CN115847119B - 一种基于超声振动的刚柔耦合微进给系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械技术领域，具体公开了一种基于超声振动的刚柔耦合微进给系统，包括工作台、导轨和丝杠传动副，所述的丝杠传动副由电机驱动，所述的工作台与丝杠传动副相连，所述导轨上设置有滑块，还包括刚柔耦合关节及压电致动器；所述刚柔耦合关节将滑块连接到工作台上，有效地将工作台与导轨上的非线性摩擦隔离，压电致动器施加抖动力到每个滑块上，以在摩擦位置处施加超声振动。

Description

一种基于超声振动的刚柔耦合微进给系统

技术领域

本发明涉及机械技术领域，特别是涉及一种基于超声振动的刚柔耦合微进给系统。

背景技术

对于大部分精密和超精密加工机床而言，高性能的直线运动系统是必需且关键的，滚动导轨是最具成本效益的导轨类型，其导向的工作台运动范围大、法向轴刚度高、位置稳定性好而被广泛应用于精密传动领域，同时作为空压/静压导轨的低成本及真空兼容替代品，在超精密运动平台中也得到了广泛应用。然而，滚动导轨导向的工作台会经历非线性预运动摩擦，这对定位精度和微进给性能产生不利影响。因此在数控机床中工作台相对于导轨的直线运动成了限制进给精度提高的主要因素。

发明人在研究中发现，传统的数控机床其滑块大都直接刚性的连接到工作台上，当工作台微量进给时相对导轨的移动速度非常低，工作台将出现爬行影响定位精度和加工性能，因此如何实现从根本上抑制、消除爬行是超精密加工领域亟待解决的问题。超声振动是一种有效、鲁棒和无模型的方法，可以抑制摩擦、迟滞、齿隙等非线性导致的爬行现象。然而，超声振动用于纳米级定位平台中缓解摩擦的一个主要挑战是：所施加的高频和高振幅振动可能会危及纳米级的定位精度。

在现有专利CN201711376035.5 中公开了一种超声辅助克服摩擦直线运动平台，该专利中高频振动施加在与两个滑块相连的辅助机构之间，其运动学建模可表达为一个如图2所示的两自由度的弹簧阻尼质量系统，该运动平台没有考虑工作台与滑块之间的相互耦合影响，因此现有专利中的设计方式缺乏全面性。同时，该专利中的柔性铰链组包括多个柔性铰链，每个辅助板块均至少与一个柔性铰链连接，工作台与滑块上的辅助板并未实现完全隔离，滑块与工作台之间存在力的相互影响。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于超声振动的刚柔耦合微进给系统，使用在运动方向上具有柔性的关节将滑块连接到工作台上，从而有效地将工作台与导轨上的非线性摩擦隔离开来，实现减摩效果，同时采用振动补偿策略，大大降低超声振动对纳米级定位精度的不利影响，实现高精度的微进给控制及精确定位。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明的实施例提供了一种基于超声振动的刚柔耦合微进给系统；包括工作台、导轨和丝杠传动副，所述的丝杠传动副由电机驱动，所述的工作台与丝杠传动副相连，所述导轨上设置有滑块，还包括刚柔耦合关节及压电致动器；所述刚柔耦合关节将滑块连接到工作台上，有效地将工作台与导轨上的非线性摩擦隔离，所述压电致动器施加抖动力到每个滑块上，以在摩擦位置处施加超声振动。

作为进一步的技术方案，所述的刚柔耦合关节包括柔性铰链、中心平台、外部工作台和切换装置，所述的中心平台设置在外部工作台内，中心平台与外部平台之间通过柔性铰链相连，且中心平台和外部平台之间还设置切换装置，通过切换装置控制中心平台与外部平台进行连接或者断开，即在柔性模式和刚性模式之间进行转换，运动瞬间及过程中，关节在工作台的运动方向上提供足够的柔性，同时在其他正交方向上保持刚性；而一旦工作台就位，关节轴向刚度就会变大，处于刚性模式。

