模辊超精密加工机床动态特性研究及其控制系统设计

摘要

微结构功能表面由于表面具有特定的拓扑结构,可以传递材料的物理、化学和光学性质,在光学系统、流体减阻、聚光光伏系统等领域有着广泛应用,市场需求巨大。Roll-to-Roll超精密复制加工工艺是目前实现高精度、高效率、低成本制造微结构功能表面的主流技术之一。其工艺过程是使用表面具有超精密微结构的模辊作为模具在材料表面辊压成型并配以后续处理工艺,获得高精度微结构功能表面,因此模辊超精密加工机床的研制便成为这种加工方法的关键。由于模辊加工具有工件长径比大、加工效率要求高、精度要求高的特殊性,对加工机床的控制系统和动态性能提出了很高要求。因此,机床的控制系统设计和动态特性的研究具有重要的意义。
　　本课题首先完成了基于UMAC控制器的开放式数控系统设计和集成。在数控系统硬件选型、接口电路设计、电控逻辑设计中充分考虑到模辊超精密加工机床的特点,并设计了模辊超精密加工机床数控系统软件。
　　考虑到模辊超精密机床安装尺寸大并且细长的工件后其刚度变弱,本文建立了整机和导轨系统的有限元模型,通过模态分析获得整机和导轨的各阶固有频率和振型,为控制系统设计提供参考。机床进给系统采用了层叠正交式导轨结构,当下层导轨以大的加减速运行时,会对机床各部件产生冲击影响,这主要包括主轴和工件共同构成的弱刚度系统、上层导轨以及刀具系统。本文采用瞬态分析模拟下层导轨冲击对上述机床各关键部件的影响,并探究了各部件振荡的规律。
　　针对以上瞬态动力学分析得到的机床谐振规律,提出了在控制系统中设置陷波滤波器以降低系统在谐振频率周围的幅频特性的方法,从而减弱系统谐振,改善系统的动态性能。建立Z轴控制系统的数学模型,并通过MATLAB仿真验证系统加入陷波滤波器减弱谐振的可行性。

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第1章 绪 论

1.1课题来源及研究的背景和意义

1.2国内外在该方向的研究现状及分析

1.3本课题的主要内容

第2章 模辊超精密加工机床数控系统搭建

2.1 引言

2.2 模辊超精密加工机床整体结构

2.3 模辊超精密加工机床的硬件选型

2.4 基于UMAC的开放式数控系统结构及其接口电路设计

2.5 数控系统软件设计

2.6 本章小结

第3章 模辊超精密加工机床动力学分析

3.1 引言

3.2 影响控制系统带宽的因素

3.3 机床各部件模态分析

3.4机床的瞬态动力学分析

3.5 本章小结

第4章 运动控制系统设计及仿真

4.1引言

4.2 运动控制系统设计

4.3 运动控制系统仿真

4.4 控制系统配置陷波器

4.5本章小结

结论

参考文献

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