工艺·装各 《电加工与模具》2008年第6期 三维微细电火花加工精密运动系统的设计研究 林海波1 (1.台州职业技术学院机电工程学院,浙江台州318000; 2.浙江工业大学机电工程学院,浙江杭州310014) 摘要:提出一种新的、可用于多种微细加工的、低速、多自由度并具有纳米精度的三维极微细 电火花加工系统。初步枸建出极微细电火花加工机电系统功能模块,实现极微细电火花三维加工 过程的监测与控制;优化加工系统的控制和基本的工艺参数设置;达到纳米级电火花加工的关键技 术途径。 关键词:微细电火花加工;超精密;平台;微结构 中图分类号:TG661 Research on Design of a Three Dimensions Ultra Precision system Lin haibo.2 (1. Taizhou Vocational Technical College, Taizhou 318000, China; 2. Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China Abstract The paper aimed at this demand, to develop a new multi dimension, low speed, nanom eter level precision minute electric spark forming system. Basically constructed the minute electric spark functional module. Realized the processing process monitor and the control; achieves the key technolo gies wayof t minute electric spark forming system. Optimized theprocessing systems control and ba Key words: micro EDM; ultra-precision; stage; microstructur 现代制造技术的发展,使学科交叉、复合加工技 粗加工时,首先要用扫描的方式加工出所需要 术的特点日益突出,在尖端技术和产品的需求下,开的廓形。具体做法是在水平面内一个方向上实现步 拓新的加工机理,进入到纳米级和亚纳米级加工精进,另一个方向运动 度是先进制造业必然的选择。如今国外的微细电火 在精加工时,因粗加工已完成了各层的扫描,所 花加工已步入工业应用阶段,而我国微细电火花加以精加工的放电电流小,要在各个水平面内按廓形 工专用机床也应运而生。 轨迹运动(这一点与粗加工是不同的),且Z向步进 的量也要小。 1运动平台的结构确定 XY向可实现扫描方式的运动及平面曲线的运 1.1运动平台的工作要求 动(以满足上述的粗、精加工的要求)。运动速度在 本运动平台的基本工作要求是利用微细电火花1mms以下,加工时最小的移动速度在1pm/s,其 加工的腐蚀作用。用这种特种加工方法加工一种真奂载在2kg以下,运动有效范围可在100mm×100 三维结构其工艺过程分为粗加工和精加工两个过mm内(四寸硅片) 程 平台采用简单叠加式结构。优点:结构简单,控 制方便,成本低,周期短。由于运动速度在加工过程 收稿日期:2008-08 中基本是恒定的,速度很慢,且电机及平台的高度很 作者简介:林海波,男,1977年生,讲师 低,重量较轻,所以可采用简单的叠加型,即XY叠层
工 艺·装备 《电加工与模具}2008年第6期 三维微细 电火花加工精密运动 系统 的设计研究 林 海 波 ' (1．台州 职业技 术学 院机 电工 程学 院 ，浙 江 台州 318000； 2，浙 江工业 大学 机 电工程 学院 ，浙江 杭州 310014) 摘要 ：提 出一种新的、可用于多种微 细加工的、低速、多 自由度并具有纳米精度的三维极微 细 电火花加 工 系统。初 步构 建 出极 微 细 电火花加 工机 电 系统 功 能模 块 ，实现极 微 细 电 火花 三 维加 工 过程的监测与控制 ；优化加工 系统的控制和基本的工艺参数设置；达到纳米级 电火花加工的关键技 术途径 。 关键 词 ：微细 电火 花加工 ；超 精密 ；平 台 ；微 结构 中图分类 号 ：TG661 Research on Design ofaThreeDimensionsUltraPrecision system Lin Haibo· (1．