大器构成 一种典型的直线永磁伺服系统，它能提供很高的动态响应速度和加速度、极高的 刚度、较高的定位精度和平滑的无差运动；德国西门子公司、e t 本三井精机公司、 台湾上银科技公司等也开始在其产品中应用直线电动机【3 l 】。 1 3 2 国内直线电机控制技术发展现状 我国的直线电动机的研究还处于起步阶段，但近年来发展很快。研究主要集 中于如何提高伺服进给单元的响应速度上，而对于直线电机在超精密加工条件下 应用的研究较少。将直线电动机作为机床或加工中心进给系统研究的大学主要有 3 所大学：清华大学精密仪器与机械学系制造工程研究所成功地研制了高频响直 流直线电动机，行程可达5 m m ，截止频率大于2 5 0h z ，推力达几百牛顿，用于驱 动中凸变活塞车床的横向刀架，并与广州机床厂合作开发了数控活塞车床，在实 际加工中获得了较好的应用效果 3 2 , 3 3 1 。广东工业大学也成立了“超高速加工与机 床研究室”，主要研究和开发“超高速电主轴”和“直线电动机高速进给单元”。他 们研究的是直线感应电动机，开发了g d 一3 型直线电动机高速数控进给单元，额 定进给力为2 k n ，最高进给速度1 0 0 m m i n ，定位精度4 m ，行程为8 0 0 m m 。从9 0 年代后期开始，沈阳工业大学对永磁直线同步电动机进行研究，并制造了推力为 1 0 0 n 的样机。他们研究的另一重点是电动机的控制方式及伺服系统。 南京四开公司用直线电机和d s p 控制器直接控制数控车床的x 轴工作台，用 以加工直径方向上非圆的零件，如一种牙型角为1 4 。的异型螺纹，取得了良好效 果。并在2 0 0 1 年北京国际机床展( c i m t 2 0 0 1 ) 上，展出了1 台x 轴采用直线电机直 接驱动的数控直线电机车床，其刀具最大的运动加速度达到了4 一 5 9 ，最大进给 速度超过了l o o m m i n ，直线电机运动轴的行程为1 0 0 m m ，反馈采用了分辨率为 l g r n 的光栅尺，控制系统采用的是四开公司具有知识产权的s k y 2 0 0 0 1 型数控系 统【3 4 1 。济南一机床厂、云南机床厂等生产的数控活塞车床的x 轴也采用了我国自 行研制的直线电机等 3 5 j 。 沈阳建筑工程学院赖国庭，吴玉厚，富大伟等人在工件圆及椭圆表面磨削加 工测量与控制的研究中使用了直线永磁同步电机来驱动刀架纵向进给，采用了基 于p m a c 的伺服控制系统对直线电机进行速度d i 速度前馈控制，利用速度和加速 度的前馈控制，从而很好地补偿了电机阻尼电路和惯性等所带来的跟随误差，使 得系统的性能得到较大的提高，进一步提高机电系统的控制精度【3 6 1 。其控制算法 简图如图1 3 所示。 1 0 第一章绪论 图1 - 3p m a c 控制算法简图 沈阳工业大学采用基于扰动观察器的加速度控制方法和采用滑模观察器的 无传感器控制方法，实现对直线电机参数变化和负载扰动的鲁棒控制。同时王成 元等人还提出一种基于p c 总线的直线交流伺服系统的软、硬件设计方案【3 7 1 。其 控制系统结构简图如图1 4 所示。 图l _ 4 ( a ) 系统功能模块图 1 4 工作台的控制技术 工控机 一匪嘲【1 瓦 p c l - 8 3 3 i 向嗣隔 光攫尺 信号输 光播动尺 ! ! ! 鲫璺哩旦8 8 0up c l d - 8 8 0vp c l 石：i 丽 翌辫牟赳嚣 直线电机定于。一 图1 _ 4 ( b ) 系统硬件连接图 抱闸 ，u ，v 当前超精密工作天上的控制系统主要由主控制系统、运动指令系统和位置控 制系统等组成，一般采用计算机数字控制技术。目前从整体上看，控制系统所用 计算机已由专用计算机向通用计算机发展。 超精密定位工作台的控制方式是闭环控制方式，闭环控制的反馈信号由测量 子系统获得。控制系统中的位置控制系统一般是在驱动源的调速系统中加设位置 控制环组成的，其原理如图1 5 ： 图1 5 超精密工作台的控制系统框图 近年来，随着高性能微处理器和数字信号处理技术在控制电路中的应用，超 第一章绪论 精密工作台的性能得到了极大的提高。