作为进一步的技术方案，所述的切换装置包括设置在中心平台前后端面上的永磁铁和设置在外部工作台前后内侧面上的电磁线圈，一个永磁铁对应一个电磁线圈。

作为进一步的技术方案，柔性铰链包括四个，中心平台的前端面通过两个柔性铰链与外部平台相连，中心平台的后端面通过两个柔性铰链与外部平台相连。

作为进一步的技术方案，所述压电致动器施加的抖动力(F_d)在理想情况下，以180°的相位差施加到工作台两端的滑块上，使传递到工作台的反作用力相互抵消；在非理想情况下，通过控制系统调节驱动力F_a向工作台施加补偿力F_comp，将任何未消除的反作用力产生的派生振动降至最低。

作为进一步的技术方案，所述滚珠丝杠一端固定支撑，另一端自由支撑。

作为进一步的技术方案，所述的电机采用伺服电机，所述的伺服电机与所述的伺服电机与速度电流检测器、位置电流检测器、电流检测器相连。

作为进一步的技术方案，所述的基于超声振动的刚柔耦合微进给系统，还包括温度传感器、压力传感器、噪声传感器、加速度传感器和位移传感器；所述的温度传感器检测支撑轴承的温升；压力传感器检测驱动力；加速度传感器检测工作台的振动；噪声传感器是为了检测环境中的白噪声，后期在数据处理的时候可以采用滤波器滤掉。所述的位移传感器就是在工作台进给方向上使用激光干涉仪检测工作台的位移。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

本发明通过基于刚柔耦合伺服系统，将超声振动应用于运动平台实现纳米级定位，有效地抑制了因粘滑和粘滞等不良非线性摩擦导致的爬行现象，实现高精度微量进给控制及精确定位，从根本上消除直线运动的爬行。这种新型进给伺服系统表现出来的优异特性，用于当今数控装备制造业，可以极低的制造成本，获得极高的机床精度和性能。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明提出的运动学机理示意图；

图2是现有技术的运动学机理示意图；

图3为本发明中的刚柔耦合微进给伺服系统结构图；

图4为本发明刚柔耦合关节的俯视图；

图5为本发明刚柔耦合关节的三维结构示意图；

图6为超声振动辅助纳米级定位方法；

图7为基于自适应滑模控制的摩擦前馈补偿示意图；

图8为基于逆模型扰动观测器的反馈补偿控制方案示意图；

图9为本发明提出的刚柔耦合微进给伺服系统进给系统闭环传递函数框图；

图中：1-伺服电机，2-底座，3-滑块，4-螺母座，5-压电致动器，6-刚柔耦合关节，7-滚动导轨，8-联轴器，9-固定支撑，10-工作台，11-滚珠丝杠，12-自由支撑。

6-1 柔性铰链，6-2电磁线圈，6-3永磁铁；6-4中心平台，6-5外部平台，6-6聚氨酯橡胶板。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

本实施例公开了一种基于超声振动的刚柔耦合微进给系统，使用在运动方向上具有柔性的关节将滑块连接到工作台上，从而有效地将工作台与导轨上的非线性摩擦隔离开来，实现了减摩效果，同时采用振动补偿策略，大大降低了超声振动对纳米级定位精度的不利影响，实现高精度的微进给控制及精确定位。具体为：基于刚柔耦合工作台爬行抑制机理的研究，构建刚柔耦合微进给系统机电耦合动力学模型，揭示各影响因素对微进给系统固有属性及动力学特性的影响规律；基于自适应差分进化算法寻求适合本专利中伺服驱动、微量进给的可嵌入数控系统全闭环微动控制新方法，在所构建的数学模型基础上分析传统工作台和具有柔性关节和超声振动装置工作台的低速爬行现象。

本实施例中公开了一种基于超声振动的刚柔耦合微进给系统，通过以下技术方案实现，其如图3所示，包括一个伺服电机1、刚柔耦合关节6、超声振动装置（压电致动器5）、滚珠丝杠传动副（包括滚珠丝杠11、螺母座4）、位移检测装置、位置反馈模块、CNC运动控制器等；具体的如图1所示，包括底座2，在底座2上设置伺服电机1，伺服电机1通过联轴器8连接滚珠丝杠11，滚珠丝杠11的左端通过一个固定支撑9进行支撑，右端通过一个自由支撑12进行支撑；在滚珠丝杠11的两侧各设有滚动导轨7，所述的滚动导轨7与滚珠丝杠11相互平行，滚珠丝杠11与螺母座4螺纹配合，在螺母座4上固定有工作台10，每个滚动导轨7上有滑块3，所述的滑块3通过刚柔耦合关节6与工作台10相连，且每个滑块3上均设有一个压电致动器5；