TaizhouVocational& TechnicalCollege，Taizhou318000，China； 2．Zh@angUniversityofTechnology，Hangzhou310014，China) Abstract：Thepaperaimedatthisdemand，todevelopanew multidimension，low speed，nanom— eterlevelprecisionm inuteelectricspark form ingsystem ．Basically constructed theminuteelectricspark functionalmodule．Realized theprocessing proces monitorand thecontrol：achievesthekey technolo— gieswayoftminuteelectricspark forming system ．Optimized theprocessing system ’Scontroland ba— sictechnologicalparameter—establishment． Keywords：micro EDM ；ultra—precision；stage；m icrostructur 现代制造技术的发展 ，使学科交叉 、复合加工技 术 的特点 日益 突出 ，在 尖端 技术 和产 品 的需 求下 ，开 拓新 的加工机 理 ，进 入 到纳 米 级 和 亚 纳米 级 加 工 精 度 是先 进制 造业必 然 的选择 。如今 国外 的微 细 电火 花加工 已步人 工 业应 用 阶段 ，而 我 国微 细 电火 花 加 工 专用 机床 也应运 而生 。 1 运动平 台的结构确定 1．1 运 动平 台的 工作要 求 本运 动平 台 的基本工 作要 求是 利用微 细 电火 花 加工的腐蚀作用 。用这种特种加工方法加工一种真 三维结 构 ，其 工 艺过 程 分 为 粗 加工 和精 加 工 两个 过 程 。 收稿 日期 ：2008—08—08 作者简介 ：林海波，男 ，1977年 生，讲师 。 粗加 工 时 ，首 先 要用 扫 描 的 方式 加 工 出所 需 要 的廓形 。具 体做法 是在 水平 面 内一 个方 向上实 现步 进 ，另一 个方 向运 动。 在精 加工 时 ，因粗 加 工 已完 成 了各层 的扫 描 ，所 以精 加工 的放 电 电流 小 ，要 在各 个 水 平 面 内按 廓 形 轨迹 运 动(这一 点与粗 加 工是 不 同 的 )，且 Z 向步 进 的量 也要 小 。 xY 向可实现 扫描 方式 的运 动及 平 面 曲线 的运 动 (以满 足上述 的粗 、精 加 工 的要 求 )。 运动 速 度 在 1mm／s以下 ，加工 时 最 小 的移 动 速 度 在 1 m／s，其 负载 在 2kg以下 ，运 动 有效范 围可在 100mm×100 mm 内(四寸硅 片)。 平 台采 用简单 叠加 式结 构 。优点 ：结 构 简单 ，控 制方 便 ，成本 低 ，周 期短 。 由于运 动速度 在加工 过程 中基 本是恒 定 的 ，速度 很慢 ，且 电机及平 台的高度很 低 ，重 量较轻 ，所 以可采用简单 的叠加型 ，即 xY叠 层 ～ 6】 一
《电加工与模具》2008年第6期 工艺·装备 型,再加上独立的z向单维运动平台,如图1所示。的定位精度;这对于后期运动平台的装调起到了极 重要的作用。在此平台上,预留了安装PI公司的 PS87型大行程、六自由度、单模块压电陶瓷的纳米 级精度的微动平台,以便为达到更高的精度对三坐 标精密平台的运动误差进行补偿(图2)。 图1叠加式结构示意图 Z向实现竖直方向的步进式进给运动,其步进 长度为0.1--1.0gm,有伺服功能,也就是说根据 放电加工的情况,如遇短路,可快速回退。Z向承载 在1kg以下,行程为100mm。(根据工件高度不 同,用于调整加工的位置,并为以后对XY方向的 运动的粗精结合扩展留下余量。)机床的最大运动 速度不超过20mm/s。 