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《哈尔滨工业大学》 2009年
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大行程高精度微进给系统的研究

姜文锐  
【摘要】:随着科学技术的不断发展,在国防工业、航天宇航技术、生物工程、微电子工程、纳米科学与技术等各个领域,对加工精度的要求越来越高,提高制造精度后可以大幅地提高产品的性能和质量,提高其稳定性和可靠性。超精密机床是保证产品加工精度的主要工具,而微进给系统作为超精密机床的核心部件,其性能直接影响超精密机床的加工精度。超精密加工技术的持续发展,要求进给系统能够实现在大行程范围内的超精密微位移,从而可以加工大尺寸的工件,并获得好的加工精度。传统的进给系统受自身结构特点的限制,不能很好地满足要求,因此需要研制一种新型的具有高精度、大行程的超精密进给系统,可以大大提高超精密机床的加工精度。对提高我国国民经济发展、缩短我国与发达国家在超精密加工、检测领域的差距,加快国防工业现代化建设具有重要意义。 本文基于摩擦学原理,采用压电陶瓷驱动,研制了一种新型的大行程高精度微进给系统,为超精密微进给技术的实现提供了一个经济可靠的手段,对于超精密定位系统的研究和应用具有重要的意义和实用价值。 该微进给系统由驱动部件与传动部件组成。驱动部件采用压电陶瓷驱动摩擦套筒实现角位移输出;传动部件由滚珠丝杠与空气静压导轨组成,实现直线运动。对系统的可调预压装置、空气静压导轨等关键部件进行设计,采用有限元方法系统地分析了预压装置的刚度、应力、固有频率等静态特性,得出柔性铰链的各几何尺寸对预压装置的静态特性的影响,从而实现优化设计。 采用模块化方法,建立微进给系统的物理模型和数学模型,为设计系统的控制器打下了基础。为了减少摩擦驱动过程中,微观滑移、非线性等因素对定位系统的动态性能的影响,优化控制系统的控制参数,建立了系统的动力学模型与方程,并基于Karnopp“粘滞——滑移”模型对系统的动态特性进行仿真、实验研究,得出正压力、摩擦系数、转动惯量等参数变化对位移输出的影响规律。 针对压电陶瓷驱动过程中存在的磁滞、非线性等特性,建立了驱动系统的逆Preisach模型,能够很好的预测压电驱动器在经过一定的随机控制电压序列后的位移输出值,有效地改善输出位移的磁滞非线性,减小了系统的非线性误差,提高了控制精度。 根据微进给机构的特点,设计了变速积分模糊控制系统。采用二维模糊控制器,在选择模糊变量的隶属函数时采用不均匀划分,在误差较大的区域采用低分辨率的模糊子集,在误差较小的区域采用较高分辨率的模糊子集,从而提高系统的渐进稳定性,并改善了常规模糊控制器存在量化误差和调节死区、稳态性能差的缺点。采用Matlab软件的Simulink工具进行了闭环控制的仿真分析,证明了方案的可行性。 通过对所设计的微进给机构进行闭环控制的实验研究,能够在150mm的行程上,得到高精度的位移输出,位移分辨率可达到0.01μm,定位精度达到0.0347μm。通过实验研究了实验参数对系统的动态性能的影响规律,验证了仿真结果,得出优化控制参数。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TG502.3

【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 李静;提高大型曲轴切点跟踪磨削轮廓精度的关键技术研究[D];上海大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前3条
1 胡华;高精度二维工作台关键技术研究[D];吉林大学;2011年
2 李博;光栅刻划机摩擦驱动机构动力分析[D];苏州大学;2013年
3 姜红;纳米级分辨力重载电控二维倾斜调整架设计[D];长春理工大学;2014年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国硕士学位论文全文数据库 前1条
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【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 王希花;基于压电陶瓷迟滞非线性建模及控制系统的研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 朱丽娜;大规模网络安全态势评估与防卫技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
3 李华文;船舶交通管理系统经济社会影响评价研究[D];大连海事大学;2010年
4 张红兵;基于ARM的双丝脉冲MIG高速焊分布式控制系统的研究[D];华南理工大学;2010年
5 王正顺;纸张电磁干燥技术研究[D];华南理工大学;2010年
6 马金奎;滑动轴承非线性轴心轨迹的瞬态与周期特性研究[D];山东大学;2010年
7 曾建斌;矢量磁滞数学模型理论及其应用研究[D];沈阳工业大学;2011年
8 张建国;双离合器式自动变速器控制品质评价与优化[D];吉林大学;2011年
9 林哲祺;压电结构的控制参数与构型优化设计[D];大连理工大学;2011年
10 于贺春;高速静压气体轴承—转子系统的特性研究[D];大连海事大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 冯小冬;基于模糊PID控制的呼吸机压力控制研究[D];南京医科大学;2010年
2 李义辉;超声无磨料内圆抛光声学系统及抛光工艺研究[D];河南理工大学;2010年
3 张斌;压电双晶片型微位移放大机构研究[D];河南理工大学;2010年
4 吴定柱;多孔质气体静压止推轴承关键技术研究[D];中国工程物理研究院;2010年
5 黄长辉;金属材料断口三维形貌检测与表征分析[D];南昌航空大学;2010年
6 李翠云;基于PLC与模糊PID的混凝投药复合控制系统的研究[D];山东农业大学;2010年
7 陈猛;基于DSP和模糊PID的稳定平台的设计[D];哈尔滨工程大学;2010年
8 袁瑞琴;嵌入式动力定位控制器的设计与实现[D];哈尔滨工程大学;2010年
9 吕新昱;水下机器人舵机控制系统设计[D];哈尔滨工程大学;2010年