其中，刚柔耦合关节6将滑块连接到工作台10上，从而有效地将工作台10与滚动导轨7上的非线性摩擦隔离开来，所述压电致动器5施加抖动力(F_d)到每个滑块3上，以在摩擦(F_f)位置处施加超声振动；

进一步的技术方案，刚柔耦合关节6采用了具有非接触和无摩擦特性的四个钢板弹簧组成的柔性铰链，具体的，如图4、图5所示，本实施例中的刚柔耦合关节6包括柔性铰链6-1、电磁线圈6-2、永磁铁6-3、中心平台6-4、外部平台6-5；所述的外部平台6-5为顶部敞口且内部中空的矩形框，在矩形框的中间设置一个中心平台6-4，中心平台6-4的前端面固定一个永磁铁6-3，中心平台6-4的后端面也对应的固定一个永磁铁，与前端面永磁铁6-3对应的设置电磁线圈6-2；与后端面永磁铁对应的也设置电磁线圈，且中心平台6-4与矩形框的前端面之间通过两个柔性铰链6-1相连，中心平台6-4与矩形框的后端面之间通过另外两个柔性铰链6-1相连，即一共有四个柔性铰链；刚柔耦合关节6的外部平台6-5与滑块3连接，中心平台6-4与工作台10连接，刚柔耦合关节6可在两种模式之间主动切换其刚度，即：柔性模式和刚性模式；在运动瞬间及过程中，刚柔耦合关节6在工作台的运动方向上提供足够的柔性，同时在其他正交方向上保持刚性；而一旦工作台就位，刚柔耦合关节6轴向刚度就会变大，处于刚性模式；更为具体的，刚柔耦合关节6的轴向刚度通过两个电磁线圈6-2和永磁铁6-3进行切换，这两个电磁线圈6-2和永磁铁6-3分别连接在柔性装置的外部和中心平台上。当未通电时，永磁铁6-3吸引电磁线圈6-2的铁质电枢，从而通过接触摩擦将柔性装置的中心平台6-4锁定到外部平台6-5（即，刚柔耦合关节处于刚性模式）；通电时，电磁线圈6-2将铁质电枢从永磁铁6-3上拉开，以释放解锁，从而允许滑块和工作台之间可以产生相对运动（即，刚柔耦合关节处于柔性模式）。

进一步的，在中心平台6-4与外部平台之间设置有聚氨酯橡胶板6-6。

进一步的技术方案，本实施例中的超声振动装置为压电致动器5，压电致动器5施加的抖动力F_d在理想情况下，以180°的相位差施加到工作台10两端的滑块3上，使传递到工作台的反作用力相互抵消；在非理想情况下，通过控制系统调节驱动力F_a向工作台10施加补偿力F_comp，将任何未消除的反作用力产生的派生振动降至最低。

进一步的技术方案，滚珠丝杠11采用“固定—自由”的支撑安装方式，即：滚珠丝杠11一端由丝杠固定端安装座固定，所述丝杠固定端安装座内装有一对角接触球轴承，对滚珠丝杠进行径向、轴向约束定位；所述滚珠丝杠远离伺服电机的一端由丝杠支撑端安装座进行自由支撑，即：在丝杠支撑端安装座内装有深沟球轴承，只进行径向约束定位，而轴向自由运动，可抵消丝杠的热伸长。

进一步的技术方案，所述工作台10的伺服电机1采用交流伺服电机，所述交流伺服电机与速度/位置/电流检测器相连，用于感知电机的旋转速度/位置/电流信息，并反馈给伺服控制系统；具体实施例中，伺服电机1由一个速度/位置/电流检测器和一个三相异步交流电机组成；工作台10的伺服电机1通过联轴器8和滚珠丝杠11连接，滚珠丝杠11旋转产生推力，推动螺母及螺母座4和工作台10沿丝杠轴线移动，在运动瞬间及过程中，刚柔耦合关节6在工作台的运动方向上提供足够的柔性，同时在其他正交方向上保持刚性，压电致动器5施加到滑块3上的超声振动辅助工作台进行纳米级定位。速度/位置/电流检测器（为一个检测器）可以检测速度/位置/电流，与所述三相交流异步电机连接，用于感知电机的旋转速度/位置/电流信息，并反馈给所述伺服驱动系统；或者位置检测/反馈装置是指光栅尺，检测对象及检测量是工作台的位移，将检测的位移反馈给CNC上位机，与理论位移作差，其差值作为控制参数。

