大型超精密平面度在線測量與誤差補償技術(shù)
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4 補償加工方法
補償加工是利用計算機控制刀具(砂輪)運動來補償由于機床導(dǎo)軌及加工變形等造成的工件直線度、平面度誤差。
4．1 誤差補償曲線(曲面)
對工件實時測量與補償是非常困難的，因此補償加工采用誤差記憶控制方式，誤差曲線(面)來自上次加工后的工件表面測量結(jié)果。如圖4所示，設(shè) y(x)為通過多傳感器在線測量并經(jīng)過插值誤差分離處理獲得的工件直線度誤差曲線(如果僅對機床導(dǎo)軌形狀誤差進行補償，則 y(x)為導(dǎo)軌副誤差曲線)， f(x)為要求磨削達到的導(dǎo)軌形狀曲線(在對精密機床、測量機導(dǎo)軌進行磨削加工時，為了磨削出高精度導(dǎo)軌，并實現(xiàn)要求的凹凸形狀控制，當要求磨削工件形狀為直線時，f(x)＝0)，Y(x)為要求控制砂輪進給的位移量，則可以通過下式求得 Y(x)。
Y(x)＝ So- k×[ f(x)- y(x)]
這里：So為磨削進刀深度，k為砂輪進給系統(tǒng)剛度、機床運動系統(tǒng)剛度及工件剛度等影響的修正系數(shù)，該系數(shù)需要通過相應(yīng)的實驗研究得到。
4.2 大行程進給的實現(xiàn)
Z軸的位置控制策略因采用的微進給方式不同而不同，若微進給方式為壓電伸縮氣壓調(diào)節(jié)式，則由于粗動控制是通過Z軸電機驅(qū)動精密絲杠完成的，這樣在粗動和微動切換控制時，由粗動控制向微動方式切換時，粗動方式的停止特性則可能成為問題，此時需要通過實驗研究平滑穩(wěn)定的控制方式切換的實現(xiàn)方法。若微進給通過靜壓諧波傳動實現(xiàn)，上述問題就不存在了，但為了實現(xiàn)高分辨率高精度進給，則需要對傳動系統(tǒng)的爬行特性和其它非線性特性加以注意并采取措施。
4.3 微量進給系統(tǒng)特性分析及補償加工方法研究
由于實現(xiàn)微量進給的電致伸縮元件、氣體減壓閥、氣體軸承多個環(huán)節(jié)的非線性和不確定性會給傳統(tǒng)控制方法獲得的控制結(jié)果帶來誤差。針對這一問題分為兩部分進行研究:
(1)微量進給控制系統(tǒng)的建立及動態(tài)特性分析；
(2)實際補償控制方法研究。
4．3．1微量進結(jié)系統(tǒng)的建立及動態(tài)持性分析
由于補償加工時，砂輪作旋轉(zhuǎn)運動以及其它各種干擾因素的影響，對砂輪位移量直接精確測量非常困難，傳感器的長期穩(wěn)定性和和精度也不易保證。因此在建立控制系統(tǒng)時，采用易于安裝且精度與穩(wěn)定性好的氣體壓力傳感器(測量精度＜0．1％，年漂移＜0．2％)檢測氣'體軸承進氣調(diào)節(jié)壓力變化進行半閉環(huán)控制，這樣一方面可以避免壓電晶體磁滯效應(yīng)的影響，另一方面采用合適控制策略通過'半閉環(huán)控制可以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。
在進行系統(tǒng)特性實驗前，首先對其物理模型進行分析，在此基礎(chǔ)上對各環(huán)節(jié)進行參數(shù)辨識，再對模型及參數(shù)進行優(yōu)化，以使跟蹤控制誤差達到最小。主要完成的工作為：
a)測定靜態(tài)電壓位移曲線、氣壓位移曲線；
b)選擇線性段區(qū)域測定系統(tǒng)增益系數(shù)；
c)理論分析各環(huán)節(jié)物理模型：
d)采用隨機噪聲序列或階躍響應(yīng)曲線建模并辨識模型參數(shù)。
實驗表明，供氣壓力—砂輪位移關(guān)系可近似表示為一帶純滯后的二階欠阻尼系統(tǒng)，電壓—氣壓關(guān)系則由于氣體減壓閥進氣孔與泄氣孔不同而特性不同，采用階躍法獲得進氣和泄氣過程響應(yīng)曲線，再對其分別建模辨識。
其關(guān)系都可以表示為模型參數(shù)不同的純滯后一階慣性系統(tǒng)。
由于系統(tǒng)環(huán)節(jié)過程較多，造成系統(tǒng)模型經(jīng)過一段時間會產(chǎn)生一定漂移，這樣會影響控制質(zhì)量。為克服這一問題，在實際補償加工控制系統(tǒng)中設(shè)置兩種模態(tài)：測試模態(tài)和控制調(diào)節(jié)模態(tài)。開始補償加工前系統(tǒng)處于測試模態(tài)下，施加階躍響應(yīng)信號測試系統(tǒng)模型和模型參數(shù)。然后進入控制調(diào)節(jié)模態(tài)，由測試模態(tài)得到的系統(tǒng)模型修改控制器參數(shù)，然后由此控制器對系統(tǒng)動態(tài)特性進行控制。由于系統(tǒng)的非線性特性，線性模型是一種近似模型，采用非線性建模方法可望得到更精確態(tài)模型。
4．3．2實際補償控制方法研究
應(yīng)用于大型超精密平面磨床的實際補償控制方法主要有以下幾點要求：可靠穩(wěn)定、精確快速、系統(tǒng)的魯棒性強。
為了提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，可以采用“前饋+PID”的控制方法，圖5給出的是該方法的控制系統(tǒng)框圖，圖中 F(s)前饋控制環(huán)節(jié)， G1(s)為 PID控制環(huán)節(jié)?？紤]進氣與泄氣時 G2(s)具有不同的傳遞函數(shù)，相應(yīng)地，其前饋控制環(huán)節(jié)和 PID控制環(huán)節(jié)也不同。
閉環(huán)系統(tǒng)誤差傳遞函數(shù)為：
一般認為靜壓軸承為一高階模型，其模型結(jié)構(gòu)可參考有關(guān)文獻，從目前掌握的資料來看，對于這種調(diào)節(jié)供氣壓力式的空氣靜壓軸承，其動態(tài)模型尚未進行研究。由于氣體壓力數(shù)字調(diào)節(jié)不易實現(xiàn)，對其模型直接進行辨識存在一定困難。實際實驗中，將整個系統(tǒng)連接起來，通過驅(qū)動壓電晶體調(diào)節(jié)進氣腔氣體壓力，就得到整個系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線。 電容傳感器相關(guān)文章:電容傳感器原理
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