[发明专利]一种用于减轻预滑动摩擦的伺服进给装置及控制方法

说明书

本发明公开了一种用于减轻预滑动摩擦的伺服进给装置及控制方法，它解决了现有技术中典型的直线运动导轨滑块在运动反向时无法克服预滑动强非线性摩擦影响的问题，采用基于摩擦模型的前馈补偿方法精确、鲁棒地补偿位置跟踪误差，显著减小预滑动阶段的时变非线性问题的影响，大大提高复杂曲面加工质量；其技术方案为：包括两个相互平行的导轨，每个导轨与多个滑块滑动连接；所述滑块上方安装柔性机构，所述柔性机构支撑于工作台的底部，通过柔性机构减轻预滑动摩擦；所述工作台由直线运动机构驱动，且直线运动机构与工作台之间设置力传感器。

技术领域

本发明涉及高速精密数控加工装备领域，尤其涉及一种用于减轻预滑动摩擦的伺服进给装置及控制方法。

背景技术

直线运动导轨由于其低成本、大运动范围、高离轴刚度和坚固性而被广泛应用于精密运动平台。其在超精密运动平台越来越多的应用，例如，分别作为空气静压轴承和清洁室兼容的替代品。然而，直线运动导轨的使用通常导致位置跟踪误差，当工作台试图克服运动反转期间的预运动(即，预滚动/预滑动)摩擦时发生。位置跟踪误差只能被反馈控制部分地抑制，因为反馈控制只能在误差发生之后才能采取纠正措施，所以，超出了使用反馈控制所能实现的范围。因此，前馈补偿最常用于抑制位置跟踪误差。

位置跟踪误差的前馈补偿是通过使用预运动摩擦模型预测并先发地抵消一个平台所受摩擦力来实现的。为了有效，摩擦模型必须足够精确；并且为了实用，模型应该具有最小数量的参数，这些参数应较易识别，而不需要频繁地重新校准。然而，简单的预运动摩擦模型往往没有足够的精度，因此需要复杂的模型。

此外，简单和复杂的预感摩擦模型都不能对经常作为时间和/或阶段位置的函数出现的机内摩擦动力学的变化具有鲁棒性。因此，需要频繁的重新校准或适应以保持其有效性。

在高速五轴数控加工中心进行复杂曲面加工时，刀架或者工作台经常进行高速加减速运动，即刀架或者工作台需要从高速运动状态迅速减速到停止状态，然后反向加速至高速状态，因刀架或工作台需要频繁进入预滑动/滚动摩擦区域，强烈的预滑动阶段非线性摩擦会导致刀架或者工作台出现位置跟踪误差，从而影响工件表面加工质量。现有的手段通常是进行精确摩擦建模，但还没有从机械结构设计上能解决该问题的方法。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种用于减轻预滑动摩擦的伺服进给装置及控制方法，采用基于摩擦模型的前馈补偿方法精确、鲁棒地补偿位置跟踪误差，显著减小预滑动阶段的时变非线性问题的影响，大大提高复杂曲面加工质量。

本发明采用下述技术方案：

一种用于减轻预滑动摩擦的伺服进给装置，包括两个相互平行的导轨，每个导轨与多个滑块滑动连接；所述滑块上方安装柔性机构，所述柔性机构支撑于工作台的底部，通过柔性机构减轻预滑动摩擦；所述工作台由直线运动机构驱动，且直线运动机构与工作台之间设置力传感器。

进一步的，所述柔性机构包括与滑块相连的外平台、与工作台连接的内平台，内平台与外平台之间通过柔性铰链相连。

进一步的，所述内平台设于外平台内部，呈双平行四边形结构。

进一步的，所述导轨安装于底座上方，所述底座内部安装有用于测量工作台位置的光栅尺。

进一步的，所述直线运动机构为电机驱动的滚珠丝杠机构，电机与滚珠丝杠机构之间安装扭矩传感器。

进一步的，所述滚珠丝杠机构包括丝杠和套设于丝杠上的螺母，螺母与连接架之间设置力传感器，所述连接架与工作台相连。

用于减轻预滑动摩擦的伺服进给装置的控制方法为：

采用PID控制器对所述工作台进行前馈控制，采用GMS模型进行建模；

GMS模型由N个基本块和平行连接的弹簧组成，每个基本块的行为表示为：