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《长春工业大学》 2017年
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基于NI控制器的单自由度快速刀具伺服装置设计与控制

任万飞  
【摘要】:光学自由曲面和微结构功能表面在民用、军事和航空航天领域有着广泛的应用需求,基于快速刀具伺服(Fast Tool Servo,FTS)的单点金刚石车削加工技术因其高频率响应、高定位精度等特点,已经成为光学自由曲面和微结构功能表面最有效的加工方法之一。目前,国外已有成熟的产品出售,但国内还处于实验室研究阶段,还没有产业化FTS装置。本文总结了 FTS装置的驱动方式、控制方法和策略,设计了一种刀具在Y轴方向高度可调的压电陶瓷驱动单自由度FTS装置,针对所设计装置的特点,研究了基于NI控制器的FTS模糊PID控制系统,对所研制FTS配备模糊PID控制算法进行控制,模糊PID控制算法可以快速动态地整定比例、微分和积分三个系数,对周期性激励信号和不确定的外界扰动控制效果优良,适用于多数FTS装置,本文具体将从以下几个方面展开研究:(1)设计一种可以微调金刚石刀具高度的单自由度压电驱动的FTS装置,建立柔性铰链刚度模型,并通过建立的刚度模型计算得到装置固有频率;利用本文设计装置的具体参数,对装置关键部件进行有限元分析,主要涉及部件的静力学分析和模态分析,通过分析结果与设计要求比对,逐步优化设计参数,对所设计的FTS装置进行性能测试,主要涉及刚度测试、最大位移测试、阶跃响应测试、分辨率测试,以此验证所设计装置的系统运行性能。(2)选择模糊PID控制策略作为FTS装置的控制算法,并且对比简单PID控制算法和模糊控制算法。在跟踪误差方面,模糊PID控制跟踪误差幅值为0.07μm,而简单PID的控制跟踪误差幅值为0.68μm,跟踪控制精度提高9.714倍。(3)搭建FTS切削实验平台,将本文设计的FTS装置安装在Nanoform 250机床导轨上,利用模糊PID控制器控制FTS系统,通过加工铝合金零件的端面,并利用ZYGO白光干涉仪检测所加工的工件面型,从加工过的面型分析本文所设计FTS装置的切削加工性能。
【学位授予单位】:长春工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TG71

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