一种超精密机床的跟踪误差识别与补偿方法技术

本发明专利技术公开了一种超精密机床的跟踪误差识别与补偿方法，包括以下步骤：获得机床控制模块的传递函数；获得机床结构模块的传递函数；耦合控制模块的传递函数和结构模块，获得微纳运动台开环状态和闭环状态下的传递函数；建立跟踪误差补偿模型；建立超精密机床直线轴的理论运动轨迹，确定理论指令值，结合光栅信号的实时反馈，计算出跟踪误差的补偿量，发送到微纳运动台实现误差补偿；获得补偿后的传递函数。本发明专利技术针对精密车床的直线轴跟踪误差，探究动态跟踪误差的影响规律，进而通过微纳运动平台提出了宏微双驱动的在线误差补偿策略，最终提升加工精度。最终提升加工精度。最终提升加工精度。

【技术实现步骤摘要】
一种超精密机床的跟踪误差识别与补偿方法


[0001]本专利技术涉及加工领域，具体涉及一种超精密机床的跟踪误差识别与补偿方法。

技术介绍

[0002]微纳结构光学表面的高面型精度、高结构复杂度和高空间频率等特征，使得其加工制造极具挑战性。由于微纳结构的轮廓精度要求较高，在诸多光学表面的创成方法中，集成微纳定位平台的超精密车削技术，赋予了金刚石刀具纳米级运动精度的快速响应能力，被国内外学者广泛认为是微纳结构光学元件的高效超精密加工方法。
[0003]然而现阶段通过改善自身结构等方式对超精密车床的加工精度进行提升几乎到达了极限，通过对滑模控制，前馈控制，鲁棒控制的系统优化来提升加工精度的办法受到伺服系统自身特性的限制，对于加工精度的提升效果也不明显。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是超精密机床受到跟踪误差的影响，目的在于提供一种超精密机床的跟踪误差识别与补偿方法，研究并补偿了超精密机床加工过程中的跟踪误差的问题。
[0005]本专利技术通过下述技术方案实现：
[0006]一种超精密机床的跟踪误差识别与补偿方法，包括以下步骤：
[0007]获得机床控制模块的传递函数；
[0008]获得机床结构模块的传递函数；
[0009]耦合控制模块的传递函数和结构模块，获得微纳运动台开环状态和闭环状态下的传递函数；
[0010]建立跟踪误差补偿模型；
[0011]建立超精密机床直线轴的理论运动轨迹，确定理论指令值，结合光栅信号的实时反馈，计算出跟踪误差的补偿量，发送到微纳运动台实现误差补偿；
[0012]获得补偿后的传递函数。
[0013]具体地，根据输入控制模块的输入指令位于与实际输出位置，拟合得到输入与输出的传递函数：
[0014][0015]式中：X
in
(s)为理论轨迹指令X
in
(t)通过拉普拉斯变换得到；
[0016]X1(s)为宏动台位移X1(t)通过拉普拉斯变换得到；
[0017]a
i
，b
j
为传递函数的各阶系数；
[0018]n为传递函数分母的最高阶次；
[0019]m为传递函数分子的最高阶次。
[0020]具体地，获得机床结构模块的传递函数具体包括以下步骤：
[0021]将所述结构模块分割为宏动台模块和微动台模块，建立动力学方程：
[0022][0023]式中：f1和f2为驱动力，f3为切削力；
[0024]m1为宏动台模块的等效质量量；
[0025]m2为微动台模块的等效质量量；
[0026]x1为宏动台模块的位移；
[0027]x2为微动台模块的位移；
[0028]k1为宏动台模块的等效刚度；
[0029]k2为微动台模块的等效刚度；
[0030]c1为宏动台模块的等效阻尼系数；
[0031]c2为微动台模块的等效阻尼系数；
[0032]令微纳运动台处于开环状态，f2＝0，f3＝0，宏动台模块与微动台模块之间的传递函数为：
[0033][0034]式中，X
in
(s)由X
in
(t)通过拉普拉斯变换得到；
[0035]X2(s)由X2(t)通过拉普拉斯变换得到；
[0036]X
in
(t)为理论轨迹指令；
[0037]X2(t)为刀具实际输出位移。
[0038]ω2为谐振频率；
[0039]ω为工作频率；
[0040]其中：
[0041]获得切削力与实际输出位移之间的传递函数：
[0042][0043]式中：为宏动台模块与微动台模块的质量比；
[0044]为宏动台模块与微动台模块的刚度比。
[0045]具体地，耦合控制模块的传递函数和结构模块的传递函数具体包括以下步骤：
[0046]获得有效切削面积；
[0047]S＝a
w
★
a
c
＝a
p
/sinθ*f*sinθ＝a
p
*f
[0048]式中，a
w
为切削层宽度；
[0049]a
c
为切削层厚度；
[0050]a
p
为背吃刀量；
[0051]θ为车刀主偏角；
[0052]f为进给速度；
[0053]获得加工切削力；
[0054]f3＝λS+f
o
[0055]式中，f3为切削力；
[0056]S为切削面积；
