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快速刀具伺服系统自抗扰控制的研究与实践

控制理论与应用 2013年第12期30卷 1534-1542页

作者：吴丹赵彤陈恳清华大学机械工程系北京1000841

快速刀具伺服系统(fast tool servo,FTS)是实现非圆截面和非轴对称表面零件加工的关键部件.加工过程中,FTS应克服时变切削力负载和自身参数的非线性,驱动刀具完成高频高精度跟踪运动.为了解决FTS的快速精密跟踪控制问题,根据刀具运动参... 详细信息

快速刀具伺服系统(fast tool servo,FTS)是实现非圆截面和非轴对称表面零件加工的关键部件.加工过程中,FTS应克服时变切削力负载和自身参数的非线性,驱动刀具完成高频高精度跟踪运动.为了解决FTS的快速精密跟踪控制问题,根据刀具运动参考轨迹已知的特点,应用自抗扰控制原理和前馈控制策略,针对基于剪应力和正应力电磁驱动的两种直线执行机构,分别设计了采用线性和非线性扩张状态观测器的自抗扰控制器,并利用传递函数和描述函数方法,分析了线性控制器的跟踪精度和动态刚度特性,探讨了非线性控制系统的极限环问题.两种基于自抗扰控制的快速刀具伺服系统已应用于发动机椭圆截面活塞的精密车削和二维正弦微结构表面的超精密车削,满足了加工需求.研究与应用结果表明:自抗扰控制思想独特、算法易于工程实现,具有很好的工程应用价值.

关键词：快速刀具伺服系统自抗扰控制频域分析描述函数

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快速刀具伺服系统控制方法的研究

世界科技研究与发展 2014年第2期36卷 115-119,128页

作者：李凯聂雅慧张效栋天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室天津300072 天津大学微纳制造工程技术中心天津300072

针对麦克斯韦力驱动的快速刀具伺服(FTS)系统的轨迹跟踪问题,提出一种综合的控制方法。通过对麦克斯韦力伺服电机的系统辨识,建立系统数学模型。提出内环采用串联校正以增大系统带宽,外环采用自适应前馈抵消(AFC)控制与零相位误差跟踪控... 详细信息

针对麦克斯韦力驱动的快速刀具伺服(FTS)系统的轨迹跟踪问题,提出一种综合的控制方法。通过对麦克斯韦力伺服电机的系统辨识,建立系统数学模型。提出内环采用串联校正以增大系统带宽,外环采用自适应前馈抵消(AFC)控制与零相位误差跟踪控制(ZPETC)结合的控制方法。仿真结果表明,设计的控制方法对周期性的输入信号与外界干扰信号有着很好的抑制作用,实现了轨迹跟踪的精确控制,证明了该方法的有效性。

关键词：快速刀具伺服系统轨迹跟踪自适应前馈抵消控制零相位误差跟踪控制

基于电磁场分析的快速刀具伺服系统的设计(英文)

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纳米技术与精密工程 2011年第6期9卷 539-544页

作者：房丰洲聂雅慧张效栋天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室天津300072 天津大学微纳制造工程技术中心天津300072

基于快速刀具伺服(FTS)系统的单点金刚石车削是加工光学自由曲面的重要方法之一.传统的直线刀具伺服系统都具有频率响应低的问题,严重限制了可以加工自由表面的复杂程度.文中介绍了麦克斯韦力驱动的快速刀具伺服系统的设计,电机采用永... 详细信息

基于快速刀具伺服(FTS)系统的单点金刚石车削是加工光学自由曲面的重要方法之一.传统的直线刀具伺服系统都具有频率响应低的问题,严重限制了可以加工自由表面的复杂程度.文中介绍了麦克斯韦力驱动的快速刀具伺服系统的设计,电机采用永磁体偏置模型实现线性驱动,根据磁路设计原理推导了电机的运动公式,利用有限元分析(FEA)的方法分析了电机模型在高频信号驱动时的受力曲线、涡流损耗的大小和分布情况.根据分析的结果设计了电机的驱动系统,并进行了开环正弦驱动实验和电极频率响应曲线的测试,最终利用PID算法实现了FTS系统的闭环控制.基于麦克斯韦力驱动的FTS系统的最佳驱动频率应小于40 kHz,系统目前行程可以达到15.75μm,最大的频率响应可以达到100 kHz,系统可以跟踪500 Hz正弦波运动.

