研抛机床主轴控制系统研究范文

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1研抛系统建模

1．1实验装置图1所示为课题组自行研制的精密研抛机床三维结构示意图。由一台三坐标精密数控平台、一台精密转摆机构和一个气浮电主轴组成。X、Y和Z轴由直线电机驱动。研抛工具装夹在电主轴前端，在电主轴的驱动下进行旋转运动。精密转摆机构安装在Y轴上，工件装夹在精密气浮转台上［9］。转摆联动机构不仅可以使工件绕Z轴转动，并且可以绕Y轴摆动一定的角度，在加工过程中要保证装夹在气浮电主轴前端的研抛工具始终在工件表面加工点的法向方向。针对不同曲率的加工表面，更换不同直径的磨头，将研抛工具系统设计成卡扣式。

1．2研抛加工模型精密研抛机床的加工可简化为单自由度的质量-其中Cm为直线伺服电机推力系数，由于是电动机的固有特性，因此直线电机驱动力Fm的大小与q轴电流iq成正比。

2装置粘滑运动建模

在进行精密研抛过程中，由于研抛轨迹线之间形成的凸起峰是无法避免的，这将使被加工件易产生毛刺和高频划纹等现象，严重影响零件的表面质量。为了克服这一问题，本文采用较小的粘滑运动控制策略，不仅提高了零件的加工质量，而且还提高了加工效率。图3所示为粘滑运动的加工示意图，使用直线或者曲线轨迹进行研抛加工时，研抛具运动轨迹线之间存在间隙，这将导致加工表面产生毛刺、高频划纹和尖点等缺陷。当利用粘滑运动和重复控制相结合的策略进行研抛加工，可将之前轨迹线之间产生的间隙全部覆盖，大大提高了零件的表面质量。图4为计算粘滑矢量的原理图，图中螺旋线表示研抛加工时工具的运动轨迹在水平方向上的投影，上标W代表工作坐标系，k代表离散时间，O点为工件坐标系原点，O'点为研抛工具头接触工件的最初位置，P点为当前接触点。

3控制策略

带有粘滑运动的理想轨迹跟随控制本文在精密研抛机床的Z轴加入了粘滑运动，根据其运动特性，利用重复控制来提高Z轴位置的跟踪精度。如图5所示为采用重复控制器的控制系统原理图，系统中的Exp()－LS为纯延时环节;C(S)为串联补偿器，可以使系统满足内部稳定性;Q(S)为以低通滤波器。除Z轴以外其他各轴理想轨迹经PID调节，进行粘滑处理的Z轴经重复控制调节，将X、Y和Z轴的信号重新整合作为机床控制输入量，以提高Z轴位置跟踪精度。

4仿真分析

将1．2建立的研抛加工模型，经过机床实体测量后得到仿真所需的参数m，k，c。其中Z轴加入粘滑处理后，呈周期性振荡特性，因此用正弦波信号模拟，频率为2Hz，幅值为1。分别采用PID控制和重复控制，并对采用的两种控制方法进行仿真对比实验。图6和图7分别为加入粘滑处理的Z轴位置信号在PID控制和重复控制下输出的跟踪轨迹曲线。由仿真结果可以看出，加入粘滑处理的Z轴位置信号在PID控制下输出的跟踪轨迹曲线同参考信号有明显出处，而在重复控制下输出的跟踪轨迹曲线与参考信号几乎完全吻合，因而说明PID控制对粘滑运动的控制不是十分理想，而采用重复控制的控制系统达到了预期的效果。

5结束语

本文在自主研发的精密研抛数控机床上实现了非球面光学零件的研抛加工，为了进一步提高零件的表面质量，对Z轴采用粘滑运动与重复控制相结合的策略。首先建立研抛加工的数学模型，通过研抛机床测量得到仿真所需要的参数m，k，c;然后基于非球面零件建立粘滑运动控制系统数学模型;最后根据加入粘滑运动后Z轴的运动特性，采用重复控制来提高Z轴轨迹跟踪控制精度，并对加入粘滑处理的Z轴分别采用PID控制和重复控制进行仿真对比分析。仿真结果表明，采用重复控制时，加入粘滑处理的Z轴输出的跟踪轨迹曲线要优于采用PID控制，实现了预期理想的轨迹曲线，满足精密研抛加工的需求。

作者：李雨澄 林洁琼 罗亮亮 谷岩 孙宝玉 单位：长春工业大学 机电工程学院 保定长城汽车底盘研究院