基于直线电机的气浮工作台进给控制技术研究

摘要

超精密加工技术作为衡量一个国家制造技术水平的重要标志，受到了世界各国的高度重视。超精密零件尤其是超精密光学元件，在航天、国防等尖端领域具有非常重要的战略意义。
　　超精密加工机床进给控制系统不同于一般的机床进给控制系统，它要求很高的精度和刚度以及低速平稳性能。本文针对大口径光学晶体专用超精密加工机床进给控制系统的要求，采用永磁直线电机作为气浮工作台的驱动装置，以高精度光栅尺作为位置反馈元件，完成了满足光学晶体超精密加工要求的进给控制系统。
　　首先，基于永磁直线电机的工作原理，建立了其数学模型，设计了直线电机的电流/速度双闭环控制系统，通过仿真验证了所用永磁直线电机的高性能，分析了外界干扰力对控制系统速度的影响。
　　其次，在仿真和分析的基础上，建立了基于UMAC的光学晶体超精密加工机床直线电机进给控制系统，通过合理的选择控制参数，得到了进给控制系统良好的动态特性。并基于UMAC提供的数据采集软件，完成了进给控制系统的微位移和低速平稳性实验，得到了良好的效果。
　　最后，根据光学晶体加工机床的要求，编写了控制系统PLC程序、电机运动程序以及基于VC++的人机交互界面，实现了机床加工中的各种功能。通过对光学晶体的单点金刚石车削实验，得到了良好的表面粗糙度，从而证明了该控制系统可以很好地满足光学晶体超精密加工机床的要求。

目录

硕士学位论文

基于直线电机的气浮工作台进给控制技术研究

RESEARCH ON FEED CONTROL TECHNOLOGY OF AIR BEARING WORKTABLE BASED ONLINEAR MOTOR

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 课题的来源及研究的目的与意义

1.2 超精密加工机床的发展现状

1.3 直线电机直接驱动技术

1.4 直线电机驱动技术在机床上的应用

1.4.1 国外研究现状

1.4.2 国内研究现状

1.5 主要研究内容

第2章 永磁直线电机控制系统建模与仿真

2.1 永磁直线电机控制系统建模

2.1.1 永磁直线电机的数学模型

2.1.2 直线电机双闭环控制系统数学模型

2.2 直线电机PID控制系统设计

2.2.1 直线电机PID控制系统的电流环设计

2.2.2 直线电机PID控制系统的速度环设计

2.2.3 直线电机PID控制系统的抗干扰设计

2.3 基于Matlab/Simulink的控制系统仿真

2.3.1 直线电机性能仿真

2.3.2 控制系统动态特性仿真

2.4 本章小结

第3章 基于UMAC的直线电机的控制系统设计

3.1 控制系统总体结构

3.1.1 直线电机

3.1.2 光栅尺

3.1.3 运动控制器

3.2 基于UMAC的直线电机控制系统调试

3.2.1 电机的控制模式

3.2.2 UMAC的数字PID位置伺服滤波器

3.2.3 控制系统PID参数整定

3.2.4 控制系统速度/加速度前馈参数整定

3.3 直线电机进给控制系统的性能测试

3.3.1 控制系统的微位移实验

3.3.2 控制系统的低速平稳性实验

3.4 本章小结

第4章 控制系统程序设计及人机界面开发

4.1 控制系统PLC程序设计

4.1.1 UMAC的PLC程序

4.1.2 PLC程序的执行

4.1.3 PLC的触发方式

4.1.4 PLC定时器

4.1.5 PLC程序设计流程

4.2 电机运动程序设计

4.2.1 直线电机的进给运动设计

4.2.2 直线电机回零运动程序设计

4.3 控制系统辅助功能

4.3.1 硬件超行程限制开关

4.3.2 软件超行程限位

4.3.3 速度/加速度及跟踪误差极限限制

4.4 基于VC++6.0的控制系统人机界面开发

4.4.1 VC++与UMAC的通讯

4.4.2 控制系统人机交互界面（MMI）的设计

4.4.3 控制系统软件的模块化开发

4.5 光学晶体加工实验

4.5.1 实验条件

4.5.2 实验过程

4.5.3 实验结果与分析

4.6 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