1.2本设计的平台系统结构 整个电火花加工系统的构成主要由环境保证系 图2运动平台机架示意图 统、电源、运动平台、电火花加工头、数控系统等部分 2.2传动系统 极微细电火花加工的精密运动平台,若采用伺 权衡各方面的要求,采用粗精结合的方式,粗动 服电机加滚珠丝杠的形式,由于丝杠有间隙,所以用 台上面预留位置叠加精动台机架是花岗岩,具有减于扫描时有回程误差为了克服这一缺点,选用了精 震,减少热变形的作用。 密陶瓷型的直线电机,它是利用压电驱动原理,无中 宏动平台采用简单的将两个一维运动平台叠加间环节,精度高(分辩率可达20mm),且低速性能 结合的形式,采用独立的Z向运动平台 好,经比较我们选用了性价比较高的 Nanomotion精 开始加工时,首先要用扫描的方式加工出所需密压电陶瓷电机,其速度范围为1m到20m,且 要的廓形,具体做法是在水平平面内扫描工件廓形 低速稳定性好,可满足极微细电火花加工的工作要 然后Z向步进,继续加工。 求。1-3 因为供液要求以及工件在液体内加工,这些都 能实现无间隙运动,提高机械系统的运动刚度 可能会影响实现在线观测的要求研究时采用非实因压电陶瓷直线电机的驱动力有限,不能克服自身 时观测。 动力的影响,所以必须设计配重装置。经多方考虑 有两种方式可供选择,一种是浸液加工,另一种比较,选择了简单的重物精确平衡配重的方法。 是使液体顺着电极流下。因不需要排屑、热量较少, 精密压电陶瓷电机的驱动采用AB1A放大器进 没有明显温升,因此本研究中采用浸液加工的方法。行驱动,输人为+/-10V模拟指令(与通用的控制 2平台总体结构设计 器/卡相匹配),输出AC信号,频率39.6kHz,电压 270Vms(每个电机用一个驱动器),简单易用 2.1结构布局 2.3反馈系统 移动平台能实现X、Y、Z3个方向上的精密移 如无激光干涉仪作为反馈的话,因粗动平台的 动,工作台的行程为150mm×150mm×100mm。误差要时刻用精动平台来进行补偿,所以必须用高 由于平台的精密定位要求,需非常高的热稳定性、抗精度的光栅尺作为反馈。光栅XYZ3个方向的光 振性,所以材料选择了热膨胀系数很小、阻尼相对较栅尺应尽可能的与导轨的中线共面 大的花岗岩。平台横梁采用一个整体石材加工而 通过分析,确定XYZ轴均采用光栅尺作为反 成,保证了横梁本身的精度,尤其是横梁底面、右侧馈,以简化平台的结构,且还能保证平台具有很高的 面、正面不仅保证了很高的形状精度,且保证了很高运动精度。闭环反馈采用10mm精度的开放式光
《电加工与模具}2008年第6期 工 艺·装备 型 ，再加上独立 的 z向单维运 动平台 ，如图 1所 示。 图 1 叠 加 式结 构 不 惹 图 Z 向实现 竖直 方 向 的步进 式进 给 运动 ，其步 进 长度为 0．1～～1．0 m，有伺服 功能 ，也就 是说 根据 放 电加工 的情况 ，如遇短路 ，可快 速 回退 。z向承 载 在 1kg以下，行程为 100mm。(根据工件高度 不 同 ，用于 调整 加 工的 位置 ，并 为 以后 对 xy 方 向 的 运动的粗精 结 合扩 展 留下余 量 。)机 床 的最 大 运 动 速度 不超过 20mm／s。 1．2 本 设计 的平 台系统 结构 整个 电火 花加工 系统 的构成 主要 由环境保证 系 统 、电源 、运动平 台 、电火 花加工头 、数控 系统等部 分 组成 。 权衡各方 面的要求 ，采用粗 精结合 的方式 ，粗动 台上面预 留位置叠加精 动 台 ，机 架是花 岗岩 ，具 有减 震 ，减少热 变形 的作用 。 宏动平 台采用 简单 的将两个 一维运 动平 台叠加 结合 的形 式 ，采用独 立的 Z向运 动平 台。 开始 加工 时 ，首先 要用 扫 描 的方式 加 工 出所 需 要 的廓形 ，具体做法 是在水 平平面 内扫描工 件廓形 ， 然后 Z向步进 ，继续加工 。 ． 因为供 液要求 以及工 件在 液 体 内加工 ，这些 都 可能会 影响实 现在 线 观测 的 要求 ，研 究 时采 用 非实 时观测 。 有两种方式可供选择，一种是浸液加工 ，另一种 是 使液体顺 着电极 流下。 因不需要排 屑 、热 量较少 ， 没 有明显 温升 ，因此本研究 中采用浸 液加工 的方法 。 2 平 台总体结构设计 2．1 结构布 局 移动平 台能实 现 x、y、Z 3个方 向上 的精 密移 动 ，工作 台的行程 为 150mm ×150mm X100mm。 由于平台的精密定位要求 ，需非常高的热稳定性 、抗 振性 ，所 以材 料选择 了热膨胀 系数很 小 、阻尼相对较 大的花 岗岩 。