直线电机驱动二维精密定位工作台的运动特性研究

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1、分类号:TG70510710-2015231022专业硕士学位论文直线电机驱动二维精密定位工作台的运动特性研究赵青峰导师姓名职称程晓民教授陈永楠教授专业学位类别申请学位类别硕士材料工程及领域名称论文提交日期2018年4月30日论文答辩日期2018年5月23日学位授予单位长安大学ResearchonmotioncharacteristicsoftwodimensionalprecisepositioningworktabledrivenbylinearmotorAThesisSubmittedfortheDe

2、greeofMasterCandidate：ZhaoQingfengSupervisor：Prof.ChengXiaominProf.ChenYongnanChang’anUniversity,Xi’an,China摘要材料作为三大支柱产业之一，一直以来，各个国家都非常重视对它的研究。除材料本身性能外，其加工技术也至关重要。随着科技进步，人们对材料的加工精度和加工效率要求越来越高。为了满足这些更高要求，自然离不开现代化高端装备的支撑。工作台作为制造装备的核心部件，其精度和行程范围直接决定了制造装备的加工精度

3、和能力，运动性能直接影响装备的加工质量和效率，是决定加工系统好坏的重要部件。工作台的传统驱动装置为旋转电机，受限于速度、加速度、加工精度等，已逐渐不能满足更高的加工需求。直线电机由于速度和加速度大、定位精度高、运动行程不受限制等优点，将逐渐代替旋转电机成为未来精密加工领域的必然趋势。因此，研究直线电机驱动的工作台是未来精密加工领域的热点。本文旨在研究直线电机驱动二维精密定位工作台的运动特性，主要内容包括工作台的搭建、运动程序设计、控制系统调试、运动性能及精度研究等。从驱动、导向、检测、控制等方面对二维工作台

4、各部件进行了论述，最终确定电机选用U型空心式永磁同步直线电机，控制策略采用以PMAC控制卡为载体的PID+速度和加速度复合前馈+陷波滤波器的复合控制，直线滚动导轨作为导向系统、直线光栅尺用作检测。搭建好的二维工作台X、Y方向的有效行程分别为400mm和300mm，允许最大负载为10kg；设计出基于PMAC卡的运动程序，该运动程序由直线插补和圆弧插补组成，并获得与之相匹配的运动轨迹曲线；二维精密定位工作台采用基于PMAC的PID控制方法，具体控制策略为PID+速度和加速度复合前馈+陷波滤波器的复合控制。由经典

5、PID控制算法推导出两种数字PID控制算法，即位置式和增量式。对系统的开环特性进行了调试，并利用凑试法对系统的稳、瞬态特性进行调试，最终获得工作台X、Y轴的控制参数组合；以Y轴为例，在I230、I231、I232、I233、I235、I268六个控制参数整定值两边各选两个值，采用控制变量法，研究各参数变化对直线电机速度、位置以及加速度的影响，结果表明，每个控制参数变化均对电机运动性能有一定影响且影响规律有所不同。通过实验研究了0、3kg、6kg、9kg负载下，X、Y轴联动时的速度、位置、加速度变化情况，结果

6、表明，负载较小时，工作台X、Y轴的运动性能受影响不大，运动曲线基本重合，当负载继续增加时，在匀加速运动阶段，同一时刻，负载越大，速度越小，匀减速运动i阶段正好相反，此外，在匀加速运动结束处速度有一定超额量，随负载增大而增大；由加速度曲线可得，随负载增大，加速度波动越明显，说明运动过程越不稳定。利用正向匀加速运动阶段的加速度相对平均偏差对控制参数进行了优化，优化方法采用正交试验，并对优化结果进行了验证。结果表明，优化后X、Y轴加速度相对平均偏差值分别为8.89%、8.26%，比优化前更小，因此优化效果显著；依

7、据GB/T17421.2-2016，对工作台X、Y轴定位精度和重复定位精度检测结果表明，X轴电机定位精度和重复定位精度分别为6.81μm、6.51μm，Y轴为4.93μm、4.62μm。此外，研究了0、3kg、6kg、9kg负载情况下，工作台的精度变化情况，结果表明，负载为0和3kg时，定位精度和重复定位精度均较高，当负载加大到6kg和9kg时，精度明显降低。因此，综合分析可得，负载在一定范围内变化时，对工作台精度基本无影响，而负载超过一定值后，工作台精度会出现明显下降。同时，研究了6kg和9kg负载时工作

8、台各目标位置的重复定位精度情况，结果表明，在工作台承载范围内，负载较大时会出现某些位置精度明显降低现象，其余位置精度变化不大。关键词：精密加工；直线电机；控制；运动特性；精度iiAbstractAsoneofthethreepillarindustries,allcountrieshaveattachedgreatimportancetothestudyofmaterials.Inadditiontothemat