进一步的技术方案，运动控制器，根据工作台给定运动要求，运动的指令给伺服驱动系统，通过刚柔耦合关节和超声振动装置对爬行现象的抑制，实现工作台的微量进给控制。

进一步的技术方案，伺服驱动系统中包含速度控制电路、位置控制电路、电流控制电路、比较器，根据接收到的速度、位置、电流信息对电机进行控制。

本实施例提出的基于超声振动的刚柔耦合微进给系统，根据工作台给定运动要求，使伺服电机运动指令给伺服驱动系统，通过刚柔耦合关节和超声振动装置对爬行现象的抑制，实现工作台的微量进给控制；其中，刚柔耦合关节可以有效地将工作台与导轨上的非线性摩擦隔离开来，实现减摩效果；压电致动器施加在滑块上的超声振动辅助实现工作台的微量进给控制。

具体控制时，额外增加的谐波消除控制器抑制非理想因素引起的派生振动，刚柔耦合关节通过缓冲和补偿的方案来缓解模式切换时对工作台微进给及定位性能的不利影响。其中刚柔耦合关节将滑块连接到移动工作台上，为了在轴向上产生柔性，采用了具有非接触和无摩擦特性的四个钢板弹簧组成的柔性铰链，柔性装置的外部平台与滑块连接，中心平台与工作台连接，

超声振动辅助纳米级定位方法如图6所示，压电致动器施加的抖动力(F_d)在理想情况下，以180°的相位差施加到工作台两端的滑块上，使传递到工作台的反作用力相互抵消；在非理想情况下，通过控制系统调节驱动力F_d向工作台施加补偿力F_comp，将任何未消除的反作用力产生的派生振动降至最低。通过所述刚柔耦合关节与振动抑制控制相结合，以允许在理论上工作台不振动的情况下应用超声振动，实现工作台的微观的微量进给控制。故本发明的核心思想是使用在运动方向上具有柔性的关节将滑块连接到工作台上，从而有效地将工作台与导轨上的非线性摩擦隔离开来，实现了减摩效果，同时采用振动补偿策略，大大降低超声振动对纳米级定位精度的不利影响，实现高精度的微进给控制及精确定位。

在图3所述基于超声振动的刚柔耦合微进给系统动态性能综合试验平台中，装有各类传感器：温度传感器、压力传感器、噪声传感器、加速度传感器、位移传感器（光栅尺或激光干涉仪）等，实时监测系统动态，并反馈给CNC控制系统，根据系统参数变化调整并发送插补分配指令，保证工作台微进给特性。

具体实施例中，温度传感器安装在支撑轴承处，检测轴承温升。压力传感器安装在丝杠螺母处检测驱动力。噪声传感器也安装在丝杠螺母处，检测白噪声。加速度传感器安装在工作台上，检测工作台的振动；

本实施例基于刚柔耦合伺服系统，将超声振动应用于运动平台实现纳米级定位的新方法，避开了因传统机电伺服系统结构自身固有属性导致的不可避免的、低速非线性爬行现象的影响，实现高精度微量进给控制及精确定位，从根本上消除直线运动的爬行。这种新型进给伺服系统表现出来的优异特性，用于当今数控装备制造业，可以极低的制造成本，获得极高的机床精度和性能。针对提出的基于超声振动的刚柔耦合微进给系统，研究其微进给特性对发展高端数控装备和超精密尖端科技，具有重大意义及广阔的应用前景。

进一步的，针对刚柔耦合关节分别处于柔性模式和刚性模式工况下，在图3构建的实验平台上进行跟踪性能指标检测，借助各类传感器、激光干涉仪、NI数据采集及处理系统等，测试工作台在不同进给速度、不同行程范围内的动态特性（如：振动、温升、均匀性、快速响应性、跟踪误差等）。根据实验测量数据采用自适应差分进化算法对建立的爬行模型、机电耦合动力学模型及控制参数进行优化，直至仿真结果与实验一致。如图7所示为基于LuGre摩擦模型的前馈补偿及自适应滑模控制算法实现的控制方案。

