基于力矩测量的交流伺服工作台摩擦识别与补偿控制

【摘要】：精密和超精密加工技术是机械加工领域重要的研究方向，实现超精密加工的首要条件就是超精密的机床加工设备。交流伺服进给系统作为数控机床的重要组成部分，是一种精密的位置跟踪与定位系统，其运动精度和定位精度直接关系到数控系统的加工精度、表面质量和生产效率。 对于高精度进给工作台而言，尤其是在低速阶段，交流伺服工作台运动精度的提高受到系统中摩擦力为主的扰动力的限制。摩擦环节对伺服控制系统性能造成的不良影响，主要体现在能够引起位置误差、极限环、爬行等现象的发生，这是提高运动控制精度的一个障碍。摩擦力矩的大小主要与机械传动结构及润滑状况、负载大小和速率等有关系，而且还可能随着位置和时间发生随机变化。由于减小摩擦力的措施通常受到工艺水平及经费等条件的限制，因此本文从经济方面和实用角度出发，对包含滚珠丝杠副在内的交流伺服工作台进给系统的摩擦力特性进行分析、建模和补偿控制等方面的研究。 本文综述了国内外应用摩擦学研究的发展现状，总结了摩擦模型研究取得的成果，概述了摩擦控制方面的研究进展及应用状况，特别介绍了交流伺服进给系统中的摩擦力研究情况。 为了准确地分析摩擦力对工作台定位精度的影响，首先需要消除滚珠丝杠螺距误差所引起的定位误差。利用激光测量仪和高精度光栅尺对滚珠丝杠的螺距误差进行了动态测量和分析。将测量得到的螺距误差中的周期性误差成份和渐进性误差成份分别提取出来并拟合为误差曲线，基于此通过前馈误差补偿的方法减小了螺距误差对工作台定位精度的影响。 摩擦力的测量与识别是一项艰巨的任务，传统的测量方法在数控工作台中难以实现，为此，设计了一种新的应变式扭矩传感器，用于测量交流伺服电机的传递扭矩，通过分析交流伺服工作台的进给系统数学模型，建立了机械传动的动力学方程及交流电机的矢量控制模型，进一步导出了通过传递扭矩信号计算工作台摩擦力的数学表达式：采用所设计的扭矩传感器进行了扭矩测量实验，运用信号处理技术对实验结果进行了分析处理；利用得到的摩擦力数据对Stribeck摩擦模型的参数进行了辨识。 由于Stribeck摩擦效应，摩擦力状态由静摩擦区域向动摩擦区域转变的过程中存在一阶不连续的状况，这种现象必然会在驱动力矩和伺服电流中有所体现，即