超磁致伸縮微致動器驅(qū)動的車削加工系統(tǒng)建模與控制.pdf

1、隨著非圓零件在航空、宇航、汽車、機床、輕工業(yè)等制造業(yè)中的比重日益增長，為了達到所需性能要求，其加工精度要求隨之提高。一方面，高精度非圓截面加工常用的微進給方式有利用彈性變形、機械靠模、偏心主軸或偏心刀桿等。這些方法機構(gòu)復雜，調(diào)節(jié)困難，精度低，造價高，很難被推廣應用。而用直線電機和表面馬達的精密機床微進給機構(gòu)，滿足了高頻響、大行程和高精度的要求，但控制系統(tǒng)設(shè)計復雜，成本高，難以在一般企業(yè)中推廣應用。因此，研制具有高頻響、高分辨率、高精度、

2、大行程的刀架伺服進給機構(gòu)是核心問題。另一方面，以Terfenol-D為代表的稀土超磁致伸縮材料(GMM)制成的機電轉(zhuǎn)換器(超磁致伸縮微致動器GMA)驅(qū)動的非圓型面精密加工系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、重復精度高、無間隙、剛性好、傳動慣量小、工作穩(wěn)定性好等優(yōu)點，既可實現(xiàn)無模體自動控制高精密加工，克服傳統(tǒng)硬靠模法的缺點，又可克服以電磁力推動車刀進給的軟靠模方法精度差的缺點，更適用于復雜型線或硬質(zhì)基體的加工。
　　然而，GMA由于本身超磁致伸

3、縮材料的滯回特性，及GMA的設(shè)計與應用涉及非線性振動、磁彈性動力學、精密機械加工、自動控制等諸多學科，磁機耦合微致動機理與非圓精密加工的滯回補償同步過程控制問題，以及在磁場作用下還伴有發(fā)熱、能量損耗，致使GMA控制位移精度不高等原因，嚴重阻礙了GMA的應用。因此，數(shù)控車削系統(tǒng)的GMA伺服微進給控制系統(tǒng)的研究成為重中之重。
　　本文圍繞GMA數(shù)控車削加工系統(tǒng)的加工數(shù)據(jù)文件的生成、控制方法、加工零件及加工結(jié)果虛擬顯示進行了研究，主要進

4、行了以下的工作:
　　1、通過復雜活塞加工數(shù)據(jù)文件生成及數(shù)控車削加工成型機理的研究，利用非均勻有理B樣條(NURBS)曲線擬合方法建立了復雜型面加工數(shù)據(jù)的統(tǒng)一表達式，解決了用三次樣條差值算法擬合時在兩點間插值存在“階梯”的現(xiàn)象;針對擬合曲線具有的端點效應，提出了在兩端構(gòu)造虛擬控制點方法，提高了曲線的擬合精度。
　　2、根據(jù)壓磁理論，考慮溫度的影響，引入預壓彈簧的幾何非線性及GMM滯回物理非線性的影響，并基于擴展的J-A滯回模

5、型，建立了GMA車削加工系統(tǒng)的動力學模型，采用Simulink仿真工具對GMA車削系統(tǒng)的動力學特性進行了詳細的討論，對不同參數(shù)的影響進行了研究。提出了不同參數(shù)下，使系統(tǒng)輸出位移達到最大時的最佳激勵振幅的概念。
　　3、基于實驗，在超磁致伸縮微致動器線性工作區(qū)內(nèi)，采用理想滯回模型，根據(jù)泰勒近似公式，建立了只考慮幾何非線性的GMA車削系統(tǒng)的動力學模型。并根據(jù)所建立模型及實際工況的特點，采用基于精確反饋線性化的滑模變結(jié)構(gòu)控制實現(xiàn)了GMA

6、車削加工系統(tǒng)的控制，并通過Simulink仿真針對不同的期望輸入驗證控制方法的有效性。
　　4、在超磁致伸縮微致動器具有逆系統(tǒng)的非線性工作區(qū)內(nèi)，針對GMA車削加工系統(tǒng)的滯回非線性，研究了RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)前饋逆補償—自適應模糊滑模變結(jié)構(gòu)反饋控制(RDFSC)方法。采用PID型設(shè)計了滑模面，并將自適應模糊控制融合到了滑模變結(jié)構(gòu)控制器的設(shè)計中，一方面減小了滑模變結(jié)構(gòu)控制器存在的抖振現(xiàn)象，另一方面由于采用了自適應模糊控制器，使模糊規(guī)則按照當

7、前系統(tǒng)的運行狀態(tài)自動更新模糊規(guī)則，使系統(tǒng)更具有了智能化。
　　5、針對RDFSC在初始過度階段誤差較大的缺點，提出了RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)前饋逆控制-多模自適應控制(RMDC)的方法。提出以時間為切換開關(guān)，在研究RDFSC的基礎(chǔ)上，確定使自適應模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制器(DFSC)穩(wěn)定的時間。當DFSC達到穩(wěn)定前，反饋控制采用PID控制策略，同時運行DFSC，但不參與控制;當DFSC達到穩(wěn)定后，切換到DFSC。仿真結(jié)果表明，RMDC使系統(tǒng)既具有

8、較好的穩(wěn)態(tài)精度又具有較好的過度過程。
　　6、從GMA的結(jié)構(gòu)設(shè)計角度出發(fā)，為了消除超磁致伸縮微致動器的“倍頻”現(xiàn)象及使GMA的結(jié)構(gòu)設(shè)計更為緊湊，基于模型的等價代換及狀態(tài)反饋，研究了模糊自適應控制方法，并通過構(gòu)造李亞普諾夫函數(shù)分析了系統(tǒng)的穩(wěn)定，進一步通過仿真試驗驗證了控制方法的有效性。該方法在一定范圍內(nèi)擴展了超磁致伸縮微致動器的工作區(qū)間，使GMA的結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單緊湊。
　　7、通過CAD對外部開發(fā)系統(tǒng)的接口，利用VS2005作為