进一步的，如图8所示为基于逆模型扰动观测器的反馈补偿控制方案框图，其中C和G分别表示自适应滑模控制器和系统实际动力学模型，G_n表示系统标准动力学模型，控制方案中增加了一个低通滤波器，称为Q滤波器，以保证系统的稳定性。

进一步的，本实施例还建立刚柔耦合微进给系统的综合动力学模型，利用传递函数框图表征微进给系统的运动关系，如图9所示，通过Simulink仿真及实验分析在复杂工况下工作台低速进给时其输出速度的波动情况。

本实施例提出的基于超声振动的刚柔耦合微进给伺服系统，其具有低速性能好、定位精度高、响应快速、行程范围大、承载能力强、传动刚度大、易于控制等优点；该传动系统与传统进给系统相比，通过超声振动减小预运动区域的非线性摩擦，使工作台对因建模不精确和预运动摩擦刚度时变引起的误差高度不敏感，能够克服低速时出现的爬行现象和过象限突起问题。

可以理解的是，在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“另一实施例”、“其他实施例”、或“第一实施例～第N实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料的特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于超声振动的刚柔耦合微进给系统，包括工作台、导轨和丝杠传动副，所述的丝杠传动副由电机驱动，所述的工作台与丝杠传动副相连，所述导轨上设置有滑块，其特征在于，还包括刚柔耦合关节及压电致动器；所述刚柔耦合关节将滑块连接到工作台上，所述的滑块通过刚柔耦合关节与工作台相连，有效地将工作台与导轨上的非线性摩擦隔离，每个滑块上均设有一个压电致动器，所述压电致动器施加抖动力到每个滑块上，以在摩擦位置处施加超声振动；通过所述刚柔耦合关节与振动抑制控制相结合，以允许在理论上工作台不振动的情况下应用超声振动，实现工作台的微观的微量进给控制；所述压电致动器施加的抖动力在理想情况下，以180°的相位差施加到工作台两端的滑块上，使传递到工作台的反作用力相互抵消；在非理想情况下，通过控制系统调节驱动力向工作台施加补偿力，将任何未消除的反作用力产生的派生振动降至最低。

2.如权利要求1所述的基于超声振动的刚柔耦合微进给系统，其特征在于，所述的刚柔耦合关节包括柔性铰链、中心平台、外部工作台和切换装置，所述的中心平台设置在外部工作台内，中心平台与外部平台之间通过柔性铰链相连，且中心平台和外部平台之间还设置切换装置，通过切换装置控制中心平台与外部平台进行连接或者断开；外部平台与滑块连接，中心平台与工作台连接。

3.如权利要求2所述的基于超声振动的刚柔耦合微进给系统，其特征在于，所述的切换装置包括设置在中心平台前后端面上的永磁铁和设置在外部工作台前后内侧面上的电磁线圈，一个永磁铁对应一个电磁线圈。

4.如权利要求2所述的基于超声振动的刚柔耦合微进给系统，其特征在于，柔性铰链包括四个，中心平台的前端面通过两个柔性铰链与外部平台相连，中心平台的后端面通过两个柔性铰链与外部平台相连。

5.如权利要求1所述的基于超声振动的刚柔耦合微进给系统，其特征在于，所述丝杠传动副的滚珠丝杠一端固定支撑，另一端自由支撑。

6.如权利要求1所述的基于超声振动的刚柔耦合微进给系统，其特征在于，所述的电机采用伺服电机，所述的伺服电机与速度检测器、位置检测器和电流检测器相连。

7.如权利要求1所述的基于超声振动的刚柔耦合微进给系统，其特征在于，还包括温度传感器、压力传感器和加速度传感器；所述的温度传感器检测支撑轴承的温升；压力传感器用于检测电机驱动力大小；加速度传感器用于检测工作台的振动。

8.如权利要求1所述的基于超声振动的刚柔耦合微进给系统，其特征在于，还包括噪声传感器，所述的噪声传感器用于检测环境中的白噪声。

9.如权利要求1所述的基于超声振动的刚柔耦合微进给系统，其特征在于，还包括位移传感器，所述的位移传感器用于检测工作台的位移。

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