快轴伺服系统关键技术研究

非回转对称表面在现代光学系统中的应用越来越多，超精密单点金刚石切削能够加工多种有色金属与光学材料，是其加工的重要方法之一，但对于表面高低差在几个到几十个毫米的非回转对称表面，现有的快刀伺服装置行程小，不能胜任，而慢刀伺服频响低，加工效率低，加工周期长导致温度等各种因素影响加工面形，也难以满足加工要求。国际上正在研究的长行程高频响刀具伺服装置由于存在结构设计与抗干扰能力的问题还不能保证加工的面形精度与表面质量，因此有必要研究新的刀具伺服技术。本项目使用长行程音圈电机驱动低惯量、高刚度的气体静压轴承，并采用磁流变可控阻尼器增大系统阻尼，以提高系统在各种加工条件下的抗干扰能力，通过对系统的分析建模，优化设计与伺服控制等关键技术的研究，开发一种具有长行程、高频响、高精度与较强抗干扰能力的快轴伺服系统，期望能满足该类零件的加工要求，以推动其广泛应用，并为新型非回转对称表面零件的研发提供技术支撑。

超精密金刚石车削方法是非回转对称表面（或自由曲面）加工的重要方法，现有的慢刀伺服和快刀伺服技术对表面高低差在毫米量级的光学零件的加工都存在着局限性。因此有必要研究一种兼顾频响和行程的刀具伺服机构以实现高精度、高效率的非回转对称表面加工，降低该类光学零件的加工成本，提高加工精度与表面质量，长行程高频响的刀具伺服装置则应运而生，我们将这种刀具伺服技术称为快轴伺服。项目主要研究内容如下：.(1) 完成了以梯形截面形状气浮导轨为基础的快轴伺服系统的设计、加工以及装配调试工作，分析了气浮导轨的静、动态特性对系统性能的影响。.(2) 针对系统特定的零部件，设计了精加工的加工工艺方法，得到可用的加工结果，并且提出了基于本系统的轴承-气浮导轨精确安装工艺方法。.(3) 设计了系统的外加磁力阻尼装置并进行了实验，结果表明其对系统的运动性能有一定的改善。.(4) 提出了PID十速度/加速度前馈十NOTCH滤波+自适应控制的控制环算法，用来改善系统的运动性能，并在实验中得到了验证；系统工作行程为30mm，位置保持精度为10nm，运动幅值为4mm时，工作频率可达到50Hz，远超过课题指标大行程（不小于20mm）、高频响（在行程4mm时不低于20Hz）、高精度(小于0.1μm)的要求，达到国际同类产品研究水平。.(5) FAS系统0.1mm阶跃响应的上升时间为2ms，最大超调量为0.4%，稳态时间为4ms，对铝件进行超精密切削实验，表面粗糙度可达Ra13nm，实验结果表明系统具有较好的动态和切削特性，为以后该系统在实际加工中更广泛的应用研究打下了基础。