关键词：快速刀具伺服系统自由曲面麦克斯韦力电磁场分析高频响应

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快速刀具伺服系统的精密自抗扰控制

快速刀具伺服系统的精密自抗扰控制

第二十九届中国控制会议

作者：吴丹周顺燕谢晓丹清华大学精密仪器与机械学系摩擦学国家重点实验室

金刚石超精密车削是加工微结构表面光学元件的有效方法,其关键是高性能快速刀具伺服系统。在加工过程中,快速刀具伺服系统应能克服时变的切削力负载,驱动刀具按照指定的轨迹完成频率高达数千赫兹的高精度跟踪运动。为了解决快速刀具伺... 详细信息

金刚石超精密车削是加工微结构表面光学元件的有效方法,其关键是高性能快速刀具伺服系统。在加工过程中,快速刀具伺服系统应能克服时变的切削力负载,驱动刀具按照指定的轨迹完成频率高达数千赫兹的高精度跟踪运动。为了解决快速刀具伺服系统的跟踪控制问题,本文根据微结构表面车削时参考轨迹已知的特点,应用自抗扰控制原理和加速度前馈策略,采用状态空间法设计了一个精密自抗扰控制器,并应用于正应力电磁驱动的快速刀具伺服机构。实验结果表明了控制器的有效性。

关键词：快速刀具伺服系统自抗扰控制加速度前馈微结构表面

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快速刀具伺服系统的自适应前馈抵消控制

快速刀具伺服系统的自适应前馈抵消控制

直线电机驱动快速刀具伺服系统的鲁棒跟踪控制

第十四届沈阳科学学术年会

作者：苏晓锋刘春芳沈阳工业大学电气工程学院

针对音圈电机驱动的快速刀具伺服系统(Fast Tool Servo,FTS),要求系统对于高频周期性输入信号具有较好的跟踪能力以及对机床主轴的跳动等因素引起的周期变化干扰信号具有较好的抑制问题,提出内环采用内模控制器(Internal Model Control,... 详细信息

针对音圈电机驱动的快速刀具伺服系统(Fast Tool Servo,FTS),要求系统对于高频周期性输入信号具有较好的跟踪能力以及对机床主轴的跳动等因素引起的周期变化干扰信号具有较好的抑制问题,提出内环采用内模控制器(Internal Model Control,IMC)校正以增大系统的带宽,外环采用自适应前馈抵消控制(AFC)与前馈控制结合的控制方法。仿真结果表明,设计的控制方法对高频周期性输入信号具有较高的跟踪精度以及对外界周期变化干扰信号有着很好的抑制作用,实现了轨迹跟踪的准确控制,证明了方法的有效性。

关键词：快速刀具伺服系统自适应前馈抵消控制前馈控制内模控制器

来源： cnki会议评论

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直线电机驱动快速刀具伺服系统的鲁棒跟踪控制

作者：李岩沈阳工业大学

学位级别：硕士

超精密加工零件(如光学自由曲面、微结构功能表面零件等)因特殊的优质性能,在先进工业制造、航空航天、天文观测等高科技领域有着广泛的应用需求,而基于快速刀具伺服系统(FTS)的金刚石车削加工技术因其精密、高效、低成本的加工特点,成... 详细信息

超精密加工零件(如光学自由曲面、微结构功能表面零件等)因特殊的优质性能,在先进工业制造、航空航天、天文观测等高科技领域有着广泛的应用需求,而基于快速刀具伺服系统(FTS)的金刚石车削加工技术因其精密、高效、低成本的加工特点,成为加工超精密零件的较有潜力技术。FTS技术应用的关键是设计出具有高频响、高精度以及良好信号跟踪性能的系统。从FTS系统的设计分析出发,研究影响FTS系统性能的关键因素和优化系统设计的方法。通过对比分析,本文以无铁心永磁直线同步电机(ILPMLSM)作为FTS系统的执行机构,进行高频响给定信号下的控制策略研究。主要研究工作如下:首先,通过查阅大量国内外有关FTS的文献,掌握FTS的国内外研究、发展现状,了解FTS的驱动方式和控制算法。在此基础上,构建FTS的执行机构ILPMLSM的数学模型。其次,分析FTS系统在实际加工中存在的参数变化、摩擦力扰动、切削力扰动等不确定性扰动,在此基础上,采用定量反馈理论(QFT)设计鲁棒控制器,提高系统的鲁棒性。同时,本文采用H控制方法来代替QFT设计中繁琐的作图求解方法,使设计过程简单化。在理论设计基础上,通过Matlab/Simulink对所设计的控制系统进行建模与仿真,分析结果表明,该控制策略有效的抑制了不确定性扰动对FTS系统性能的影响,提高了系统的鲁棒性。最后,为实现FTS系统对鲁棒性能和跟踪性能的双重高要求,本文将QFT/H分别与零相位误差跟踪控制器(ZPETC)、零振幅误差跟踪控制器(ZMETC)相结合设计鲁棒跟踪控制器,同时加入干扰观测器(DOB),以进一步补偿外部扰动对系统的影响,提高系统鲁棒性。在理论设计的基础上,通过Matlab/Simulink对所设计的控制系统进行建模与仿真,并将两种控制策略的仿真结果进行比较。结果表明,所设计的FTS系统具有优越的跟踪性能与鲁棒性能。