平 台 横 梁 采 用 一个 整 体 石 材加 工 而 成 ，保 证 了横 梁本 身 的精 度 ，尤其 是 横梁 底 面 、右侧 面 、正面不仅保证了很高的形状精度，且保证了很高 一 62 一 的定位精度；这对 于后期运动平 台的装调起到了极 重要 的 作 用 。在 此平 台 上 ，预 留了 安 装 PI公 司 的 P587型大行 程 、六 自由度 、单 模块 压 电 陶瓷 的纳 米 级精度 的微动平 台 ，以便 为达 到更 高 的精 度 对三 坐 标精密平台的运动误差进行补偿(图 2)。 图 2 运 动平 台机 架不 意 图 2．2 传 动 系统 极 微 细 电火花 加 工 的精密 运 动平 台 ，若 采用 伺 服 电机加滚珠 丝杠 的形式 ，由于丝杠 有间隙 ，所 以用 于 扫描时有 回程误 差 ，为 了克服这一 缺点 ，选 用 了精 密 陶瓷型 的直线 电机 ，它是 利用压 电驱动原 理 ，无 中 间环节 ，精 度 高 (分 辩 率 可 达 20rim)，且 低 速 性 能 好 ，经 比较我 们选用 了性价 比较高 的 Nanomo6on精 密 压 电陶瓷 电机 ，其 速度 范 围为 1 m 到 20n1m，且 低速 稳定性 好 ，可 满 足极 微细 电 火花 加 工 的工 作要 求 。 ～ 能实现 无 间隙运动 ，提高机械 系统 的运 动刚度 ； 因压电陶瓷 直线 电机 的驱动 力 有 限 ，不 能 克服 自身 动力 的影 响 ，所 以 必须 设计 配 重装 置 。经 多 方考 虑 比较 ，选择 了简单 的重物精 确平衡 配重 的方 法 。 精密 压 电陶瓷电机 的驱动采用 AB1A放 大器 进 行驱 动 ，输 入为 +卜 10V 模拟 指 令 (与通 用 的控制 器／卡相 匹 配 )，输 出 AC信 号 ，频率 39．6kHz，电压 270Vrms(每个 电机用 一个驱 动器)，简单 易用 。 2．3 反 馈 系统 如 无激 光干 涉 仪作 为反 馈 的话 ，因粗 动 平 台的 误 差要 时刻用精 动 平 台来进 行 补偿 ，所 以必 须用 高 精度的光栅尺作 为反馈。光栅 x 3个方 向的光 栅 尺应尽 可能 的与导轨 的 中线共 面 。 通过 分析 ，确 定 XYZ 轴 均 采 用 光 栅 尺 作 为 反 馈 ，以简化平 台的结构 ，且还 能保 证平 台具有很 高的 运 动精度 。 闭环 反 馈 采 用 10nm 精 度 的 开 放式 光
工艺·装备 《电加工与模具》2008年第6期 栅,可直接实现大行程的精密运动 构大部分为一维运动结构,半导体制造技术中的大 2.4系统模块通信 部分为XY的三轴结构。由于我们目前讨论的是 工件的控制模块主要有三部分:数控系统、超微控制系统基本结构,主要解决二级运动的协调问题, 细电火花加工电源和电火花加工头,它们有自己的所以可借鉴以上两种技术采用的基本控制结构,而 协同要求,互相之间还要保持一定的通信功能,完成控制系统的具体设计方案,要根据我们的实际系统 协同工作任务。 特性进行设计。 XYZ的伺服控制的要求较高,XY方向不但可 各运动台的控制系统采取不同的输入、输出和 实现一个方向的步进,另一个方向的扫描,且可实现反馈信息引入的位置(即不同的控制结构方案),会 平面内的任意曲线的伺服控制。Z向可实现步进控产生不同的运动效果。如图3所示,系统G1(s)代 制,并也要实现伺服控制。4 表粗动台系统,G2(s)为精动台系统,目标参考输入 当检测到短路时,向运动子系统发出中断申请,为精动台系统输入,精动台输出作为粗动台的输入 使z向退回,此时要求能记录下XYZ的位置,此时最终运动为粗动台和精动台的合成 XY方向要停止运动,当Z向再次回位时,继续加 G1! 超微细电火花加工头在任何时候,都可接受外 部的一个中断申请,控制加工头是否放电,且与 XYZ相配合。最重要的是,因超微细电火花加工 间隙控制非常严格,加工头的压电陶瓷驱动装置的 G2(s) 个重要任务就是和电源协同,通过电源信号判断 当前的间隙距离,然后对放电间隙进行伺服动作 2.5数控系统的选择 图3串联系统原理图 控制系统的结构组成,主要参考目前多轴数控 系统目标输人,精动台运动,当精动台与粗动台 加工中心和并联机床的控制系统。系统硬件采用的相对位置超出预定范围还未达到目标点时粗动 “一台PC+若干计算单元”的主从式控制结构,计算台则运动一段距离,精动台再进行调整,直到输出与 单元由单片机、PLC、DSP担任。主机是系统软件的输入的误差为零。