非圆车削系统中刀具的精密定位技术研究

论文摘要

结合浙江省自然科学基金项目“高频响高精度非圆切削系统的新构型研究”(Y107792)和宁波市自然科学基金项目“压电材料在非圆精密车削中的应用基础研究”(2008A610037),本学位论文进行了非圆车削系统中刀具精密定位技术的研究。针对课题的研究任务,在分析国内外精密定位技术研究现状的基础上,采用理论分析、数值计算、模拟仿真与实验研究相结合的研究方法,完成了非圆车削系统总体方案与专用刀架结构的设计,测试了压电陶瓷微位移执行器的输出特性并建立了执行器致动模型,采用模糊PID控制算法完成了控制器设计,搭建了刀具的精密定位系统实验台并进行了相关实验研究。第一章,阐述了论文的研究背景与意义,介绍了非圆车削技术的发展阶段,精密定位技术的实现方法和国内外学者在非圆车削领域的研究情况。第二章,在分析国内外研究现状的基础上完成了非圆车削系统的总体方案设计,并介绍了所应用的主要仪表器件及其技术指标。第三章,介绍了压电执行器的性能及驱动原理,对压电执行器力和位移输出的静态和动态特性进行实验测试与分析,并建立了基于Duhem算子的执行器迟滞非线性模型。第四章,通过理论计算确定了柔性铰链和专用刀架结构的主要参数,建立了专用刀架的实体模型,对柔性铰链和专用刀架分别进行有限元分析,验证了理论设计的合理性,同时对其进行优化设计。第五章,通过研究刀具精密定位系统的传递函数,建立了系统的控制模型,研究了相应的控制算法,并对精密定位系统的PID控制器、模糊PID控制器和基于Duhem逆模型前馈的PID控制器进行Simulink仿真与分析。第六章,搭建了精密定位控制实验台,并进行了相关实验研究。实验结果表明:实测的刀具输出位移和理想的输出位移相对误差小于5%,实验曲线和理论曲线呈现很好的拟合,实现了非圆车削系统中刀具的精密定位控制。最后对论文的主要研究内容作了总结,并指出了需要进一步研究的工作。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 论文的研究背景
• 1.2 非圆车削加工方法的发展
• 1.3 刀具精密定位的实现方法
• 1.3.1 直线电机定位
• 1.3.2 液压伺服系统定位
• 1.3.3 超磁致伸缩驱动器定位
• 1.4 国内外研究现状
• 1.4.1 国外的研究概况
• 1.4.2 国内的研究概况
• 1.4.3 当前研究存在的问题
• 1.5 论文的研究意义
• 2 非圆车削系统的总体设计
• 2.1 非圆车削系统的设计方案
• 2.2 相关器件的选型
• 2.2.1 位移传感器的选型
• 2.2.2 数据采集卡的选型
• 2.2.3 执行器驱动电源的选型
• 2.3 本章小结
• 3 压电执行器输出特性测试及建模
• 3.1 位移传感器的标定
• 3.2 执行器静态输出特性测试与分析
• 3.2.1 静态输出位移特性
• 3.2.2 静态输出力特性
• 3.3 执行器动态输出特性测试与分析
• 3.3.1 动态输出位移特性
• 3.3.2 动态输出力特性
• 3.4 压电执行器的建模
• 3.4.1 执行器Duhem 迟滞模型的建立
• 3.4.2 执行器Duhem 逆模型的建立
• 3.5 本章小结
• 4 非圆车削系统的专用刀架设计与分析
• 4.1 柔性铰链的设计
• 4.1.1 柔性铰链的类型及特点
• 4.1.2 柔性铰链的理论计算
• 4.1.3 柔性铰链的有限元分析
• 4.2 专用刀架主体结构的设计
• 4.2.1 刀架主体位移放大机构的理论设计
• 4.2.2 刀架主体静态刚度的理论计算
• 4.2.3 专用刀架的几何模型
• 4.3 刀架主体结构的有限元分析
• 4.3.1 刀架主体结构的静力分析
• 4.3.2 刀架主体结构的动力学分析
• 4.4 本章小结
• 5 非圆车削系统中刀具精密定位控制研究
• 5.1 精密定位系统模型的建立
• 5.1.1 压电执行器传递函数
• 5.1.2 精密定位刀架传递函数
• 5.1.3 系统传递函数
• 5.2 PID 控制研究
• 5.2.1 PID 控制原理
• 5.2.2 PID 控制器设计
• 5.2.3 PID 控制器的Simulink 仿真
• 5.2.4 基于Duhem 模型的PID 控制仿真
• 5.3 模糊PID 控制研究
• 5.3.1 模糊PID 控制器设计
• 5.3.2 模糊PID 控制器的Simulink 仿真
• 5.4 本章小结
• 6 非圆车削系统中刀具的精密定位实验研究
• 6.1 精密定位刀架输出特性实验研究
• 6.1.1 刀架静态位移输出特性
• 6.1.2 刀架的动态响应特性
• 6.2 精密定位技术的实现
• 6.2.1 精密定位实验系统
• 6.2.2 精密定位实验效果
• 6.3 本章小结
• 7 结论与展望
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