音圈电动机驱动的快速精密定位系统设计与控制方法研究

针对传统驱动方式在快速定位方面的不足,研制了一种基于音圈电动机驱动的快速精密定位系统,并对定位系统的关键部件———气浮滑块进行了承载力和刚度分析;设计了仿球形联轴器,能够满足音圈电动机和气浮滑块的高精度联接要求;研究了快速定位系统的控制方法,通过PID预测补偿、模糊预测补偿来修正定位误差;在此基础上,对快速精密定位系统的综合性能进行了测试。实验结果表明所设计的定位系统能够满足高精度和高频响的运动要求。     

音圈电机驱动的快速定位系统运动建模与参数辨识

针对传统驱动方式在快速定位方面的不足,本文研制了一种基于音圈电机驱动的快速精密定位系统,对其机电耦合特性进行了深入分析,建立了快速定位系统在大行程、高加速度下的传递函数模型;在此基础上,进行了最小二乘法和levy法参数辨识,并通过定位实验对辨识结果进行了分析和比较,为控制器优化设计、提高系统定位精度提供了很好的参考。     

基于音圈电机的新型高速精密定位系统设计方法

设计了一种基于直线音圈电机直接驱动并采用新型弹性解耦机构的高速高精度XY精密定位平台。详细介绍了该装置的结构形式和动态设计方法,并对研制样机进行了性能测试。测试结果表明,该新型精密定位平台具有很高的速度、加速度和精度,能够适应集成电路封装业发展对封装设备提出的新要求。     

宏微双级驱动精密定位平台的建模与控制

为实现定位系统在大行程中高精度定位,设计了一种宏微双级驱动精密定位平台。采用金属波纹管直接驱动宏动平台,实现了系统大行程进给。安装在宏动平台上的音圈电机驱动微动平台,补偿宏动平台产生的误差并实现系统的高精度定位。采用双光栅检测方案,增量式光栅反馈宏动平台的位置信号,绝对式高精度光栅反馈微动平台的位置信号,实现二级精密驱动定位系统的全闭环控制设计。分别对宏动平台和微动平台建立数学模型,提出宏动平台带前馈的PID闭环控制和微动平台的神经网络PID复合控制方案。实验结果表明:该定位系统能满足大行程高精度的定位要求,在50mm的行程中重复定位精度能达到0.6μm。     

基于DOB和ZPETC的PWM驱动快速反射镜控制方法研究

针对高精度音圈电机快速反射镜PWM驱动方法存在的问题,对快速反射镜控制方法进行了研究。设计了基于干扰观测器(disturbance observer,DOB)和零相差跟踪控制器(zero phase error tracking controller,ZPETC)相结合的鲁棒控制方法。通过系统辨识实验建立了音圈电机快速反射镜的动态模型,利用半实物仿真平台对控制系统的动态性能进行了测试,给出了被控对象的实验记录测量数据及其开环幅频特性曲线bode图。研究结果表明,基于干扰观测器和零相差跟踪控制器的控制方法补偿了外部扰动、模型不确定性以及机械非线性等因素对控制系统性能的影响,系统带宽达到150 Hz以上,快速反射镜伺服系统能够满足光电跟踪系统对快速反射镜的快速性和高精度要求,新方法在性能上有显著的提高,在实际工程中具有较高的应用价值。     

X-Y精密定位平台的敏感函数逆前馈补偿控制

针对音圈电机驱动的X-Y定位平台中稳态误差导致的系统定位精度较低的问题,提出了基于敏感函数逆的前馈补偿控制方法。首先,采用频域辨识方法建立了系统模型,基于终值定理推导出系统扰动和稳态误差的关系,并由此设计了敏感函数的逆模型来补偿扰动对稳态误差的影响,从而提高系统精密定位性能。最后,在搭建的音圈电机驱动X-Y定位平台上进行了不同运动行程的实验研究。实验结果表明:在行程为10μm,最大加速度为6mm/s2的微定位运动条件下,补偿后的定位误差可由2μm降低到0.2μm;在行程为10mm,最大加速度为6m/s2的宏定位运动条件下,定位误差可由2μm降低到0.4μm。实验结果验证了本方法的有效性,为后续高精密伺服系统的研制提供了重要参考和设计依据。     

基于音圈电机驱动的精密定位系统

对研制用于快刀加工的精密定位系统，分析其数学模型，研究其控制策略。该系统采用音圈电机直接驱动，空气静压导轨支撑，光栅尺实时检测。所设计的系统达到50mm行程上0．5μm定位精度以及100Hz以上的响应速度。     

长行程精密定位平台的设计

音圈电机与柔顺机构的结合，设计了一个在固定运动范围内具有高精度定位能力的精密定位平台，分析了平台参数的确定方法。给出了提高定位平台稳定性的措施。     

音圈电机驱动的球面副支撑式快速控制反射镜设计

为了精确控制光束的传输方向,设计了一种以直线式音圈电机为驱动器的球面副支撑式快速控制反射镜(FSM).在明确所需FSM系统功能和设计要求的基础上,分别对其机械结构、平面反射镜、驱动元件以及角度测量元件进行了设计和选择.完成精密加工、装配、调试后,对FSM系统进行了实验测试分析.结果表明,该球面副刚性支撑式FSM系统结构...     