当采用压电式的精动台时,压电 硬件支撑,并负责一些数字逻辑控制。从机的计算陶瓷驱动的精动台伸长一定长度还不能达到目标位 单元,主要负责运动控制相关的逻辑计算。这样分置,则令粗动台开始运动,压电陶瓷恢复原长后,再 工的目的是为了保障运动差补速度和运动精度 根据目标点进行调整。 数控系统软件功能包括系统管理(文本编辑、诊2.52平行结构控制 断模块、参数设定、补偿模块、仿真模块)实时多任 此方案具有以下特点:以精动台的运动为主运 务调度系统、运动学算法相关(位置逆解、位置正解、动粗动台弥补精动台行程短的缺点利于伸缩原理 速度模型、精度模型)、轨迹控制(伺服驱动、实时监的微型驱动器的应用,总体稳态精度较高。运动切 控、通讯模块,插补模块)。前两部分由主机完成,后换点多,运动速度慢,系统动态性能不好。 两部分主要由从机完成。 系统动态性能较差,随动性能不好。系统精度 轴和多轴运动目前多采用运动控制卡或运动取决于全闭环反馈,如不能实现大行程全闭环,粗精 控制器实现。这些运动控制卡或控制器目前多采用两套反馈不能保证整体精度 开放式设计,通过编程控制电机实现多轴联动。通 系统属于一个平行结构,系统目标同时输入粗 过程序输入目标点或曲线,由控制器内部算法生成动和精动系统。粗动和精动控制器通过判断输出位 各轴电机的控制信号。部分运动控制卡,提供可选移与目标值误差e的大小来产生运动。当c远远大 的位置环或速度环反馈 于粗动台的精度时,让粗动控制器令粗动台开始运 2.5.1二级传动控制 动,精动台不动。当e接近粗动台的精度并小于精动 目前釆用二级定位结构的主要是光盘存储技术台的行程时,令粗动台停止运动精动台开始运动。 和半导体制造技术,光盘存储技术中的二级定位结 系统逻辑结构简单,便于今后的具体控制算法
工 艺·装备 《电；0~n-与模具)2008年第6期 栅 ，可 直接 实现大 行程 的精 密运 动 。 2．4 系统模 块通 信 工件 的控制模 块 主要 有三部 分 ：数控 系统 、超微 细电火 花加工 电 源 和 电火 花 加 工 头 ，它们 有 自己 的 协 同要 求 ，互 相之 间还 要保持 一定 的通 信功 能 ，完成 协 同工作任 务 。 XYZ的伺 服控制 的要 求较 高 ，XY 方 向 不但 可 实现 一个方 向的步进 ，另一 个方 向的 扫描 ，且可 实现 平面内的任意曲线的伺服控制。z向可实现步进控 制 ，并 也要 实现伺 服控 制 。H 当检 测到短 路时 ，向运 动子 系统 发 出中断 申请 ， 使 Z 向退 回，此时要 求能记 录下 XYZ 的位 置 ，此 时 XY方 向要 停 止 运 动 ，当 z 向 再 次 回位 时 ，继 续 加 工 。 超微 细 电火 花 加工 头 在任 何 时 候 ，都 可 接受 外 部的一 个 中断 申请 ，控 制 加工 头是 否 放 电，且 与 XYZ相配 合 。最重要 的是 ，因超 微细 电火 花 加工 的 间隙控 制非 常严 格 ，加 头 的压 电陶瓷 驱 动装 置 的 一 个重 要任 务就 是 和 电源 协 同 ，通 过 电源 信 号 判 断 当前 的间 隙距离 ，然后对 放 电间 隙进行伺 服 动作 。 2．5 数 控 系统 的选择 控 制 系统 的结 构组 成 ，主 要 参考 目前 多轴 数 控 加工 中心 和 并 联 机 床 的控 制 系统 。系 统 硬 件 采 用 “ 一 台 PC+若 干计算 单元 ”的主从式 控制 结构 ，计 算 单 元 由单 片机 、PLC、DSP担 任 。主机是 系 统 软件 的 硬件支撑，并负责一些数字逻辑控制。从机 的计算 单 元 ，主要负 责运 动 控 制 相关 的逻 辑 计算 。这 样 分 工 的 目的是 为了保 障运 动差补 速度 和运 动精 度 。 数 控系统 软件 功能包 括 系统管 理 (文本 编辑 、诊 断模 块 、参数设 定 、补 偿 模块 、仿 真模 块 )、实 时 多 任 务 调度 系统 、运 动学 算法 相关 (位置 逆解 、位 置正解 、 速度 模 型 、精度 模 型 )、轨 迹 控 制 (伺 服 驱 动 、实 时监 控 、通讯模 块 ，插 补模 块 )。前两 部分 由主机完 成 ，后 两部 分 主要 由从 机完 成 。 三轴 和多轴 运 动 目前 多采 用运 动控制 卡 或运 动 控制 器实 现 。这 些运 动控 制卡或 控 制器 目前 多采用 开放式 设计 ，通 过 编 程 控制 电机 实 现 多轴 联 动 。