CN109877628A - 一种基于混合驱动的大行程刀具伺服装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
发明公开一种基于混合驱动的大行程刀具伺服装置及其控制方法，包括压电驱动装置、洛伦兹力驱动装置、基体、柔性导向机构、装刀平台和位移传感器，压电驱动装置和洛伦兹力驱动装置设置于基体上，洛伦兹力驱动装置连接于压电驱动装置的后端，装刀平台固定于压电驱动装置的前端，压电驱动装置通过其两侧的柔性导向机构与基体连接，位移传感器用于测量所述刀具的位移，所述控制方法包括音圈电机开环控制及压电驱动闭环补偿控制，本发明兼具洛伦兹力驱动大行程优点及压电驱动高频响、亚纳米运动分辨率优点，以高频响压电补偿***响应速率，实现刀具运动轨迹的快速、超精密跟踪，可极大拓展FTS***切削能力。
Description
技术领域
本发明属于伺服控制技术领域，特别涉及一种基于混合驱动的大行程刀具伺服装置及其控制方法。
背景技术
复杂光学表面由于具有诸多优异特性在不同领域得到了广泛的应用，而该类元件表面复杂度的增加对其制造技术提出了更高的挑战，而基于快速刀具伺服(Fast toolservo，以下简称FTS)的单点金刚石切削技术被认为是该类复杂光学元件极具发展前景的制造技术。
在30余年的发展中，FTS技术取得了长足的发展。为获得不同的工作性能，基于FTS的单点金刚石切削技术的驱动方式主要有压电驱动、洛伦兹力驱动、及麦克斯韦法应力驱动等；而其运动导向机构则普遍采用柔性机构及气浮导轨等方式。其中，洛伦兹力驱动结合柔性机构或气浮导轨被主要用于实现大行程FTS，而其低驱动力密度则使得响应速度较慢，难以实现轨迹的高带宽、快速跟踪。压电驱动与麦克斯韦法应力驱动则一般结合柔性机构被用于实现高带宽及低行程运动，适合于微纳功能结构表面的切削创成。受限于驱动原理，压电驱动与麦克斯韦法应力一般难以直接实现大行程运动。因此，不管采用何种驱动或运动导向方式，均不可避免的存在着运动行程与响应速度间的物理矛盾。
发明内容
针对上述存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于混合驱动的大行程刀具伺服装置及其控制方法，以洛伦兹力与压电混合驱动柔性导向机构实现大行程及亚纳米分辨率刀具定位运动。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于混合驱动的大行程刀具伺服装置，包括压电驱动装置、洛伦兹力驱动装置、基体、柔性导向机构、装刀平台和位移传感器，所述压电驱动装置和洛伦兹力驱动装置设置于所述基体上，所述洛伦兹力驱动装置连接于所述压电驱动装置的后端，所述装刀平台固定于压电驱动装置的前端，所述压电驱动装置通过其两侧的柔性导向机构与所述基体连接，所述装刀平台用于安装刀具，所述位移传感器用于测量所述刀具的位移。
进一步地，所述洛伦兹力驱动装置是音圈电机。
进一步地，所述音圈电机包括永磁铁、线圈、定子铁芯和动子，所述定子铁芯与基体固定连接，所述动子套设于所述定子铁芯的外部，所述线圈缠绕在动子的外表面，所述永磁铁设置于所述线圈的外部。
进一步地，压电驱动装置包括压电驱动器和桥式柔性机构，所述压电驱动器放置于桥式柔性机构内部并由螺栓进行预紧，所述装刀平台固定于桥式柔性机构的一个输出端，所述柔性导向机构位于桥式柔性机构输入输出端的两侧。
进一步地，所述压电驱动装置为轴对称结构并与所述动子一体连接。
进一步地，所述柔性导向机构包括四个柔性铰链，所述压电驱动装置的两侧分别通过两个柔性铰链与所述基体连接。
进一步地，还包括传感器基体，所述位移传感器固定于所述传感器基体上。
根据上述所述的基于混合驱动的大行程刀具伺服装置的控制方法，所述控制方法包括音圈电机(VCM)开环控制及压电驱动(PEA)闭环补偿控制，
所述音圈电机开环控制的控制过程包括：
步骤1.1，根据音圈电机的结构求得音圈电机驱动装置的动力学方程：
其中，Mp为PEA驱动装置相对洛伦兹力驱动的等效运动质量；MV为VCM驱动装置相对洛伦兹力驱动的等效运动质量；cV为VCM驱动装置的等效阻尼系数；为VCM驱动装置的输入刚度；y(t)为时域内的刀具位移；FL(t)为时域内大行程刀具伺服装置的驱动力；
