基于力矩测量的交流伺服工作台摩擦识别与补偿控制

论文摘要

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

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景、目的和意义
• 1.2 摩擦及控制研究的发展现状
• 1.2.1 摩擦特性的研究
• 1.2.2 摩擦模型研究状况
• 1.2.3 摩擦控制策略研究状况
• 1.2.4 伺服进给工作台系统中的摩擦控制研究
• 1.3 论文的选题依据
• 1.4 论文的主要研究内容及组织结构
• 第2章 滚珠丝杠螺距误差动态测量与补偿
• 2.1 概述
• 2.2 基于激光多普勒测量仪的螺距误差动态测量及误差分析
• 2.2.1 实验系统介绍
• 2.2.2 螺距误差动态测量原理
• 2.2.3 螺距误差测量结果和误差分析
• 2.3 滚珠丝杠螺距误差的动态补偿
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于扭矩信号测量的摩擦识别研究
• 3.1 交流伺服系统实验设备介绍
• 3.2 测量传递扭矩的传感器设计
• 3.2.1 集流环式扭矩传感器及测试实验
• 3.2.2 静动态扭矩传感器
• 3.3 交流伺服进给系统摩擦识别数学模型
• 3.3.1 工作台机械传动机构动力学模型
• 3.3.2 交流伺服电机矢量控制数学模型
• 3.4 传递扭矩测量实验及摩擦识别
• 3.4.1 传递扭矩测量实验及结果分析
• 3.4.2 滤波器设计及信号处理
• 3.5 摩擦模型参数辨识及仿真研究
• 3.5.1 Stribeck摩擦模型参数辨识
• 3.5.2 基于 Stribeck摩擦模型的交流伺服系统仿真实验
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于传递扭矩和伺服电流的摩擦特征信息研究
• 4.1 矢量控制下驱动力矩和伺服电流之间的关系
• 4.2 扭矩信号和伺服电流信号中奇异点存在性分析
• 4.3 小波分析检测奇异点原理
• 4.3.1 信号的奇异性
• 4.3.2 小波变换与奇异性判定
• 4.4 扭矩信号和电流信号中奇异点的实验研究
• 4.4.1 实验装置
• 4.4.2 奇异点检测及分析结果
• 4.5 静、动摩擦区域转变的判定依据
• 4.6 奇异点发生时刻与加速度之间关系的实验验证
• 4.7 本章小结
• 第5章 基于粘弹性理论的摩擦建模研究
• 5.1 摩擦接触表面微观结构分析
• 5.2 基于粘弹性材料假设的摩擦建模
• 5.2.1 预滑动摩擦模型
• 5.2.2 滑动摩擦模型
• 5.2.3 综合摩擦模型
• 5.3 基于摩擦模型反馈补偿的仿真实验
• 5.4 本章小结
• 第6章 交流伺服工作台的爬行分析及补偿控制
• 6.1 概述
• 6.2 工作台的爬行模型分析
• 6.2.1 工作台爬行物理模型
• 6.2.2 工作台爬行数学模型
• 6.3 爬行临界速度的估计
• 6.4 工作台爬行现象的实验研究
• 6.4.1 工作台爬行实验装置
• 6.4.2 爬行实验结果及分析
• 6.5 基于摩擦补偿的工作台爬行控制
• 6.5.1 滑模变结构控制简介
• 6.5.2 交流伺服工作台的简化数学模型
• 6.5.3 变结构控制和摩擦前馈补偿的组合控制策略
• 6.5.4 基于摩擦补偿控制的仿真研究
• 6.5.5 实验研究
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表