10 王冬东;浮体艏向调整系统的设计与实现[D];哈尔滨工程大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 李圣怡,戴一帆,彭小强;超精密加工机床及其新技术发展[J];国防科技大学学报;2000年02期
2 罗兵,李圣怡,李艾利;超精密扭轮摩擦传动动力学研究[J];国防科技大学学报;1998年03期
3 戴一帆,李圣怡,罗兵,彭莉;扭轮摩擦驱动系统研究[J];国防科技大学学报;1999年02期
4 范云霄,郑轶,于涛,杨俊茹;等误差直线逼近非圆曲线的节点计算及刀具轨迹模拟[J];工具技术;2002年08期
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7 刘红忠,赵万华,李涤尘,卢秉恒;多坐标激光干涉仪用于纳米定位系统中的研究[J];光子学报;2002年05期
8 黎永明,刘建国;超精密机床的发展及其关键技术[J];上海机械学院学报;1994年02期
9 宋文荣,于国飞,王延风,何惠阳,韩红霞;磁悬浮微进给机构的PID控制[J];哈尔滨工业大学学报;2004年01期
10 王波,梁迎春,董申;超精密机床模糊轮廓控制技术研究[J];哈尔滨工业大学学报;2005年06期
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 钟俊;宏观尺度的纳米级定位控制技术研究[D];中国科学技术大学;2011年
2 郑子文;超精密机床伺服控制技术研究[D];国防科学技术大学;2001年
3 肖本贤;多轴运动下的轮廓跟踪误差控制与补偿方法研究[D];合肥工业大学;2004年
4 李勇;影响数控凸轮轴磨削加工精度若干因素的研究[D];华中科技大学;2004年
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6 许第洪;切点跟踪磨削法核心技术的研究[D];湖南大学;2005年
7 吴钢华;曲轴非圆磨削轨迹控制关键技术研究[D];上海大学;2006年
8 李鸣鸣;大行程纳米定位系统若干关键技术研究[D];上海大学;2007年
9 纪华伟;压电陶瓷驱动的微位移工作台建模与控制技术研究[D];浙江大学;2006年
10 徐荣珍;面向高速加工的NURBS曲线插补及直线电机鲁棒控制技术研究[D];上海交通大学;2007年
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1 陈伟光;跑道辨识算法在飞机防滑刹车中的应用研究[D];中南大学;2011年
2 张剑;含摩擦伺服系统的建模与控制研究[D];中国科学技术大学;2011年
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9 李泉;X-Y工作台的摩擦建模与仿真研究[D];山东大学;2005年
10 何远新;大速比摩擦传动结构设计和精度测试[D];哈尔滨工业大学;2006年
【二级引证文献】
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【二级参考文献】
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7 李圣怡,戴一帆,彭小强;超精密加工机床及其新技术发展[J];国防科技大学学报;2000年02期
8 戴一帆,李圣怡,罗兵,彭莉;扭轮摩擦驱动系统研究[J];国防科技大学学报;1999年02期
9 袁哲俊;;精密和超精密加工技术的新进展[J];工具技术;2006年03期
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中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 杨兴;磁场与位移感知型超磁致伸缩微位移执行器及其相关技术研究[D];大连理工大学;2002年
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1 陶惠峰;超精密微位移系统研究[D];浙江大学;2003年
2 王浩林;微进给控制系统关键技术的研究及其应用[D];东华大学;2006年
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8 李红英;云乃彰;汪建春;朱永伟;;超声电解同步复合微细加工中微位移的实现与检测[A];2007年中国机械工程学会年会论文集[C];2007年
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1 本报记者 杨红英 胡启林;上海机床厂——精密磨床产业传承与创造者[N];中国工业报;2009年
2 记者 陈小浔;超重型精密数控轧辊磨床可满足高精度磨削需求[N];中国冶金报;2011年
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1 张霖;数控微细铣削机床系统构建及性能研究[D];南京航空航天大学;2007年
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1 张曦;压电驱动的精密机床微进给控制方法与系统[D];东华大学;2005年
2 朱振华;面向精密加工的压电驱动微进给工作台设计与研究[D];东华大学;2005年
3 刘北成;稀土超磁致伸缩材料微进给特性研究[D];沈阳理工大学;2013年
4 赵淑文;微进给工作台的研制与铸铁基砂轮电火花整形试验研究[D];天津大学;2004年
5 王浩林;微进给控制系统关键技术的研究及其应用[D];东华大学;2006年
6 徐源;宏微驱动超精密定位工作台在磨床上的应用研究[D];东华大学;2008年
7 于永坤;高精度小型铣床(关键技术)的研究与开发[D];东华大学;2008年
8 王海营;ELID磨削砂轮表面钝化膜状态表征与控制[D];天津大学;2007年
9 仲吉武;电火花精密整形与ELID精密磨削试验研究[D];天津大学;2006年
10 王志强;ELID磨削用砂轮的电火花整形控制研究[D];天津大学;2007年
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