基于FTS的非轴对称微结构表面超精密切削系统研究.pdf

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1、设计与研究Des_gnQndResearch基于FTS的非轴对称微结构表面超精密切削系统研究王晓慧孙涛(哈尔滨工业大学精密工程所，黑龙江哈尔滨150001)摘要：介绍了基于快速伺服刀架(FTS)的微结构表面超精密金刚石车削加工系统，并利用该系统成功实现了典型非轴对称结构正弦网格表面的加工。作为FTS的驱动元部件，压电陶瓷微位移驱动器的迟滞、蠕变非线性特性大大影响了系统的动态性能与加工精度。因此，建立了基于拓展输入空间法的FTS神经网络逆模型，并结合PID反馈控制，实现了FTS的闭环控制。实验结果表明，该控制策略可以有效提高FTS的动态性能，其跟踪

2、误差小于150ilia，为微结构表面的加工提供了可靠的保证。关键词：非轴对称微结构表面快速伺服刀架神经网络逆模型闭环控制中图分类号：TG58文献标志码：APrecisionturningofnon-symmetricmicro-structuredsurfacesbasedonFTSWANGXiaohui，SUNTao(CenterofPrecisionEngineering，HarbinInstituteofTechnology。Harbin150001，CHN)Abstract：Aprecisiondiamondturningsystemfo

3、rfabricationofnon—symmetricmicro—structuredsurfacesbasedonfasttoo1servo(FTS)systemisproposed．Thefasttoolservoisdrivenbyapiezoelectricactuatoralong．withacapacitivedisplacementsensor．Toovercometheinherentnon—linearityofthepiezoelectricactua—tor，aninversemodelofFTSisconstructedu

4、singneuralnetworkandexpendedinputspace．Besides，PIDfoedbackcontrolisalsoimplementedtoachievebettertrackingperformance．Actualtestingdatashowthatthefollowingerrorislessthan150nm．Thefabricationofasinusoidalgridsurfacehasindica·tedtheeffectivenessofthefabricationsystem．Keywords：No

5、n-symmetricMicro—structuredSurface；FastToolServo；NeuralNetworkInverseModel；ClosedLoopControl微结构表面是指具有特定功能的微小拓扑形状的非常重要的研究方向。对于非轴对称微结构的金刚石表面，其特征尺寸一般不大于微米级。这些微小拓扑车削加工来说，机床不仅需要具有多自由度即高次轨形状具有高度规则的结构特征，这些特征与传统的表迹联动控制能力，还需要具有良好的高频动态响应性面参数及统计特征不同，它们一般都有很大的深宽比。能和很高的分辨率，传统的多轴联动机床很难满足其这

6、些表面结构使得元件表现出某些特定的性能，如光要求。近几年来，随着驱动技术和控制技术的发展，出学性能、粘附性、摩擦性、润滑性和耐磨损性等，并现了快速刀具伺服技术(FastToolServo，FTS)，这种且能够实现普通元件难以实现的阵列、微小、集成、成加工方式是利用2个直线轴、z，以及1个旋转主轴，像和波前转换等新功能，因此被广泛应用于光束整形、通过为主轴的转动角度添加反馈与控制手段，突破了光学器件互连、三维成像与探测等领域j。随着高精在3轴车床上加工非轴对称微结构等自由曲面的限度、高刚度的空气静压主轴和精密伺服机构的出现，使制。得利用超精密车削加

7、工技术来加工具有微三维结构表由于压电陶瓷具有分辨率高、响应快、刚度大等优面的元件成为可能，并逐渐成为微制造领域中的一个点，成为常用的FTS驱动元件，但是压电陶瓷本身所国家863计划(2006AO4Z314)·90·晒=：zulI嚣l耳帚f删固有的迟滞、蠕变等非线性特点不但会降低FTS系统变输人信号频率，幅值60V，输入频率分别为0．1Hz、的控制精度，而且可能造成系统失稳。近年来，针1Hz、2．5Hz、5Hz，测试其输入输出特性，如图2b所对精密制造系统中迟滞非线性的控制日益成为各国学示。随着输入电压频率的改变，FTS迟滞曲线的形状者关注的焦点。

8、A．MainJohn等通过PD反馈控制来和宽度也随之改变。随着输入电压信号频率的增加，提高压电陶瓷执行器的动态响应速度。Ge将前馈其最大