步骤1.2，对所述动力学方程进行Laplace变换得到音圈电机的传递函数从而确定音圈电机的阶数，
其中，PV(s)为VCM驱动装置的实际模型；Y(s)为频域内的刀具位移；Vm(s)为频域内施加在VCM上的电压；n为线圈匝数；B为作用于线圈空隙的磁场强度；l为每匝线圈有效作用长度；Lm为驱动线圈等效电感；Rm为驱动线圈等效电阻；Kmvs为反电磁力常数；T(s)为频域内大行程刀具伺服装置的驱动力；s为复数变量，对应于时域内的变量t；
步骤1.3，以伺服装置的输入信号R(s)和开环控制***辨识获得的名义模型的逆引入自由度大于等于的自由度的低通滤波器Q(s)，
其中：τf＝(2πfc)-1,fc为低通滤波器截止频率；
步骤1.4，将作用于所述音圈电机驱动线圈，实现轨迹开环跟踪；
所述压电驱动闭环补偿的控制过程包括：
步骤2.1，得到伺服装置的输入电压信号R(s)与Y(s)的差作为闭环补偿***运动误差E(s)，
步骤2.2，将该运动误差E(s)输入到控制器C(s)中并考虑外部干扰d(s)的影响计算获得PEA驱动装置的实际模型PP(s)，并输出于压电驱动器，实现压电驱动对***运动的跟踪补偿，其中：
ρk为权重系数；ε＞0为控制器参数(ε为控制器C(s)的参数，实际控制器参数设计时，ε可预设为某一常数，为获得最优权重系数ρk，以给定的相角裕度、幅值裕度及截止频率为约束条件，以低频高增益为设计目标以降低***稳态跟踪误差并增强抗扰动能力)；
K＝KaRP(Ra+RP)-t (7)
τ＝RaRPCP(Ra+RP)-1 (8)
PP(s)为PEA驱动装置的实际模型；X(s)为PEA驱动装置输出位移；Vc(s)为频域内施加在PEA上的电压；nP为压电堆叠层数；d33为压电常数(压电陶瓷压电常数d33＝4.6×10-10)；kP为PEA刚度；AP为放大比；Ka为压电功率放大器的放大系数；RP为PEA的等效电阻；Ra为压电功率放大器的等效电阻；CP为PEA的等效电容；MB为桥式柔性机构的等效运动质量；cB为桥式柔性机构的阻尼系数；为压电驱动装置的输入刚度。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明兼具洛伦兹力驱动大行程优点及压电驱动高频响、亚纳米运动分辨率优点，以高频响压电补偿***响应速率，实现刀具运动轨迹的快速、超精密跟踪，可极大拓展FTS***切削能力；(2)压电驱动装置为轴对称结构，可有效抵消压电驱动惯性力对音圈电机动子的扰动，从而实现压电与音圈电机驱动***的动力学解耦；(3)本发明基于混合驱动的大行程刀具伺服装置的控制方法在闭环驱动电压驱动下，压电做相应运动并在桥式柔性机构导向、放大作用下驱动装刀平台做直线运动，该压电驱动直线运动叠加音圈电机的直线运动，能够补偿音圈电机开环运动误差，以***误差计算获得压电驱动电压信号，压电驱动***可同时补偿外部扰动所带来的***运动误差。
附图说明
图1为本发明基于混合驱动的大行程刀具伺服装置的整体结构示意图。
图2为图1中部分结构的横向剖视图。
图3为图1中压电驱动装置相关结构放大图。
图4为本发明基于混合驱动的大行程刀具伺服装置的控制方法的控制框图。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
结合图1-2，一种基于混合驱动的大行程刀具伺服装置，包括压电驱动装置、洛伦兹力驱动装置、基体3、柔性导向机构7、装刀平台8和位移传感器4，所述压电驱动装置和洛伦兹力驱动装置设置于所述基体3上，所述洛伦兹力驱动装置连接于所述压电驱动装置的后端，所述装刀平台8固定于压电驱动装置的前端，所述压电驱动装置通过其两侧的柔性导向机构7与所述基体3连接，所述装刀平台8用于安装刀具，在实际使用中根据需要安装所需刀具，所述位移传感器4用于测量所述刀具的位移。
进一步地，所述洛伦兹力驱动装置是音圈电机2。
进一步地，结合图2，所述音圈电机2包括永磁铁11、线圈12、定子铁芯13和动子14，所述定子铁芯13与基体3固定连接，所述动子14套设于所述定子铁芯13的外部，所述线圈12缠绕在动子14的外表面，所述永磁铁11设置于所述线圈12的外部。
