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精密五轴研抛机床控制系统的研究

罗亮亮  
【摘要】:复杂曲面光学零件在航天航空、国防、微电子、光电子、以及面向消费者的工业和民用等诸多领域有着日益增长的应用需求,在先进光学系统中能否成功地利用复杂曲面光学零件,其关键还在于能否实现其高效、高精密、低成本的加工创成。针对自行研制的精密五轴研抛机床机械结构,开发了研抛加工装置的软硬件控制系统,可实现五轴联动控制;进而根据预先设计的研抛工具位姿规划,可以实施复杂曲面零件研抛加工的柔顺控制。 本文首先根据复杂曲面光学零件的研抛加工特点,设计了五轴精密研抛机床,并对研抛机床的关键部件—精密转台和摆台联动机构进行了有限元分析和结构优化设计。建立了研抛机床的动力学模型,以进一步进行研抛装置的控制系统设计。 其次,搭建了五轴研抛机床的控制系统硬件平台。针对各伺服轴的驱动特点,分别搭建了以双控制器为核心和单控制器为核心的硬件平台,并进行了比较分析。分析了研抛加工中影响表面质量的因素,提出利用粘滑运动以提高零件表面质量,并建立了粘滑运动的数学模型;根据粘滑运动具有周期性的特点,在控制系统中加入重复控制以提高轨迹跟踪控制效果;对采用粘滑运动的伺服轴分别采用常规PID控制和重复控制作对比仿真,仿真结果表明,采用重复控制对粘滑运动轴的轨迹跟踪控制优于常规PID控制,可以实现预期的理想轨迹跟踪控制。 同时,开发了五轴研抛机床的数控系统软件平台,并进行了系统的软硬件匹配和集成。利用LabVIEW对控制系统软件进行了二次开发,控制界面整合了多个控制器的应用程序接口,界面更加友好,操作更加便捷。所设计的上位机软件能够实时读取运动控制器反馈的轴状态、驱动状态以及程序状态等信息,并通过显示控件显示在软件的数控界面上。所开发的系统软件工作稳定,兼容性强。 最后,通过实验对样件进行了研抛加工,结果表明开发的五轴研抛机床联动控制系统能够实现对所规划的复杂曲面零件的研抛轨迹进行跟踪控制,满足了复杂曲面光学光学零件的超精密加工要求。


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