[0057]λ为与加工件材料相关的切削力系数；
[0058]f
o
为刀具和材料引起的恒定切削力差值；
[0059]对理论轨迹、实际输出轨迹和切削力进行耦合，获得传递函数：
[0060]X2(s)＝X
in
(s)G1(s)G2(s)+F3(s)G3(s)
[0061]式中，X1为理论轨迹指令；
[0062]X2为实际输出位移；
[0063]F3为切削力；
[0064]建立微纳运动台单自由度二阶系统，其传递函数为：
[0065][0066]式中，X4(s)由X4(t)经过拉普拉斯变换得到；
[0067]X4(t)为微纳运动台补偿后的输出位移值；
[0068]k3为闭环状态下微纳运动台的等效刚度；
[0069][0070]令，微纳运动台为闭环状态，f2≠0，f2(t)＝k3*X2(t)，获得切削力与实际输出位移之间的传递函数：
[0071][0072]具体地，获得补偿后的传递函数具体包括以下步骤：
[0073]获得补偿前跟踪误差：E1(s)＝X2(s)
‑
X
in
(s)；
[0074]获得补偿后跟踪误差：E2(s)＝(X2(s)
‑
X
in
(s))(1
‑
G4(s))；
[0075]获得补偿后输出位移轨迹与理想轨迹指令之间的传递函数：
[0076]X2(s)＝X
in
(s)(G1(s)G2(s)+G4(s)
‑
G1(s)G2(s)G4(s))+F3(s)G5(s)。
[0077]本专利技术与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
[0078]本专利技术针对精密车床的直线轴跟踪误差，探究动态跟踪误差的影响规律，进而通过微纳运动平台提出了宏微双驱动的在线误差补偿策略，最终提升工件表面加工精度。
附图说明
[0079]附图示出了本专利技术的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本专利技术的原理，其中包括了这些附图以提供对本专利技术的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分，并不构成对本专利技术实施例的限定本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超精密机床的跟踪误差识别与补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：获得机床控制模块的传递函数；获得机床结构模块的传递函数；耦合控制模块的传递函数和结构模块，获得微纳运动台开环状态和闭环状态下的传递函数；建立跟踪误差补偿模型；建立超精密机床直线轴的理论运动轨迹，确定理论指令值，结合光栅信号的实时反馈，计算出跟踪误差的补偿量，发送到微纳运动台实现误差补偿；获得补偿后的传递函数。2.根据权利要求1所述的一种超精密机床的跟踪误差识别与补偿方法，其特征在于，根据输入控制模块的输入指令位置与实际输出位置，拟合得到输入与输出的传递函数：式中：X
in
(s)为理论轨迹指令X
in
(t)通过拉普拉斯变换得到；X1(s)为宏动台位移X1(t)通过拉普拉斯变换得到；a
i
，b
j
为传递函数的各阶系数；n为传递函数分母的最高阶次；m为传递函数分子的最高阶次。3.根据权利要求2所述的一种超精密机床的跟踪误差识别与补偿方法，其特征在于，获得机床结构模块的传递函数具体包括以下步骤：将所述结构模块分割为宏动台模块和微动台模块，建立动力学方程：式中：f1和f2为驱动力，f3为切削力；m1为宏动台模块的等效质量量；m2为微动台模块的等效质量量；x1为宏动台模块的位移；x2为微动台模块的位移；k1为宏动台模块的等效刚度；k2为微动台模块的等效刚度；c1为宏动台模块的等效阻尼系数；c2为微动台模块的等效阻尼系数；令微纳运动台处于开环状态，f2＝0，f3＝0，宏动台模块与微动台模块之间的传递函数为：
式中，X
in
(s)由X
in
(t)通过拉普拉斯变换得到；X2(s)由X2(t)通过拉普拉斯变换得到；X
in
(t)为理论轨迹指令；X2(t)为刀具实际输出位移。ω2为谐振频率；ω为工作频率；其中：获得切削力与实际输出位移之间的传递函数：式中：为宏动台模块与微动台模块的质量比；为宏动台模块与微动台模块的刚度比。4.根据权利要求3所述的一种超精密机床的跟踪误差识别与补偿方法，其特征在于，耦合控制模块的传递函数和结构模块的传递函数具体包括以下步骤：获得加工切削面积；S＝a
w＊
a
c
＝ap/sinθ*f*s...

【专利技术属性】
技术研发人员：阳红，付思源，孙守利，张敏，刘有海，戴晓静，尹承真，杨光伟，姜忠，段方，梅斌，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，
类型：发明
国别省市：