摘要： 提出了超精密機(jī)床伺服系統(tǒng)的雙?？刂品椒?，開發(fā)出基于該方法的新型閉環(huán)位置控制系統(tǒng)。該方法在不改變?cè)械目刂破鹘Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，可以有效地補(bǔ)償由于動(dòng)靜摩擦所引起的執(zhí)行機(jī)構(gòu)兄區(qū)非線性作用的影響，因此實(shí)現(xiàn)比較簡單 實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)在低速跟蹤時(shí)，采用該方法實(shí)現(xiàn)了最大跟蹤誤差小于±0．1μmc 關(guān)鍵詞：超精密機(jī)床 雙模控制 死區(qū)非線性 Alert-net： The two mode control method is presented for the servo system of precision machine tool and the flew closed position control system based on that method is developed．This method can compensate for the effect of actuator‘9 non——linear dead zone subjected to two kind of friction without changing the configuration of original controller，so it is easy to he implemented．By applying the control method to the practical system．the maximum trace error remains under±lμ0 m in the closed～loop positioning system ． KeywordS：precision machinetool；dual mode control；lionnear dead zone 超精密機(jī)床在正常工作狀態(tài)下，工作臺(tái)的進(jìn)給速度僅為5ram／rain，這就要求超精密機(jī)床伺服系統(tǒng)具有極佳的低速特性。但由于支撐部件、傳動(dòng)部件存在的摩擦力的影響，尤其是接觸表面間動(dòng)、靜摩接力矩之差相當(dāng)于使執(zhí)行機(jī)構(gòu)存在死區(qū)，從而造成系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)不平滑和較大的穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差。因此，為解決上述問題，本文提出了一種變模態(tài)控制方法，即在死區(qū)非線性環(huán)節(jié)的作用范圍之外，采用常規(guī)的控制方法；而在非線性影響之內(nèi)，在原有的控制器的基礎(chǔ)上附加一控制項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)償，可使系統(tǒng)對(duì)由于非線性因素產(chǎn)生的位移偏差進(jìn)行有效的校正，從而保證數(shù)控機(jī)床較好的低速性能。 1 系統(tǒng)的組成及常規(guī)控制器的設(shè)計(jì)超精密機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)由交流伺服電機(jī)+滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)位置伺服進(jìn)給，由雙頻激光干涉儀實(shí)現(xiàn)位置檢測(cè)，采用空氣靜壓導(dǎo)軌和氣浮工作臺(tái)降低傳動(dòng)過程中摩攘力的影響，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：對(duì)于本文使用的交流伺服驅(qū)動(dòng)單元，采用了速度閉環(huán)調(diào)速結(jié)構(gòu)，速度環(huán)采用了P型調(diào)節(jié)器。其中，度環(huán)中的Kτ 代表力矩常數(shù)。則位置伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型如圖2所示。圖中，D（s）為位置控制器， Tυ為系統(tǒng)的干擾力矩，它主要由摩擦轉(zhuǎn)矩和電機(jī)本身的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)所引起的。力矩常數(shù)Tυ為16N（ra／v），測(cè)速機(jī)比例系數(shù)Cε為0．796V／Rad／s，速度調(diào)節(jié)器比例系數(shù)Kτ為32s～ 。滾珠絲杠傳動(dòng)系數(shù)Kτ為0．8ram／rod。Kd代表激光干涉儀的電路放大倍數(shù)，由于激光干涉儀的測(cè)量電路 頻響高，將其作為比例環(huán)節(jié)， Kτ為1。R為輸入信號(hào)，代表工作臺(tái)位置輸出。建模中將工作臺(tái)可能存在的高頻振蕩模態(tài)作為末建模動(dòng)態(tài)特性處理。為了獲得系統(tǒng)的實(shí)測(cè)模型，利用頻率法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行辨識(shí)。