关键词：快速刀具伺服系统无铁心永磁直线同步电机定量反馈理论零相位误差跟踪控制零振幅误差跟踪控制

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高精度微进给快速刀具伺服系统控制算法研究

高精度微进给快速刀具伺服系统控制算法研究

作者：张戟沈阳工业大学

学位级别：硕士

自由曲面光学元件以其优良的光学性能被广泛应用于许多领域,而快速刀具伺服系统（Fast Tool Servo,FTS）金刚石切削技术被认为是非常有前途的加工技术之一。FTS在进行自由曲面加工时需要直线电机对高频周期性参考信号具有高精度跟踪能力... 详细信息

自由曲面光学元件以其优良的光学性能被广泛应用于许多领域,而快速刀具伺服系统（Fast Tool Servo,FTS）金刚石切削技术被认为是非常有前途的加工技术之一。FTS在进行自由曲面加工时需要直线电机对高频周期性参考信号具有高精度跟踪能力,而一些因素如直线电机固有的扰动以及加工时的切削力都可能会影响FTS的加工精度。基于此,对高频周期性参考信号下系统的控制方法进行了研究。具体研究内容如下:首先,收集并查阅了大量国内外有关直线电机作为快速刀具伺服执行机构的相关文献。由此构建了作为FTS执行机构的无铁心永磁直线同步电机的数学模型,同时,对适应于FTS的控制算法进行了分析。其次,考虑到FTS在进行工件过程中存在强烈的切削力干扰,而具有强鲁棒性的滑模控制是一种较为适用的控制策略。但传统的滑模控制存在的抖振,将对系统的控制精度造成一定的影响,基于此提出了一种增量滑模控制。该控制方式将解算器步长及执行机构的最大加加速度加入控制率中,并且将上一时刻的控制作用叠加到当前控制量中以削弱滑模控制固有的抖振。同时,由于增量式的叠加作用,也使得系统的控制精度较传统滑模控制有了一定程度的提升。继而运用Matlab/Simulink对所设计的控制系统进行建模与仿真分析,验证了所提出控制策略的有效性。最后,针对FTS在高频切削过程中除了存在切削力等非周期性干扰外还存在周期性干扰的情况,提出了一种超螺旋改进插入式重复控制。该方法基于积分滑模控制的等效控制和非线性控制这两部分的设计具有各自独立性以及插入式重复控制器可在不改变原有控制器的情况下直接插入到其中的设计理念而将超螺旋控制和重复控制相结合,利用超螺旋控制的鲁棒性以消除非周期性干扰及利用重复控制抑制周期性干扰。并且,所提方法对传统插入式重复控制算法做了改进,使得控制系统获得更高的控制精度。在理论分析的基础上,运用Matlab/Simulink对所设计的控制系统进行建模与仿真分析。并将其与传统重复控制的仿真结果做比较,证明了所提方法可行性。

关键词：快速刀具伺服系统无铁心永磁直线同步电机增量滑模控制超螺旋控制重复控制

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洛伦兹力型快速刀具伺服系统跟踪控制研究

洛伦兹力型快速刀具伺服系统跟踪控制研究

作者：徐燕沈阳工业大学

学位级别：硕士

光学自由曲面类零件因其良好的工作性能被广泛应用于航空航天、军事、电力电子、科研以及民用等领域,而实现光学自由曲面高精度、高效和低成本的主要加工方式是金刚石超精密车削技术,该技术的核心是快速刀具伺服系统(Fast Tool Servo,F... 详细信息