电磁驱动柔顺微定位平台闭环频域逆迭代学习控制

为了克服音圈电机电磁驱动柔顺微定位平台在大行程范围内存在的低阻尼谐振和动力学特性差异等问题,利用综合数据驱动频域逆迭代前馈补偿和含相位超前校正PI反馈控制的复合闭环频域逆迭代学习控制方法对其进行高速高精控制。首先,搭建了音圈电机驱动双平行四边形柔性机构微定位系统,并针对不同工作点位进行了动力学模型辨识。然后,为提高系统相对稳定性,设计了含相位超前校正环节的PI反馈控制器。同时,利用输入输出数据对系统频响函数进行在线逆估计并进行前馈补偿,来进一步消除谐振的影响。最后,利用所提出的控制方法进行了跟踪实验并与其它方法进行了对比。实验结果表明,提出的控制方法对三角波期望轨迹的最大跟踪误差为0.175%,相比于PID控制、相位超前PI控制、传递函数逆模型前馈控制,跟踪均方根误差分别减少了8.75,5.43和2.21倍,能够较好满足大行程微纳米定位跟踪精度高、速度快、抗干扰能力强的要求。     

主动静压气体润滑支承的研究进展

主动静压气体润滑支承可提高其承载力、动刚度和抗扰动能力,成为近期流体润滑学术界的研究热点问题。综述真空预载、电磁预载和压电主动控制的静压气体润滑支承研究现状,分析压电主动控制的静压气体润滑支承的研究进展以及存在的问题,指出主动固有节流器、主动控制节流器或气膜形状可控节流器相结合的主动气体润滑支承,是静压气体润滑支承研究的重点和未来主要发展方向。     

Static tilt characteristics of aerostatic rectangular double-pad thrust bearings with compound restrictors

Aerostatic rectangular thrust bearings with compound restrictors have often been used in ultra-precision machine tools and precision measuring equipment because high bearing stiffness is easily achieved. Compound restrictors combine a feed-hole restrictor with a groove compensation restrictor. This paper investigates, theoretically and experimentally, the static tilt characteristics of aerostatic rectangular double-pad thrust bearings with compound restrictors, when coupled loads or offset loads are applied. Furthermore, the usefulness of aerostatic thrust bearings with compound restrictors is clarified by comparison with the characteristics of conventional aerostatic thrust bearing with feedhole restrictors.     

静压气浮溜板的振动主动控制系统研究

静压气浮溜板主要用在超精密加工机床中,它的振动将通过刀架直接反映到被加工工件表面,影响工件的表面质量。采用自行研制的空气作动器作为执行器,以实现无摩擦接触;采用神经网络-PID控制策略,通过BP神经网络在线学习调整PID控制参数,实现最佳参数组合。实验结果表明气浮溜板的振动主动控制系统是可行性的和有效性的。     

Double-integrator control for precision positioning in the presence of friction

In order to achieve good performance in precision positioning systems where friction is present, a straightforward approach is using single-integrator controllers to suppress the effect of friction. In this paper, double-integrator (DI) control, in which two integrators are involved, is proposed to enhance controller gain at lower frequencies. A new integral anti-windup scheme is developed for the DI control and is shown to be effective. Performance of a DI controller is compared with that of a proportional-integral-derivative controller (I-PD) and a pole-placement-with-integration controller (PPI) by experiment on a slide system driven by a dc motor. In the system, the dc motor has brushes that give rise to friction, and all other frictional contacts are removed by frictionless aerostatic support. Because of the unmodeled high frequency dynamics caused by aerostatic dynamics, closed-loop bandwidth with the I-PD controller is limited at a lower value than in the cases with the DI and PPI controllers. With the three controllers having parameters for similar closed-loop bandwidths, the DI controller gives uniform closed-loop responses to step inputs of different heights, while for the other two controllers the responses are obviously dependent on the height of the step inputs.     

