高精直线滑台的设计和控制.pdf

与 高精直线滑台的设计和控制 南船理工学院 4 7 3 0 0 4 三彦峰 吴希让 摘要 高精机床需要高精滑台文中介绍一种定位精度高达 1 6 n n I 的直线工作台设计 设工作台朋 埘 制造 质量为 O O k g 用 三个静压轴承全浮动支承 工作运动长度2 2 0 m m 具有甚高的删性 缓滑台使用磨摊传动致动器 直线轴向蛙太 移速腰 I n m s c 使用闭环伺服控制 使用模控制器 I M c 自动补偿来建模的机械性能 也可使用比例秘分微分控 I D C 对直线滑台 进行控制 控串 方法中测量时使用激光干涉仪和光学直线编码器 保证使滑自得到甚高的定位精度 关键 词 高精运动 摩擦传动 内攒控制 数字控制 一 前 言 精密和超精密加工 是机械制造技术发展的主 要方 向之 一方面 对产品质量要求的提高 促 使加工精度由微米级 向亚微米和纳米级发展 另 一 方面 超精密加一 技术是高利润的技术 掌握一项 精密加工技术 就可在自行定价的高利润畅销品目 内外市场上占据一席之地 精密和超精密加工 需 要相应高精机床 研究设计相应高悄机床零部件 是十分紧迫的任务 文中介绍一种机械直线滑 台的设计及分析 r 作 占用锕制成 用静压轴承浮动井保持在滑座上 工作台用摩擦传动驱动 整个系统安置在隔振台上 文中也对两种控制方法作了对比 积分微分 P I D 控制器和 内模控制器 I M C 内模控制器具 有较好的控制性能 为提高控制精度 也使用了激 光干涉仪和光学直线编码器 l唰量直线性和角度 试验证实 该系统可满足以下要求 滑 自质量 1 O O k g 行程 2 2 0 m m 定位精度约 1 6 n m 最大平移速度 l O rn m s 总的几何精度 1 m 为了达到上述要求 在漫计方而必须尽 可能减 小各种误差 滑 台运动误差可用阿贝补偿来溯量和 估价 机床成功的控制 取决于组成元件的相互作 用 具体设计过程为一有效的网络和迭代过程 根 据所需规格和价格对子系统进行估价和优化 预斯 高糟领域所需的系统性能 有限元建模和分析是很 好的工具 该方法爵太的优点可保持相 同的建模 即网络 用于不同的分析 达到较高的精度 对 一 2 一 静态 动态或热力分析 计算时 可进行少许修整 对 质量 价格比性能 连续进行设计一 分析一 性能 的迭代 达到所需要求 对子 系统写出子要求 它应单独估价以满足所 需规格要求 随之使用柔性耦台 避免子系统之间 的静态乖 动态相互 良影响 如 1 所示 逋过 各 种分析由样机的规格要求开始 醴引 结果经试验评 估后 决定 设计是否可 用 或进行 重新 墁计 l划I 直线拊白自 1 L 玎汪 二 零 B 件设计 设计 系统可分为两个主要的 f系统 懂线滑鲁 和致动器 1 直线滑台 高精直线滑 自的设计步骤包括以 零件的设 计 工作台 导轨 静压轴承 工作占用钢制成 尺寸为6 0 0 5 0 0 2 0 0 m m 上边有几个油孔 供油到轴承处 它由j个预载静 压轴承支承 这些轴承分布在水平 F 面 保证工作 台有良好的运动 为减小删滑角并保证侧向直线性 维普资讯 2 0 0 2年第 1 期 总第 1 4 9 工作自侧面也有轴承导向 这如图示 2 和图 3 所示 王 I 电 机 嘲 2 直线泔台筒 对每一轴承 在选定的负荷和供油压 力下 根 据要求限定其刚性和油膜厚度 表 工 上主 轴承 下预 载 轴 承 铡 向 导 轨 静 直缝拊告 调整预载荷 使工作台和主轴承装置的总柔量 符合所需要求 表 l 币 预裁 l 静J 轴承的性质 输人压力 巴 预载荷 巴 油膜厚度 l m 消耗功率 w 目 4 性 h m j l 00 8 0 2 4 0 l 7 l 8 g 0 2 5 8 O 8 1 6 g j 2 6 6 l 0 4 1 j l 0O 2 7 7 g 9 1 4 为了获得良好的直线运动 导轨用微晶玻璃制 造 可使热变形引起的误差减至最小 0 0 j m 口 C 导轨表面仔细研磨 平面度的光学性能相当于 2 整个滑 台安装在辉绿岩花岗底座上 这使滑台 具有很好的稳定性 它的内阻尼比是钢的 1 5 倍 它 的热胀系数很低 7 5 c a此外电可考虑诸如 软钢和人造混凝土作底座材料 当适当的消除应力 后 软钢也非常稳定 人造混凝土开发用作机床材 料 具有 良好的机械性能 使用激光干涉仪测量工作 台的绝对位置 工作 自和导轨间的柑对位置 