通 过程序输入 目标点或曲线 ，由控制器 内部算法生成 各轴电机的控 制信号。部分运动控制卡，提供 可选 的位置 环或 速度 环反 馈 。_5 2．5．1 二级传动控制 目前采用 二 级定 位结 构的 主要是 光盘 存储 技术 和半 导体 制造 技术 ，光 盘存 储 技 术 中的 二 级 定位 结 构大部 分为一 维 运 动结 构 ，半 导 体 制 造技 术 中的 大 部 分为 XY0的三 轴 结 构 。 由于 我 们 目前 讨 论 的 是 控制 系统基 本结 构 ，主要解 决二级 运动 的协 调 问题 ， 所 以可借 鉴 以上 两 种技 术 采 用 的基 本 控 制 结 构 ，而 控 制系统 的具 体 设 计方 案 ，要 根 据 我们 的实 际 系 统 特性进 行设计 。 各 运 动 台 的控 制 系统 采 取不 同的输 入 、输 出和 反 馈信 息 引入 的 位置 (即不 同 的控 制结 构 方 案 )，会 产生不 同的运 动 效 果 。如 图 3所 示 ，系统 G1(S)代 表 粗动 台系统 ，G2(s)为 精 动 台系统 ，目标 参 考输 入 为精动 台 系统 输 入 ，精 动 台输 出作 为粗 动 台的输入 ， 最 终运 动为粗 动 台和精 动 台的合 成。 ] l } 一L—]；+ 图 3 串联 系 统 原 理 图 系统 目标 输入 ，精动 台运 动 ，当精 动 台与粗 动 台 的相 对位置 超 出 预定 范 围 还未 达 到 目标 点 时 ，粗 动 台则 运动 一段 距离 ，精动 台再 进行调 整 ，直 到输 出与 输入 的误差 为 零 。 当采 用 压 电式 的精 动 台时 ，压 电 陶瓷驱 动的精 动 台伸长 一定 长度还 不能达 到 目标位 置 ，则 令粗 动 台开 始运 动 ，压 电 陶瓷恢 复原 长 后 ，再 根据 目标 点进 行调 整 。 2．5．2 平 行结 构控 制 此方 案 具有 以下 特 点 ：以精 动 台 的运 动 为 主运 动 ，粗 动 台弥补 精动 台行 程短 的缺点 ，利 于伸缩 原理 的微型驱动器的应用 ，总体稳态精度较高。运动切 换点 多 ，运 动速 度慢 ，系统 动态性 能不 好 。 系统 动态性 能较 差 ，随 动 性 能不 好 。 系统 精 度 取决 于全 闭环反 馈 ，如不 能实现 大行 程全 闭环 ，粗精 两套 反馈不 能保 证整 体精 度 系统 属 于一 个 平 行 结构 ，系统 目标 同时 输入 粗 动和 精动 系统 。粗 动和精 动控制 器通 过判 断输 出位 移与 目标值误差 e的大小来产生运动。当 e远远大 于粗动 台 的精 度 时 ，让 粗 动 控 制 器 令粗 动 台开 始运 动 ，精动 台不动 。当 接 近粗动 台的精度 并小 于精动 台的行程 时 ，令 粗动 台停止 运动 ，精动 台开始运 动。 系统 逻辑 结 构 简 单 ，便 于今 后 的具 体 控制 算 法 一 63 —
《电加工与模具》2008年第6期 工艺·装备 的设计,通过对宏动和微动运动环节控制的改进可定),基于精确模型设计的控制器很难达到理想的控 大大改善系统以上缺点。图4所示为在该基础结构制效果。当模型不确定性存在时,一般采用自适应 基础上设计的跟踪寻轨主从控制系统。 和鲁棒控制方法来达到控制目标。当模型不确定性 的界已知时,通常采用滑模控制方法和神经网络动 态补偿自适应的控制方法。 3结论 本文根据微尺度三维结构加工的特点,研究、寻 求创成三维结构高加工精度的原理,初步建成超高 精度三维结构的微制造系统原型,主要解决大行程 驱动中高精度微进给技术。在设计中分析了现有的 图4平行结构系统原理图 精密运动平台的搭建原理及各种电机、反馈装置的 宏动控制系统一般采用简单闭环控制。微动控优缺点。最终完成一种新的、可用于多种微加工方 制系统则采用能够保证系统稳态精度和动态响应速法的、低速、多自由度的、具有纳 度的控制方法,例如前馈+反馈等。原文中,两个系平台的设计方案。 统一般采用不同精度的位移传感器进行反馈,问题 在于惯性位移部分应如何处理。6 参考文献 可实现粗动精动分别运动和同时运动,也就是1刘建琴,张策,王玉新,等,微进给机构综述[].机械传动 可以本在方案的结构基础上实验不同的运动方式。 199923(1):4 为了今后实验中设计具体控制方案,可以将这个运[2]庄夔,庄永方,王玉民,等.