课题基金 / 基金详情

面向三自由度压电快刀伺服的柔性机械位移放大器设计与控制研究

批准号:
51605102
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
23.0 万元
负责人:
汤晖
依托单位:
学科分类:
微纳机械系统
结题年份:
2019
批准年份:
2016
项目状态:
已结题
项目参与者:
王素娟、张揽宇、曾昭和、邱迁、周志强

项目摘要

结项摘要

项目成果

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中文摘要
快速刀具伺服加工是微结构表面金刚石超精密切削加工的重要方法,通过宏微复合方式增加一套独立于数控车床之外的可实现高频往复运动的系统来实现超精密车削加工。本项目针对大行程、高精度的三自由度压电陶瓷快刀伺服的需求,创新性提出基于三级差动杠杆放大原理设计一种具有毫米级行程、纳米级精度的柔性机械位移放大器;拟通过研究各因素对刀具微纳进给的影响机理,揭示切削力波动等因素与迟滞非线性的内在联系,探索通过改进的率相关PI模型建立关于驱动电压、切削力、位移之间的多动态强耦合在线迟滞非线性模型,并设计出复合非线性PID进给控制算法;提出基于PVDF压电薄膜集成设计对未知扰动具有自适应抑制和补偿的刀具智能减振装置,建立基于实时切削状态的FTS全方位自感知—驱控一体化交互设计思想,从新的角度解决高频切削刀具减振与误差补偿难的问题。研究成果在微结构表面器件超精密加工设备等领域具有重要的理论与实践意义。
英文摘要
Fast tool servo machining is an important method of the diamond ultra-precision machining of microstructured surface. It is realized by adding a set of independent high frequency reciprocating system to the common CNC machine in a macro/micro composite manner. The project is proposed towards 3-DOF piezo-actuated fast tool servo with large stroke and high resolution, thus a type of flexible mechanical displacement amplifier with large magnification ratio is creatively designed, which is based on the principle of three-grade differential lever displacement amplification; after studying the mechanism between the cutting force variation and hysteresis nonlinearity, high dynamic and strong coupling hysteresis nonlinearity on-line model in terms of driving voltage, cutting force, cutting depth is established by using a modified rate-dependent Prandtl-Ishlinski model, a micro/nano feed control strategy is proposed on the basis of nonlinear PID control algorithm; an omnidirectional distributed intelligent piezoelectric thin-film device is designed, and a type of self-sensing drive-control integration interaction design method based on the real-time cutting status is put forward aims to achieve real-time adaptive tool vibration suppression and compensation control, which proposes a new idea for the hard nut of high-rate cutting tool vibration isolation and error compensation. The research achievements not only have important theoretical value, but also can provide support for the realization of domestic independent development and application of ultra-precision machining intelligent equipment towards the manufacture of military and civilian microstructured device surface.
本课题针对三自由度压电陶瓷快刀伺服器实现过程中大行程与高精度同时实现的困难,严格按照项目任务书的要求开展了理论研究与技术攻关,取得的代表性研究成果如下:.1)设计了一个新型的二维精密微定位大行程平台,定位精度为400nm,定位平台工作空间可达到1.035mm×1.035mm;.2)研制了一个基于3-PUU并联柔性机构的新型三自由度快刀伺服装置,定位精度可达0.2微米;.3)开发了一种新型三自由度FTS装置。该装置三个方向的寄生运动均在5%以内,工作行程为38μm,工作带宽可达860Hz,定位精度为±150nm,可应用于微结构表面加工,加工误差2μm,很好地满足微结构阵列的高效高精加工需求;.4)设计了一个基于新型柔性位移放大器的单自由度大行程快速刀具伺服装置,行程可达114.9μm,固有频率316.84Hz;.5)提出的基于OS-ELM迟滞非线性建模方法,与其离线模式,即ELM迟滞非线性模型,还有BP神经网络迟滞非线性模型进行实验对比。OS-ELM迟滞非线性模型的的训练学习时间远小于BP神经网络迟滞非线性模型的训练学习时间,前者比后者快了约200倍,在5HZ运动频率时,运动行程约为10um时,跟踪误差在0.2um以下,且在50HZ运动频率时,跟踪总体相对误差小于2%;.6)设计了一种基于SARMA的前馈迟滞补偿控制策略。结合传统的PI和SARMA模型,开展了一系列的高频轨迹跟踪对比实验,成功地验证了该模型与控制方法的有效性和优越性。实验结果一致表明:SARMA模型比传统的PI模型控制精度和线性度均提高了将近20倍,FTS轨迹动态跟踪的平均线性度控制在0.48%(320nm)以内,行程80μm,控制带宽可达200Hz;.7)提出了一种力感知控制的方法。该策略用于微加工,能够精确控制力的大小,精度在400N范围内经验证为±1N,在6000N/s以下,力感知的偏差保持在2N。结果证明了力感知控制可以实现精确的力控制,即使这样,应该进一步优化已开发的系统并集成到实际的微加工系统中。.本项目在研究过程中,将核心理论成果与实验研究结果进行了及时总结,共发表含录用学术论文15篇,其中 SCI 期刊论文5篇,EI收录论文10篇(含期刊、会议);获授权发明专利7项,软件著作权3项等,很好地完成了项目进度计划的研究任务。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
DOI: 10.1007/s00170-017-0549-x
发表时间: 2017-06
期刊: The International Journal of Advanced Manufacturing Technology
影响因子: --
作者: [Zelong Wu;Hui Tang;Sifeng He;Jian Gao;Xin Chen;S. To;Yangmin Li;Zhijun Yang]
通讯作者: Zelong Wu;Hui Tang;Sifeng He;Jian Gao;Xin Chen;S. To;Yangmin Li;Zhijun Yang
DOI: 10.1109/tii.2019.2930078
发表时间: 2020-03
期刊: IEEE Transactions on Industrial Informatics
影响因子: 12.3
作者: [Zelong Wu;Hui Tang;Zhaoyang Feng;Weimin Wang;Sifeng He;Jian Gao;Xin Chen;Yunbo He;Xun Chen]
通讯作者: Zelong Wu;Hui Tang;Zhaoyang Feng;Weimin Wang;Sifeng He;Jian Gao;Xin Chen;Yunbo He;Xun Chen
A Stable Autoregressive Moving Average Hysteresis Model in Flexure Fast Tool Servo Control
柔性快刀伺服控制中稳定的自回归移动平均磁滞模型
DOI: 10.1109/tase.2019.2899342
发表时间: 2019-07-01
期刊: IEEE TRANSACTIONS ON AUTOMATION SCIENCE AND ENGINEERING
影响因子: 5.6
作者: [Li, Jiedong, Tang, Hui, He, Yunbo]
通讯作者: He, Yunbo
DOI: 10.1109/tie.2017.2758749
发表时间: 2018-05-01
期刊: IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS
影响因子: 7.7
作者: [Tang, Hui, Gao, Jian, Li, Yangmin]
通讯作者: Li, Yangmin
面向半导体前道量测的空间超精密对位 性能调控研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    10.0万元
  • 批准年份:
    2025
  • 负责人:
    汤晖
  • 依托单位:
晶圆级芯片直接倒装互连微纳操纵关键基础研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    10.0万元
  • 批准年份:
    2019
  • 负责人:
    汤晖
  • 依托单位:
高密度晶圆级芯片直接倒装互连高效精准一致创成关键技术研究
  • 批准号:
    51975132
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    60.0万元
  • 批准年份:
    2019
  • 负责人:
    汤晖
  • 依托单位:
国内基金
海外基金