由安装在一作台上的光学 直线编码器测量 可获得相当高的分辩度 使用的静压轴承有 良好的刚性和阻尼 高精运 动时的缺点是供油回路较复杂 低速时的静压轴承具有最小的油膜厚度值 它 应和表面的平面度相适应 对高精直线滑台另外应 注意的准则 见表 1 的特性 是 压力的精密调整 以下述方式进行 间隙变 化保持在 l h 0 5 m 以内 其中 P 为静压 轴承槽中压力的变化 2 为 了 产生过热 消耗功冰应在2 0 W 以内 3 刚性必须足够使过载引起的位移小于规定 值 c 静压轴承的设计和研究已有人作 r 详细论述 为了调整轴承的刚性 增加 r 反 向衬垫轴承作为预 载系统 图3 阻尼系数随液体粘度 轴承表面 毛 细长度和油槽压力增犬而增加 且随间隙的毛细直 径增大而减小 以保证轴承的稳定性 有人对两个耦合轴承 主轴承乖 u 预载轴承 的 动态性能作了研究 整个系统的方程可由运动方程 质量守恒和施在每一轴承上的动能表 出 主轴承和 预载轴承上的最终阻尼系数分剐是 式 中 压刚性 2 一 2 为主轴承蔽体摩擦 为主轴承静 为预载轴承液体摩擦 为预载轴承 维普资讯 精密制造与自动化 静压刚性 为主轴承支承质量 面示出的四个参数是轴承尺寸和流动特性的 函数 随之固有频率可分别确定为 如在式 2 中观察到的那样 由于预载系统活 塞质量远小于工作台质量 预载轴承的固有频率 远大于主轴承的固有频率 在实际设计中 可以使 2 1 0 由式 2 可以看出 预载轴承的固有频率是足 够大的 不会对悬浮工作自的最后 有频率及相应 运动精度有实际影响 由于该耦合系统有大的阻尼 必须使用低粘度的液体 以缩短系统的响应时间 2 摩擦传动 选择使用摩擦传动 系统 优于以下其它几种进 给传动系统 滚珠丝杆 直线马达 行星滚柱螺旋 有人对上述提及的进给传动系统进行的试验对比表 明 摩擦传动是理想的传动系统 它提供的运动干 扰小 无间隙 刚性高 滑移摩擦小且直线误差小 另外设计中也考虑到价格低 可靠性高 生产热量 少且结构紧凑 该传动使纳米分辩度容易达到 应用中使用的摩擦传动 用两个 v 形滚轮和由 它们定心的圆棒组成 v 形滚轮 L f I 形状 许用接触 点和双个切向刚性 由相应的公式确定 由试验得出轴 向力P作用于牵引棒上时 切向 刚性的变化为 4 0 1 一 2一 1 口 式中 E 为杨 氏模量 为接触点的尺寸 为泊松系数 为摩擦系数 为接触几何的函数 P 和 P为切向和法 向接触压力 作用于两滚轮上的预载荷 是调整改变接触刚 性和避免滑移的主要参数 这一预载可用压力传感 器测量 滚轮的尺寸 直径 D 确定有两个准则 I J赫兹接触应力 c 最大许用磁力 姚 式中 I 预载荷 b 为接触点尺寸 2 最大位移避免滚聿 仑 上产生J L 何误差 A j 式中 币为编码器分辨度 P 为所需精度 该滚轮直径选取的值 小f由 1 1 计算出的值 弯曲刚性可用静态和动态计算进行估计 应保 持摩擦传动动态刚性 K 小于轴承上 作台的刚 性 K 因此 6 这些刚性 可用特征频率迭代动态计算确定 3 温度控制 使用水 油热交换器 开式油回路 用约1 O n 控温水回路在低于环境温度约 5 C 下冷却可避免轴 承元件的热变化 在导轨上油的人口温度保持接近 环境温度 1 8 2 O c J 而消耗功率 超过 1 8 k w 随当注意 环境温度变化的范围 删量时应保持在 约 O 6 C之 内 三 机械 系统 的建模 为了校核 e f 1 应达到的要求 使用有限元法建 模上述子系统 对每 个子系统进行静态l幂 f I 动态分 析 整个系统 以 F 述方式组台和分圻 静态分析时确定出变形和l米斯 v 0 n川S e S 应 力后可得出静态变形 结果表明 在静压轴承和爵 大米斯应力处有可允许的 I 微米变形 c 随后的动态分析是确定第 一固有频率 第一固 有频率必须大干 5 O l z 以避免凼控制带宽q l 起的干 扰放大 分析表明 工作台的固有频率较高f I I z 摩擦传动的固有频率也可满足要求 上述 分析结果和试验得到的固有频率作 r对 比 用相应的加速度 汁和压电力传感器 用锤击试 验进行了测量 岍者间何良好的 致性 随后是将摩擦传动和工作台模型装配 一 起 期 望能够看到传动对滑台没有影响 试验表明 由于 两者固有频率大不相同 且工作 台位于静压轴承上 具有较高的阻尼 正常情况下 i 受传动的影响 四 控制设计 近年来的研究及实践表明 