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数控超精密加工的精度控制研究和控制参数校准技术

2020-07-10 17:28:41

  【一】、数控超精密加工的精度控制研究

  一、超精密加工以及研究的进度

  精密加工是工业的核心目标,是能力展现的核心内容。在自动化背景下进行的超精密加工技术,始终是技术加工的热点和焦点问题。数控超精密加工上,主要包含了软件和硬件两个方面的研究,后者的研究很加深入。在研究硬件的体系中,超精密加工的精度控制是多元化具体控制的阻碍。大理石平台针对数控超精密加工作为研究的主要内容,涉及到加工精度的未来技术的突破,为后续的实践和提供理论和实践的基础。

  二、超精密加工要求及影响要素

  1、在超精密切削加工阶段

  超精密切削是特指采用金刚石等超硬材料作为刀具的切削加工技术,其加工表面粗糙度Ra可达到几十纳米。在此加工阶段,机械控制精度与材料选择之间的互动对加工结果具有显著的影响。提高机械精度都才用精度很高、精度误差很小的大理石平台作为机床导轨基座。

  2、在精密磨削加工阶段

  利用细粒度和抄袭力度的固结磨料砂轮以及高性能的磨床上,将加工细度提高到超过0.1nm,取出磨床材料,达到加工表面粗糙度的加工方法,指数系数达到了机械结构能够达到了较大的加工精度。不同的精度控制模式相对于加工精度和表面粗糙度,产生的精度范围是不同的,通过排序,得到的精度从12nm到30nm不等,较佳精度可以达到原子级,精度和控制模式上表现的很加稳定,精度较高的磨削方式在稳定性上的表现从24到30,出入很大。

  3、在超精密抛光加工阶段

  超精密抛光是利用微细磨粒的机械作用和化学作用,在软质抛光工具或化学液、电/磁场等辅助作用下,为获得光滑或超光滑表面,减少加工变质层,从而获得高表而质量的加工方法。

  【二】、控制参数校准技术

  光刻机工作台是多变量的控制系统,存在动力学模型非线性、各白由度强藕合的特点,大理石机械构件控制策略在工程实施过程中存在着不可避免的简化,导致控制精度的下降。此外,工作台长期高速运动所致的器件温漂,部件运动过程中的松动也会造成控制参数与实际模型不匹配,进而影响控制精度。因此,需要对工作台的运动特点进行分析,设计相应的参数校准方法,通过对控制参数的校准与标定进而补偿工作台系统中的不确定因素。

  1、电动机常数校准

  电动机常数负责将控制器输出的力转换为驱动电动机运动的电流值,基于控制系统中实测的机械传递函数,计算出系统的测试质量,通过测试质量与工作台实际质量的比值,校正电动机常数,使控制器输出力转换为驱动电流。

  2、加速度前馈控制参数校准

  加速度前馈环路与位置反馈环路之问存在耦合。理论上,如果加速度前馈控制参数足够准确,工作台运动所需驱动力由前馈环节提供,此时,位置误差将为零。基于上述分析,将实测反馈环路的控制力转移到前馈环节,通过改变前馈控制参数来承担所转移的反馈控制力,进而起到校准前馈控制参数的目的。校准过程应该迭代进行,基于跟随误差较小的原则建立目标函数,并采用梯度矢量求解的方法对固定前馈控制结构中的参数进行了校准;基于工作台的规划加速度和实测反馈控制力,计算出转换质量并进行叠加,实现了前馈控制参数的迭代校准。

  3、解耦控制参数校准

  解耦控制器是微动台动力学模型的逆变换,由于工程实施过程中存在简化,解耦控制参数无法与系统特性匹配。在水平向3白由度运动控制中,如果解耦参数准确,一个方向的运动对其他两个方向的跟随误差不会产生影响,基于此,利用运动方向的规划加速度和非运动方向的反馈控制力计算串扰系数,将非运动方向的反馈控制力通过解耦参数的改变(即校准过程)进行转移;基于运动过程中非运动方向跟随误差较小的原则,构建目标函数并进行极值求解,对解耦控制器中的参数进行了校准。


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