超微进给工作台及超薄切片机[ 动协调控制的功能模块从运动控制器中分离出来 器仪表学报,1995,16(2):193-196 单独完成两个运动之间的协调,便于采用数字逻辑 [3]宋文荣,于国飞,王延风,等,磁悬浮微进给机构研究[J.中国 机械工程,2003,14(13):1090-1093 控制方法的实施。 [4]戴一帆,彭小强,超精密车床伺服进给机构设计研究[J].光学 该方案的数字控制应用,从查阅的文章来看目 精密工程,20004):355-359 前的二级传动应用控制系统大部分都是基于这种结[5张飞虎张春河,王平一种纳米级超精密镜面磨削的微进给 构开发出来的。在这种基本结构上,采用不同设计 工作台[].仅器仪表学报,1996,17(1):388 方法进行控制器的设计,可以满足多种系统的需要, [6] amplifiers[J]. Innovative Actuators for Mechatronic Systems IEE 因此采用这用控制系统结构是比较利于今后的研究 Colloquium on, 1995(11): 1-5 工作的 7] Goo Bong Chung, Byung-Ju Yi, etl. Design and analysis of a spa 无论采用以上那种结构方案,本系统的都属于 tial 3-DOF Micromanipulator for tele-operation[C].Proceedings MIMO(多人多出)系统。系统输入为,目标点三坐 of the 2001 IEEE/RS] Systems Maui, Hawaii, USA, Oct. 29 标X、Y、Z,输出为粗动台的3轴运动量和微动台 的3轴运动量。设计控制器时釆用现代控制理论, 对整个定位系统的结构建立动力学等效模型。在此(上接第60页) 基础上,抽象出该系统执行机构等各部分的传递矩参考文献: 阵G(s),并抽象出整个系统的结构框图,通过系统 machining characteristics of micro- EDM using transistor type iso 辨识,确定整个系统状态方程。然后根据系统的特 pulse generator and servo feed control[ J]. Precision Engineering 点与要求选择合适的控制(如PID、最优控制等)方 2004,28:378-385 法,求解出系统状态方程中控制器矩阵的各参数,则2]ChGx, CouGH,DisC,etal. Design of energy-controllable 完成控制器的设计 pulse[J]. Key Engeering Materials, 2008, 375-376: 403-407 如控制对象的模型存在较多的非线性因素和不3黄正瑾,CPLD系统设计技术入门与应用M].北京:电子工 业出版社,2002 确定因素(例如动态误差等),即精确的系统模型难41何信龙,PC16F87X快速上手[M].北京:清华大学出版杜 以建立的时候(系统状态方程的参数难以辨识确 2002
《电加工与模具)2oo8年第6期 工 艺·装备 的设计 ，通过对 宏 动 和微 动运 动 环节 控 制 的改进 可 大大改善 系统 以上 缺点 。图 4所示 为在该 基础结构 基础上设 计 的跟 踪寻轨 主从控制 系统 。 1夏 鼐 图 4 平 行 结 构 系统 腺 理 图 宏动控 制系统一 般采用 简单 闭环控 制 。微 动控 制 系统则采 用能够保 证系统稳 态精度 和动态 响应速 度的控制方 法 ，例 如前馈 +反 馈等 。原文 中 ，两 个 系 统一般采用 不 同精度 的 位移 传感 器 进行 反 馈 ，问题 在于惯性 位移 部分应 如何 处理 。 可 实现 粗 动精 动分 别运 动和 同 时运动 ，也 就是 可 以本在 方案 的结 构基 础上 实 验不 同的运 动 方式 。 为 了今后 实验 中设计 具 体控 制 方案 ，可 以将 这 个运 动协调控 制的功 能模 块 从运 动控 制 器 中分 离 出来 ， 单独完成 两个运 动 之 问的 协调 ，便 于采 用数 字 逻辑 控制 方法 的实 施 。 该方 案 的数字 控制 应 用 ，从 查 阅 的文章 来看 目 前 的二级传 动应用控 制系统 大部分都是 基于这 种结 构 开发 出来 的。在 这 种基 本 结构 上 ，采用 不 同设 计 方法 进行控制 器 的设计 ，可 以满足多种 系统 的需 要 ， 因此 采用这用 控制 系统结构是 比较利 于今后 的研究 工作 的 。 