X-Y工作台定位误差动态测量与补偿系统的研究

论文摘要

随着高精密加工技术的不断发展,人们对机床的加工精度提出了越来越高的要求。而机床的定位精度是影响其加工精度的主要因素之一,所以如何方便实用的提高机床的定位精度成为现在各个方面都在研究的重要课题。特别是对于开环和半闭环数控系统,由于开环环节的存在,使得定位精度的进一步提高受到了限制。对于这类机床其定位精度主要取决于电机的控制精度与进给丝杠的加工精度,以及受导轨副和丝杠副的摩擦和热变形等因素的影响。本研究课题主要从螺距丝杠累积误差的动态测量与补偿这个角度来提高数控机床的定位精度,从而满足人们对数控机床越来越高的加工精度要求。本文首先综述了国内外电机运动控制算法的研究现状及最新发展,以及螺距滚珠丝杠误差的动态测量及补偿方法的有关研究。电机的控制精度对螺距丝杠累积误差的动态测量影响非常大,要想准确的测量出丝杠的螺距累积误差,首先应该解决X-Y工作台的控制问题。常规PID控制算法因其原理简单,使用方便,鲁棒性较强,在工业过程控制中得到了广泛的应用,并取得了良好的应用效果。但它仅适用于线性系统,而实际工业生产过程中往往具有非线性、时变不确定性,应用常规的PID控制不能达到理想的控制效果。现代控制理论如模糊控制、神经网络控制等智能控制算法还处于仿真阶段,在线调整比较困难,很难在线实现高精度控制。综合分析,本文决定对原有PID控制算法进行改进来提高系统的控制精度,从而减小控制对定位精度的影响。积分分离PID控制算法既能消除系统的稳态误差,又能提高系统的响应速度,减小超调,并且在线调整也比较简单。仿真和实验结果都证明该控制方法能有效地减小X-Y工作台系统的超调和振荡,提高稳态精度。滚珠螺距丝杠的累积误差是影响X-Y工作台定位精度的主要因素。要想减小它对定位精度的影响,首先应该正确的测量出它的数值,并采取合适的方法进行补偿。现在常用的动态测量仪器主要是高精密的长光栅,但由于安装等各方面因素的影响,测量时存在较大的平行度误差。而激光测量仪较精密长光栅具有动态响应好、平行度误差较小等优点,所以本课题选用激光测量仪代替精密长光栅进行螺距丝杠累积误差的动态测量和分析。并基于此通过前馈补偿的方法减少螺距丝杠累积误差对工作台定位精度的影响,提高工作台的定位精度。实验结果证明该方法能准确的测出丝杠的累积误差,从而能够进行正确的误差补偿,提高工作台的定位精度。

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 国内外研究现状
• 1.2.1 控制理论的发展和研究现状
• 1.2.2 丝杠导程误差测量技术研究现状
• 1.2.3 误差补偿技术的研究现状
• 1.3 本论文的主要研究内容
• 第2章 X-Y工作台软、硬件系统设计
• 2.1 引言
• 2.2 X-Y工作台硬件系统设计与装调
• 2.3 X-Y工作台软件系统设计
• 2.4 本章小结
• 第3章 新型动态激光测量仪的原理与应用
• 3.1 引言
• 3.2 X-Y工作台定位误差常用的动态测量工具简介
• 3.2.1 磁栅
• 3.2.2 光栅
• 3.2.3 新型激光测量仪
• 3.3 激光测量仪动态测量及其结果分析
• 3.3.1 实验系统简介
• 3.3.2 激光测量仪动态测量前实验系统的调试工作
• 3.3.3 激光测量仪动态测量结果及分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 工作台单轴系统的动力学系统建模及其仿真研究
• 4.1 引言
• 4.2 X-Y工作台的数学模型
• 4.3 常用 PID控制算法的改进方法
• 4.4 积分分离 PID控制算法
• 4.4.1 积分分离 PID控制算法基本原理
• 4.4.2 积分分离 PID控制算法的仿真实验
• 4.5 本章小结
• 第5章 X-Y工作台定位误差动态测量方法研究与分析
• 5.1 引言
• 5.2 X-Y工作台螺距误差的动态测量及误差分析
• 5.2.1 螺距误差动态测量原理
• 5.2.2 积分分离 PID控制算法在 X-Y实验台上的应用
• 5.2.3 螺距误差动态测量结果与误差分析
• 5.3 本章小结
• 第6章 X-Y工作台定位误差补偿方法研究与分析
• 6.1 引言
• 6.2 误差前馈补偿控制原理及算法分析
• 6.3 定位误差补偿控制算法的实现与结果分析
• 6.3.1 前馈补偿控制算法的实现
• 6.3.2 误差前馈补偿结果与分析
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文和奖励情况
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表