從電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)單元的速度環(huán)輸入端輸入正弦掃頻信號(hào)，輸出位移由激光干涉儀讀取，辨識(shí)得到圖2所示的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為: 由辨識(shí)得到的開環(huán)傳遞函數(shù)可算出，負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=2．32kg·m[sup]2[/sup] 。本系統(tǒng)為一型系統(tǒng)，對(duì)這類控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般歸結(jié)為如何將系統(tǒng)設(shè)計(jì)成寬帶寬、高剛度伺服系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)較快的響應(yīng)速度和較強(qiáng)的抗干擾能力,本文中D（s）采用了 k（ Tδ+1）／s的形式的控制器，由于D（s）中含純積分環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的靜態(tài)伺服剛度為無窮大，所以系統(tǒng)可以有效地抑制電機(jī)軸上階躍干擾力矩的影響。系統(tǒng)較好的阻尼特性可通過調(diào)整參數(shù)而獲得。折衷考慮系統(tǒng)的響應(yīng)速度、躁聲誤差和未建模動(dòng)態(tài)特性的影響，本文將系統(tǒng)的帶寬設(shè)計(jì)為10Hz，最后可確定控制器為： 2 死區(qū)補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì) 由于靜摩擦力矩的存在，使系統(tǒng)在靜止到運(yùn)動(dòng)過程中執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有死區(qū)非線性作用。設(shè)塒 為最大靜摩擦力矩所對(duì)應(yīng)的功放的死區(qū)電壓， K為，D（s ）中的比例系數(shù)， 為位置偏差量。則死區(qū)的作用范圍可由下式確定： 雙?？刂蒲a(bǔ)償摩擦力矩的設(shè)計(jì)思想是在死區(qū)范圍之外采用常規(guī)控制器，D（s），在接近死區(qū)時(shí)采用死區(qū)補(bǔ)償控制器，切換動(dòng)作由決策機(jī)構(gòu)執(zhí)行，雙?？刂破髟韴D如圖3所示。死區(qū)補(bǔ)償控制器是在常規(guī)控制器的基礎(chǔ)上附加一個(gè)補(bǔ)償項(xiàng)M （e）進(jìn)行補(bǔ)償。設(shè)常規(guī)控制器產(chǎn)生的控制電壓為村。M[sub]0[/sub]（e），則實(shí)現(xiàn)死區(qū)補(bǔ)償?shù)目刂扑惴椋? ε>0，是一個(gè)選取的小量。這樣附加控制項(xiàng)M[sub]c[/sub]（e）在接近于死區(qū)的范圍內(nèi)eτ≤e≤eπ起作用，e的選擇可使產(chǎn)生的控制力矩超過靜摩擦力矩，以使系統(tǒng)達(dá)到期望的平衡狀態(tài)。 3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 為驗(yàn)證本文提出的雙模控制方法的有效性，將其數(shù)字化實(shí)現(xiàn)后分別應(yīng)用于HCM一1型超精密機(jī)床伺服系統(tǒng)中，該機(jī)床采用美國Parker公司DM1050A交流力矩伺服電機(jī)和日本東京精密公司生產(chǎn)的L—Im一20B型雙頻激光干涉儀，其檢測(cè)分辨率5nm。實(shí)測(cè)功放的死區(qū)電壓為0．4V，則e￡=0.0014mm，eH=0．0014ram。取s=0．0001mm，采用斜坡信號(hào)作為輸入，跟蹤速度為5mm／min，測(cè)得的跟蹤誤差曲線如圖4中曲線1所示。圖4中曲線2為只加入常規(guī)控制器 無死區(qū)補(bǔ)償控制器時(shí)的跟蹤誤差曲線。從圖中可以看出，采用雙?？刂品椒?，可以很大程度上消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差，實(shí)現(xiàn)低速下的平穩(wěn)無差跟蹤。雙?？刂品椒梢栽趫?zhí)行機(jī)構(gòu)存在死區(qū)時(shí)使最大穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差不超過±0．1υm。 4 結(jié)論 超精密機(jī)床伺服系統(tǒng)中由于靜、動(dòng)摩擦力矩之差產(chǎn)生的執(zhí)行機(jī)構(gòu)死區(qū)非線性效應(yīng)是影響系統(tǒng)精度的主要因素。本文首先實(shí)測(cè)了系統(tǒng)模型，設(shè)計(jì)了常規(guī)控制器；然后通過分析死區(qū)作用特點(diǎn)，引人了死區(qū)補(bǔ)償控制算法；最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的雙?？刂品椒ǖ挠行浴? [參考文獻(xiàn)】 [1]Y．S．Tarng+and H.E.Cheng+．An Investigation of Stick—sHp Friction on the Contouring Accuracy of CNC Machine Tools.Int J Mach.Tools Manufaet．Vo．35．No．4.1999： [2]吳廣玉．系統(tǒng)辨識(shí)與自適應(yīng)控制．哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1987 [3]王廣雄．控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)宇航出版社，1992 點(diǎn)擊此處下載原文