在运动机械零部件 的精度方面 控制技术起着重要的作用 对于高精 度直线滑台 伺服及控制技术是否台适 也是其性 能好不的关键之 图 4 示出了该直线滑鲁控制结构的总图 F 面 简介数值反馈控制回路的结构 发的性能模型 维普资讯 2 0 0 2 年第 1 期 总第 1 4 9期 用于控制无刷电机且随后引人内横控制 1 M c 概 念 它用于减小P I D 控制器对模型精度的依赖性 由 于它的价格甚低且需很少维修 无刷伺服电机在工 业上现已标准 转子用永久磁体 当定位需要高质 量时 目前在代替步进 电机方面是极好的选择 此 外 它的机电动态性能和可靠性远扰于A c 电机 日 当选择电流控制定子扭矩时 也比异步电机控制简 单 使用直线运算放大器作为电力交换机 向电机 定子线圈供电时 提供了甚好的动态和直线响应 嘲 l 工作台控 蛸柯简 1 数学模型 牵涉到电流驱动无刷永磁转子电机的控制方程 是线性的 相应数值计算时容易编程 式 7 描述了转子角加速度和电机扭矩之间的 关系 式中 d r z 转子的加遮度 m I s z J 机械系统的惯性 k g l m z c t 电机的电动力矩 m c t 阻力力矩 载荷扭矩 摩擦扭矩 N m 且式 8 给出了电动力矩 c t 的值 它为定 子电流的函数 w f f s i n f f 8 式中 K 电机设计特性给定的常数 j t 定子电流振幅 廿 t 定子和转子磁场角问角度差 r a d 为简化直线滑台的控制 阻力力矩 c t 可大 致认为是静态外干扰 它的影响将用校正器的积分 项补偿 另外 我们假设 f 0 式 7 和 8 将联立得到式 9 它摘要给出电流驱动无刷电机 的性能 筹 s j n 为了优化 电机的功能 出功率消耗的观点 出 发 定子和转子磁场之间的角差 t 可调整为等 由转子场的债簧看 为 r 形成均匀的磁场 单独向 每一定子线圈供电 容易得到优化 在这 特定应 用中 具有 1 2 比特分辨度的转f增量编码器给出转 子的位置 如果 等 式 9 中的正弦项为 1 式 1 0 将描述电流驱动 A c电机 I 转子永磁 的性能 它变成二阶 线性和单变量方程 适合 J P 1 D 控制 器调整 m 2 比例积分微分 P D 控制器 图5 介绍了数值控制系统的结构 它包括具有 P J D校正器的内反馈速度控制和具有 P校正器的外 位置控制回路 过程模型框图控制定律的执行 由式 c 1 0 得 出 它确定控制电机的 电流值 称作机械裁荷的方 框描述的过程 即为机械和机电现象的总体 它代 表了直线滑台的实际性能 式 7 假定 机械系统 构成的毂荷为最大的惯性 研究直线滑台输出时 当工作在近静状态时 或在扳低速度时 它呈现各 种复杂现象 如电机的 电磁阻抗 牵引滚轮的偏心 转子轴承的循研 噪音 牵引棒表而粗齄度 通过花 岗岩传递到滑动台上的振动 在静压轴承中油压波 动等等 明显影响着滑台的性能 这些机械性能影 响在控制器执行中被忽视 坶为牵涉到公式的复杂 性 和大多数实时计算机的能力是不相容的 这导 致内摸控制的执行 速度计算方框包括实时 阶微分算法 用来 估价由直线增量编码器提供信息 滑动工作台的平 移遮度 可用相应的程序 和系统 按要求 实现上述控 维普资讯 精密制造与自i 丝 制 5 直缦滑凸控制系统结构 3 内模控串 叮 M c 为动态补偿未建模机械性能对直线运动质量的 影响 内模控制被加八到 P I D 控 器上c它的引人 主要是控制过程输出与建模不同的可变特性 它的 值随后被转换为额外扭矩 补偿未建模裁荷 且加 人由 P I D 控制器计算出的电机指令中 l刊6 l H c用十 建度佐制 踏n 理 图6介绍 了 该控制方法 其中方框 M 表示过程 模型 且M 一 是薛在且是稳定的 因为j 亡 作台的性能 模型 c 式 1 O 保持单变量且为线性 并且通过各种 近似由它消除 r 全部零值 此外 为避免在模型M 中 积分项的存在 在控制的加速度水平上怍了模型误 差的计算 它也意味着 考虑的建模误差为由模型 预断的滑台平移加速度 可测出加速度之间的差 实际加速度是由直线增量编码器提供信息 用双数 值微分得到 用低通数值过滤器 减小因微分引起 的高频噪声 并且 J M c 回路作用集中在甚低频率干 扰上 如果在取样时间 计算的建模误差 包含有 少许数值噪声 当在时问 n l 时用来修 马达指令 值时 它的作用象强力噪声发生器 违背 了 使用l M c 的初