三轴超精密车床的控制系统设计及实验.pdf

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1、硕士学位论文三轴超精密车床的控制系统设计及实验DESIGNANDEXPERIMENTOFTHECONTROLSYSTEMOFTRIAXIALULTRA-PRECISIONLATHE张芮哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TG519.3学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学硕士学位论文三轴超精密车床的控制系统设计及实验硕士研究生：张芮导师：赵航教授申请学位：工学硕士学科：机械制造及其自动化所在单位：机电工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TG519.3U.D.C:621Dissertatio

2、nfortheMasterDegreeinEngineeringDESIGNANDEXPERIMENTOFTHECONTROLSYSTEMOFTRIAXIALULTRA-PRECISIONLATHECandidate：ZhangRuiSupervisor：Prof.ZhaoHangAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechanicalManufacturingandAutomationAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence

3、：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要随着尖端科技水平的进步，对零件加工水平的要求越来越高，超精密加工技术的地位变得愈发重要。当前美国、德国和日本等国家已经能够实现超精密机床设备的产业化，机床能够达到很高的加工水平，但是其价格昂贵。而国内所研制的超精密机床在控制精度、稳定性及功能的完备性等方面均与发达国家存在不少差距，因此开展超精密机床控制系统的研究很有价值。首先，针对超精密车床的功能需求，完成了伺服电机、驱动器、光栅、控制器及拓展板卡的选型

4、校核，进行了电控系统的设计。并基于MFC分模块开发了上位机交互界面，主要包括机床检测模块、程序管理模块、参数配置模块及JOG运动模块，完成了基于UMAC的控制系统软硬件平台的搭建。其次，建立了直线电机及UMAC伺服控制算法的模型，进行了电流环的设计优化，并通过Matlab/Simulink仿真验证了优化后的电流环响应快、无超调。进一步地，仿真分析了控制系统的阶跃响应和正弦响应，仿真结果表明控制系统具有良好的稳态性能和动态性能。在此基础上，针对控制系统带宽，绘制出控制系统的闭环Bode图，完成了直线轴控制系统的设计。再次，调试了各电机的驱动器，并在UMAC中采用手动整定的

5、方式，进行了阶跃响应调试实验和正弦响应调试实验，从而验证了仿真的合理性。仿真与实验结果表明，控制系统拥有良好的控制性能，满足超精密车床的控制需求。此外，为校核控制系统的带宽设计，开展了机床各轴的模态测试实验，实验结果表明控制系统带宽设计合理。最后，开展了超精密车床的端面车削及外圆车削实验，并进行了表面形貌及粗糙度检测分析，结果表明了课题所设计的控制系统具有良好的控制性能。此外，针对加工过程中产生的锯齿状形貌，对主轴止推轴承的承载力进行了计算，然后结合加工质量的检测结果，探究了机床结构与控制对加工质量的影响，并针对当前机床存在的不足提出了改良意见。关键词：超精密车床；控制

6、系统；软硬件平台；响应调试；车削实验-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractWiththedevelopmentofadvancedtechnology,therequirementsontheprocessinglevelofpartsaregettinghigherandhigher,andthestatusofultra-precisionprocessingtechnologyisbecomingincreasinglyimportant.Atpresent,theUnitedStates,Germany,Japanandsomeothercount

7、rieshavebeenabletorealizetheindustrializationofultra-precisionmachinetoolequipment,andtheultra-precisionmachinetoolscanachieveahighlevelofprocessing.However,theultra-precisionmachinetoolsaretooexpensive.Besides,theultra-precisionmachinetoolsdesignedinChinaarefarfromdevelo