基于滚珠丝杠的大行程纳米定位系统建模和控制技术研究

摘要

超精密加工与纳米加工技术是现代制造技术的前沿，随着加工精度的不断提高，对超精密加工机床的性能要求也随之提高。伺服定位系统是超精密机床的核心部件，其性能直接决定了超精密机床的加工精度。超精密加工技术的持续发展，要求伺服定位系统能够在数百毫米的行程范围内实现纳米级的定位分辨率。由于机械摩擦的影响，基于滚珠丝杠的纳米定位系统的行程一般比较小。采用双重驱动或者静压技术可以获得大行程的纳米定位，但是系统非常复杂和昂贵。
　　本文通过对超精密滚珠丝杠驱动机构的机械结构、摩擦特性进行理论和实验研究，推导控制器算法，建立了计算机闭环控制定位系统，采用单个控制器实现了大行程纳米定位，避免了摩擦辨识和补偿以及双模控制策略的应用。该研究为纳米定位技术的实现提供了一个经济可靠的手段，对于超精密定位系统的研究和应用具有重要的理论意义和实用价值。
　　本文首先设计和组建了基于滚珠丝杠副的定位系统，该系统采用 DC伺服电机驱动，直线滚珠导轨导向，滚珠轴承支撑，激光干涉仪测量反馈。通过结合实体单元和弹簧单元建立滚珠丝杠驱动机构模型，采用有限元方法对机械系统进行动力学分析，包括模态分析和谐响应分析，得到了其低阶固有频率和在外扰动作用下的频率响应，为定位系统的设计和改进提供了理论指导和依据。
　　通过理论推导得到了滚珠丝杠驱动机构的线性数学模型，它可以很好的描述驱动机构在宏观运动范围内的动力学特性。然而，在微小的运动范围内，摩擦等非线性因素极大地影响定位系统的响应性能，是实现纳米定位的关键因素。通过微驱动特性实验和频率响应特性实验对系统在静摩擦阶段的运动特性进行研究，分析微动特性对定位精度的影响，辨识系统在微观范围内的动力学特性，建立了驱动机构微动特性的数学模型。为滚珠丝杠定位系统实现纳米定位提供了理论和实验依据。
　　闭环控制系统的结构和算法是定位系统设计的主要环节，对定位系统的性能起着决定性的作用。通过将摩擦等非线性因素作为系统的外部扰动，在定位系统的线性数学模型基础上，设计了高增益 PID闭环控制算法，并对其进行了理论分析和仿真。在此基础之上，编写了计算机控制程序，构建了计算机闭环控制系统，对大行程范围内纳米精度的点位控制进行了实验研究，实现了10nm～10mm范围内的阶跃响应。并对实验结果和定位系统的鲁棒性进行了分析。
　　由于存在功率放大器的饱和，采用抗积分饱和算法可以保证高增益 PID闭环控制滚珠丝杠定位系统的稳定性，却无法解决大幅值阶跃响应的超调现象。通过将轨迹规划思想和Bang-Bang控制理论与PID闭环系统结合起来，针对滚珠丝杠定位系统设计变结构控制来消除饱和导致的超调现象，实现了时间最优的无超调纳米定位。

目录

基于滚珠丝杠的大行程纳米定位系统建模和控制技术研究

RESEARCH ON MODELING AND CONTROL OF LONG RANGE NANOMETER POSITIONING SYSTEM BASED ON BALLSCREW

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的、意义

1.2 纳米定位技术的发展与现状

1.3 纳米定位的相关关键技术

1.4 本课题的主要研究内容

第2章 基于滚珠丝杠的纳米定位系统设计

2.1 引言

2.2 定位系统的组成

2.3 滚珠丝杠驱动机构的动力学分析

2.4 本章小结

第3章 滚珠丝杠驱动机构的建模

3.1 引言

3.2 驱动机构宏动特性的建模

3.3 驱动机构的摩擦特性

3.4 驱动机构的频率响应分析

3.5 本章小结

第4章 高增益PID闭环控制定位系统

4.1 引言

4.2 控制系统设计

4.3 抗积分饱和技术

4.4 离散控制器设计

4.5 实验和仿真结果

4.6 仿真和实验结果分析

4.7 闭环系统鲁棒性分析

4.8 本章小结

第5章 无超调纳米定位系统的实现

5.1 引言

5.2 超调的机理

5.3 含轨迹规划的定位系统

5.4 时间优化变结构控制定位系统

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士期间发表的论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历