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二维精密气浮运动平台多参数控制与轨迹精度研究

朱小刚  
【摘要】:精密气浮运动平台是一个复杂的运动学系统,它具有高精度,高速度,高加速度等特点。它采用的两项关键技术:直线驱动技术和静压气浮导轨技术,显著改善了精密运动平台的运动学性能。尽管如此,其运动性能仍然受到驱动系统机电特性、气浮导轨的机械特性、负载扰动的影响。二维精密气浮运动平台为研究数控机床结构和先进的控制技术提供了实验平台。为了改善精密气浮运动平台的运行性能,需要对影响运行性能的因素进行分析。判断气浮运动平台的运行性能标准有很多,其中系统稳定性、轨迹精度是十分重要的研究内容。本文以提高二维精密气浮运动平台的轨迹精度为目标,通过仿真、实验的方法对二维精密气浮运动平台的控制性能与轨迹精度进行研究,主要研究内容如下:1、对二维精密气浮运动平台的结构特性进行了分析,建立两轴(X、Y)直线电机电流环、速度环、位置环三闭环控制模型,建立数学模型,并推导各环开环传递函数。利用Matlab仿真分析系统稳定性,通过频域特性分析,发现其相角裕度γ≥60。,幅值裕度Kg≥lOdB,满足了足够的稳定性储备工程控制要求。2、根据二维精密气浮运动平台的负载情况,仿真分析不同负载和PID参数对阶跃响应特性的影响规律,建立了带速度前馈和加速度前馈的伺服控制系统模型,分析了前馈补偿对伺服系统斜坡响应特性的影响,并设计实验,利用软件PMAC Tuning Pro2、PMAC Plot Pro2,分析在不同负载条件下,前馈增益参数对运动特性的影响规律。3、利用PMAC Tuning Pro2对二维气浮平台X/Y轴的PID参数与前馈增益参数进行整定,获得适合运动平台精密运动的参数范围,为下一步实验测量气浮运动平台轨迹精度做准备。4、运用激光干涉仪进行定位精度测量,对气浮运动平台X轴在不同负载情况下的定位精度及重复定位精度进行研究,验证了速度前馈增益参数和加速度前馈增益参数合理取值范围整定的正确性,分析单轴的定位精度和两轴联合运动的圆弧轨迹精度的关系。最后,利用QC-10球杆仪进行实验,分析速度前馈参数和加速度前馈参数对二维气浮运动平台圆弧轨迹误差的影响,并通过设置合理的前馈增益参数来提高轨迹精度。


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