无论 采用 以上那 种结 构方 案 ，本 系统 的都 属于 MIMO(多人 多 出)系统 。_7系统输 入 为 ，目标 点 三坐 标 X、y、z，输 出为 粗 动 台的 3轴 运 动量 和 微 动 台 的 3轴运动量 。设 计 控 制器 时采 用 现代 控 制 理论 ， 对 整个定位 系统 的结构建立 动力学 等效模 型。在此 基础 上 ，抽象 出该 系统 执 行机 构 等各 部 分 的传 递矩 阵 G(s)，并抽象 出整 个 系统 的结构 框 图 ，通 过 系统 辨识 ，确定整个系统状态方程。然后根据系统的特 点与要求选择合适 的控制(如 PID、最优控制等 )方 法 ，求解出系统状态方程中控制器矩阵的各参数 ，则 完成 控制器 的设计 。 如控制对 象 的模 型存在 较多 的非线性 因素 和不 确定 因素 (例 如动 态误 差 等 )，即精确 的系统 模 型难 以建 立 的 时 候 (系 统 状 态 方 程 的 参 数 难 以 辨 识 确 定 )，基于精 确模 型设计 的控制器很 难达到理 想的控 制效果 。当模型 不确 定 性存 在 时 ，一般 采用 自适 应 和鲁棒控 制方法来 达 到控 制 目标 。 当模 型不 确定性 的界 已知 时 ，通 常采 用 滑模 控制 方 法和 神 经 网络动 态补偿 自适应 的控制方 法 。 3 结论 本文根 据微尺度 三维结 构加工 的特点 ，研 究、寻 求创成三维结构高加工精度的原理 ，初步建成超高 精度 三维结 构 的微 制 造 系统 原 型 ，主要解 决 大行 程 驱动中高精度微进给技术。在设计中分析了现有的 精密运 动平 台 的搭建 原 理及 各 种 电机 、反馈 装 置 的 优缺点 。最 终完成 一 种 新 的、可 用 于多 种微 加工 方 法的 、低速 、多 自由度 的、具 有纳 米 精度 的三 维运 动 平 台的设 计方 案。 参 考文献 ： [1] 刘建琴 ，张策 ，王 玉新，等 ．微进 给机构综 述 [j]．机械 传动 ， 1999，23(1)：47—50． [2] 庄夔 ，庄永方，王玉民 ，等．超微进给工作台及超薄切片机[J]． 仪器仪表学报，1995，16(2)：193～196． [3] 宋文荣 ，于国飞，王延风 ，等．磁悬浮微进给机构研究 [J]．中国 机械 工 程 ，2003，14(13)：1090—1093． [4] 戴一帆，彭小强．超精密车床伺服进给机构设计研究[J] 光学 精密工程 ，2000(4)：355—359． [5] 张飞虎 ，张春河，王平．一种 纳米级超精密镜面磨削 的微进给 工作台[J]．仪器仪表学报 ，1996，17(1)：388． [6] KingTG ，XuW．Piezomotomusjngflexurehingeddisplacement amplifiers[J]．InnovativeActuatorsforMechatronicSystemslEE Colloquium on，1995(11)：1—5． [7] CooBongChung，Byung．JuYi，et1．Designandanalysisofaspa— tial3-DOFMieroman~pulatorfortele．operation[C]．Proceedings ofthe2001IEEE／RSJSystemsMaui，Hawaii，USA，Oct．29一 NOV．03，2001． (上接 第 60页) 参考文献 ： [1] FuzhuHan，ShinyaWaehi，MasanoriKunied．Improvementof machiningcharacteristicsofmicro-EDM using transistortypeiso— pulsegeneratorandservofeedcontrol[J]．PrecisionEngineering， 2004，28：378— 385． [2] ChiGx，CaoG H，DiSC，eta1．Designofenergy．controllable pulse[J]．KeyEngeeringMaterials，2008，375—376：403—407． [3] 黄正瑾 ．CPLD系统设计技术入 门与应用[M]．北京 ：电子工 业出版社 ，2002． [4] 何信 龙．PIC16F87X快速 上手[M]．北京 ：清华大学 出版社 ， 2002．