Compensation of rotor imbalance for precision rotation of a planar magnetic bearing rotor

Magnetic bearings provide an alternative for achieving precision rotation. But the rotational accuracy is sensitive to rotor imbalance. The system we study is a planar rotor supported by aerostatic suspension and positioned by a radial magnetic bearing of nanometer precision. We present compensation designs and experiment results for precision rotation about the geometric center and the mass center, respectively. In the former case, the base harmonic component at each sensor output is removed by explicit trigonometric compensation signals that are constructed in real time. In the latter case, a new double-loop compensation design is given. Each compensation loop is similar to that in the former case. The compensation, aided by a variable rotational speed that is changed up and down repeatedly, is shown to push the rotational center to approach the mass center. Once the mass center is reached, the rotor remains to rotate about the mass center at variable rotational speed without transient. Compared with the existing methods, which find the mass center or inertial axis at a fixed rotational speed and rely on exact values of plant parameters, our method may locate the mass center more accurately. Experiment data indicate that the mass center is located with an error of tens of nanometers.     

Precision positioning of a DC-motor-driven aerostatic slide system

This paper deals with precision positioning in the presence of friction. The object studied is an aerostatic slide system driven by a DC motor with brushes that introduce friction to the system. For such systems, models that do not account for friction can only be used to describe the macrodynamic behavior. The microdynamic behavior is significantly different. Instead of designing two controllers for the different dynamics, a single-step precision positioning using a high-gain controller designed according to the macrodynamics alone is proposed. A proportional-integral-derivative (PID) controller with finite-gain derivative and a modified anti-windup integral reset is designed. Controller parameters are obtained by pole placement rather than manual tuning or other rules of thumb. Identification of the microdynamics is avoided. Single-step precision positioning and uniform response to different sizes of step input are achieved. This method is particularly effective when the friction has uncertainty. Experimental and simulated results indicate that the PID controller can provide a sufficiently high loop gain. In point-to-point positioning for step inputs from millimeter size down to submicrometer size, the positioning error is within ±2 nm and the response dynamics is satisfactory.     

整体闭式与开式气浮导轨静态性能对比分析

静压气浮导轨是精密气浮工作台的重要组成部件,其承载能力和刚度直接影响了工作台的平稳性以及所加工零件的精度。针对所设计的精密高刚度二维气浮工作台,提出采用有限差分的数值计算方法,在双边间隙总和与供气压力相同的条件下,对整体闭式及开式气浮导轨的气浮面进行整体求解计算,对比分析其压力分布、承载能力、刚度等静态性能参数。结果表明:由于闭式气浮导轨的下气浮块在垂直方向上起到了辅助支撑的作用,形成了四周封闭的气膜面,因此增强了闭式气浮导轨的紧密性和可靠性,使得整体闭式气浮导轨的刚度和稳定性均优于开式气浮导轨;实验结果与理论分析较吻合,为此类精密定位平台的设计优化提供了理论依据。     

基于混合驱动的大行程快速刀具伺服设计与控制

为获得高精度大行程快速刀具伺服（Long-range fast tool servo,LFTS）系统,以柔性铰链为运动导向机构,提出一种基于洛伦兹电磁力与压电混合串联驱动的LFTS系统构成策略。对于该混合驱动,基于洛伦兹力的音圈电机用于实现大行程运动,而高频响压电则对其进行高精度动态补偿。针对压电驱动,为提高系统输出刚度及寄生运动抑制能力,提出一种改进的具有完全对称构型的桥式柔性放大机构。两种驱动的垂直布置构型及压电驱动的完全对称性有效降低了驱动间动力学耦合。基于试凑法和智能优化算法,结合机-电-磁理论模型分别优化获得了音圈电机及压电驱动系统关键参数,并采用有限元仿真验证了设计的正确性。为获得高精度运动跟踪,提出音圈电机开环逆动力学控制及压电驱动闭环补偿LFTS整体运动误差的控制策略,借助所辨识系统动力学模型最优设计了相应控制器。最终,通过试验样机开闭环性能测试,验证了系统设计与控制策略的有效性。     

基于ANSYS数控车床静压气体轴承主轴的模态分析

针对气体静压轴承支撑的精密数控车床主轴系统工作高精度的要求,在机床工作过程中,主轴高速旋转,静压气体轴承的支撑刚度随着转速动态变化。为了了解主轴工作过程中的动态特性,应用Pro／E软件对主轴进行三维建模,并用ANSYS对其进行模态分析,得到各阶固有频率和振型。掌握数控车床主轴各阶振动模态的特点,有利于气体轴承支持下的数控车床主轴结构设计,为机床的进一步研究及优化提供理论依据。