在控制策略上，尽管计算机性能的提高使 许多先进的控制策略在实际应用中已成为可能，但在实际应用中占主流的还是 p i d 控制。 但是对于非线性特征比较明显的系统，p i d 控制也存在明显的不足。目前， 有众多学者在探索鲁棒性更好的控制策略，其中，响应速度和控制精度都比较理 想的方法是滑模控制方法。 1 5 课题的提出及本文的目的 由于国内目前超精密工作台的研究与国际水平相比还存在不少的差距。因 此，该课题提出的目的就是通过对精密平台的支撑技术研究，寻找各项性能均衡 的设计方案，为研制出同时兼顾高精度与高速度，性能均衡，适合工业环境应用 的新型大行程超精密定位平台打下坚实的基础。 本文的主要内容分为以下几点： l 、简述了超精密工作台的关键技术，包括交流伺服系统的构成及设计，轨 迹规划，插补设计等。 2 、建立了工作台进给系统的数学模型，利用m a t l a b 做控制系统仿真， 分析在基于滑模变控制理论的不同控制方案下的控制结果，以及和p i d 控制方式 做对比，选择控制效果比较理想的控制方案。 3 、介绍搭建工作台所需要的硬件系统以及如何进行选择。 4 、介绍搭建工作台的软件系统，并采用l a b v i e w 软件编制控制系统，初 步搭建软件平台。 1 2 第二章超精密工作台控制的关键技术 2 1 概述 第二章超精密工作台控制的关键技术 搭建大行程超精密工作台的控制系统，应该对其主要技术进行分析研究，控 制系统的设计分为硬件和软件设计，通过合理的选择硬件，并设计相应的软件系 统才能实现对工作台的精确控制。 控制系统的硬件主要包括控制器，执行电机，位置检测等部件，合理的选择 控制器的类型，对于设计控制系统十分重要，不仅可以提升控制系统的整体性能， 而且还能降低成本，可行性高。 执行机构采用直线电机驱动，省略了中间转换机构，减少了机械磨损，系统 运行时可以保持高增益，实现精确的进给前馈。直线驱动的惯性主要存在于滑台， 因此加工时可以有很高的加速度。直线电机靠电磁推力驱动，故系统噪声很小， 改善了工况环境【3 8 】。德国的b r u c es 等人开展了将直线电机用于超精加工机床 进给驱动系统的研究工作，他们的研究结果表明直线电机不仅适用于高速、超高 速加工机床，同样也非常适用于超精密加工机床【3 9 】。因此，在精密控制领域，直 线电机驱动还是拥有十分广阔的应用前景。 对于精密平台的控制，合理的进行规划轨迹是实现精确控制的必要条件。为 了满足精密工作台高速度、高精度等性能要求，应该对轨迹规划进行分析研究， 设计出高速高精度且振动最小的轨迹方式。通过编写控制系统的软件，进行插补 算法的设计，可以提高系统的精度和响应速度，因此合理的编写插补算法程序是 比较重要的。 综上所述，选择合适的控制器，以及直线电机驱动的方式，并利用软件实现 轨迹规划和插补算法，是设计控制系统比较关键的技术。 2 2 控制系统的结构设计 2 2 1 控制系统的组成 一个完整的控制系统一般是由上位控制器、执行电机、机械传动机构、和位 置检测元件等组成，其结构如图2 1 所示： 第二章超精密工作台控制的关键技术 图2 1 控制系统示意图 a 控制器一主要将通过计算分析，把运动命令以数字信号或模拟信号的形 式送到电机驱动器中。控制器通常是运动控制卡、p l c 、单片机等等。 b 驱动器一其功能是进行功率变换，并驱动电机根据控制指令运转。 c 执行机构一运动控制系统中实现预期功能部分，输出运动来完成任务， 一般要求受控性能好，精度高。 d 位置反馈装置一其作用是将检测到的位置反馈到控制器或驱动器中，构 成半闭环或全闭环控制。 2 2 2 控制器的选择 ( 1 ) 单片机控制 单片机的应用非常广泛，几乎可以用于各个行业。单片机是靠定时器不断地 对输出端置0 或1 ，从而产生连续的脉冲，以达到控制步进电机或交流伺服电机 的目的。 单片机控制系统的特点是： 1 ) 体积小、成本低； 2 ) 可靠性较好，其可靠性的获得除了依靠单片机芯