光学自由曲面类零件因其良好的工作性能被广泛应用于航空航天、军事、电力电子、科研以及民用等领域,而实现光学自由曲面高精度、高效和低成本的主要加工方式是金刚石超精密车削技术,该技术的核心是快速刀具伺服系统(Fast Tool Servo,FTS)。本文以洛伦兹力型电机——音圈电机(Voice Coil Motor,VCM)作为FTS的执行器,结合滑模、重复等现代控制方法,对其周期性问题进行跟踪与抑制。其具体分析内容如下:首先,搜集并查阅大量的国内外参考文献,掌握FTS主要的驱动方式、建立驱动FTS运行的执行器件音圈电机的数学模型、分析与FTS相关的控制策略以及描述影响音圈电机驱动FTS控制精度的因素。其次,当FTS在运行过程中,若存在切削力扰动,采用基于代理的滑模控制。这是对PID控制的扩展,并且将滑模控制和PID控制相结合的控制策略。利用PID控制器将一种称为代理的假想的虚拟行程位置加在VCM的实际位置与期望位置之间,代理行程位置通过滑模控制器跟踪期望位置,将结合后的代理滑模控制律中不连续符号函数转换成饱和函数后可提高系统的跟踪精度和抗扰性。利用Matlab/Simulink在所设计的理论控制策略的基础上进行建模、仿真和比较分析,以此验证控制策略的有效性。最后,由于FTS在正常运行过程中,随着行程和频响的增大,其跟踪精度会受到影响。为进一步提高系统运行时的跟踪精度,采用超螺旋重复补偿PID控制。这是一种将重复补偿PID控制与超螺旋PID滑模控制相结合的且能够分别独立作用的控制策略。其中,重复补偿PID控制可提高系统运行时的跟踪精度。若存在等同于输入给定周期性正弦信号扰动或者切削力扰动时,在重复补偿PID控制策略的基础上加入超螺旋PID滑模控制,这是以PID控制器设计滑模面,根据李雅普诺夫函数的到达条件设计滑模控制律,超螺旋PID滑模控制是一种连续型二阶滑模控制,抗扰能力强。超螺旋重复补偿PID控制可以实现在长行程和高频响环境下的强鲁棒性和高跟踪精度。并且在理论的基础上用Matlab/Simulink对所设计的控制策略进行建模、仿真和比较分析,以此证明控制策略的可行性。

关键词：快速刀具伺服系统音圈电机基于代理的滑模控制重复补偿PID控制超螺旋PID滑模控制

非圆截面及非对称型面高速精密车削关键技术研究

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成都工业学院学报 2024年第3期27卷 6-9页

作者：曹辉梁宁成都工业学院智能制造学院成都611730 四川工商职业技术学院经济管理系成都611830

针对非圆截面及非对称型面的高速精密车削加工难题,提出一种基于快速刀具进给伺服系统的该类型面数控车削加工方法。通过分析非圆截面及非对称表面数控车削原理、快速刀具进给伺服机构及其控制方法,并通过车削实验验证了方法的有效性。... 详细信息

针对非圆截面及非对称型面的高速精密车削加工难题,提出一种基于快速刀具进给伺服系统的该类型面数控车削加工方法。通过分析非圆截面及非对称表面数控车削原理、快速刀具进给伺服机构及其控制方法,并通过车削实验验证了方法的有效性。首先,分析了非圆截面与非对称表面车削的原理、复杂几何形状工件的轮廓数据处理机制和方法,为高速精密车削提供准确的工件描述。其次,快速刀具进给伺服机构是实现高速精密车削的关键,分析了各种快速进给系统优缺点,提出了采用直线电机的快速刀具进给伺服机构,采用自抗扰控制算法控制快速刀具伺服系统。最后,通过试制的实验样机车削实验验证了基于自抗扰控制的快速刀具进给伺服机构及其数控车削系统的技术和方法的可行性。实验结果表明,该技术能够成功地实现非圆截面及非对称型面工件加工,并能够实现较高的尺寸精度和表面质量,满足复杂型面工件的加工需求。

关键词：非圆截面非对称型面快速刀具伺服系统自抗扰控制