进一步地，结合图3，压电驱动装置包括压电驱动器5和桥式柔性机构9，所述压电驱动器5放置于桥式柔性机构9内部并由螺栓进行预紧，所述装刀平台8固定于桥式柔性机构9的一个输出端，所述柔性导向机构7位于桥式柔性机构9输入输出端的两侧。
进一步地，结合图2-3，所述压电驱动装置为轴对称结构并与所述动子14一体连接。
进一步地，所述柔性导向机构7包括四个柔性铰链1，所述压电驱动装置的两侧分别通过两个柔性铰链1与所述基体3连接。
进一步地，结合图1，还包括传感器基体6，所述位移传感器4固定于所述传感器基体6上。
结合图4，根据上述所述的基于混合驱动的大行程刀具伺服装置的控制方法，所述控制方法包括音圈电机(VCM)开环控制及压电驱动(PEA)闭环补偿控制，
所述音圈电机开环控制的控制过程包括：
步骤1.1，根据音圈电机的结构求得音圈电机驱动装置的动力学方程：
其中，Mp为PEA驱动装置相对洛伦兹力驱动的等效运动质量；MV为VCM驱动装置相对洛伦兹力驱动的等效运动质量；cV为VCM驱动装置的等效阻尼系数；为VCM驱动装置的输入刚度；y(t)为时域内的刀具位移；FL(t)为时域内大行程刀具伺服装置的驱动力；
步骤1.2，对所述动力学方程进行Laplace变换得到音圈电机的传递函数从而确定音圈电机的阶数，
其中，PV(s)为VCM驱动装置的实际模型；Y(s)为频域内的刀具位移；Vm(s)为频域内施加在VCM上的电压；n为线圈匝数；B为作用于线圈空隙的磁场强度；l为每匝线圈有效作用长度；Lm为驱动线圈等效电感；Rm为驱动线圈等效电阻；Kmvs为反电磁力常数；T(s)为频域内大行程刀具伺服装置的驱动力；s为复数变量，对应于时域内的变量t；
步骤1.3，以伺服装置的输入信号R(s)和开环控制***辨识获得的名义模型的逆引入自由度大于等于的自由度的低通滤波器Q(s)，
其中：τf＝(2πfc)-1,fc为低通滤波器截止频率；
步骤1.4，将作用于所述音圈电机驱动线圈，实现轨迹开环跟踪；
所述压电驱动闭环补偿的控制过程包括：
步骤2.1，得到伺服装置的输入电压信号R(s)与Y(s)的差作为闭环补偿***运动误差E(s)，
步骤2.2，将该运动误差E(s)输入到控制器C(s)中并考虑外部干扰d(s)的影响计算获得PEA驱动装置的实际模型PP(s)，并输出于压电驱动器，实现压电驱动对***运动的跟踪补偿，其中：
ρk为权重系数；ε＞0为控制器参数(ε为控制器C(s)的参数，实际控制器参数设计时，ε可预设为某一常数，为获得最优权重系数ρk，以给定的相角裕度、幅值裕度及截止频率为约束条件，以低频高增益为设计目标以降低***稳态跟踪误差并增强抗扰动能力)；
K＝KaRP(Ra+RP)-1 (7)
τ＝RaRPCP(Ra+RP)-1 (8)
PP(s)为PEA驱动装置的实际模型；X(s)为PEA驱动装置输出位移；Vc(s)为频域内施加在PEA上的电压；nP为压电堆叠层数；d33为压电常数(压电陶瓷压电常数d33＝4.6×10-10)；kP为PEA刚度；AP为放大比；Ka为压电功率放大器的放大系数；RP为PEA的等效电阻；Ra为压电功率放大器的等效电阻；CP为PEA的等效电容；MB为桥式柔性机构的等效运动质量；cB为桥式柔性机构的阻尼系数；为压电驱动装置的输入刚度。
本发明的工作过程可以分为三种工作模式：
模式1：不给压电驱动器5提供驱动电压信号，亦即压电驱动装置不工作，仅给音圈电机2提供控制信号，驱动线圈12在开环控制电压驱动下驱动动子14在音圈电机2柔性导向机构7作用下做直线运动(即在图2中的上下方向运动)，可以实现大行程低频响的运动，适用于对跟踪精度要求不高但对行程要求较高的应用场合。
模式2：不给音圈电机2提供控制信号，亦即洛伦兹力驱动装置不工作，仅给压电驱动器5提供驱动电压信号，在桥式柔性机构9导向、放大作用下驱动装刀平台8做直线运动，可以实现小行程高频响的运动，适用于对跟踪精度要求较高但对行程要求不高的应用场合。
模式3：驱动线圈12在开环控制电压驱动下驱动动子14在音圈电机柔性导向机构7作用下做直线运动，压电驱动装置串联固定于动子14上，在闭环驱动电压驱动下，压电驱动器5做相应运动并在桥式柔性机构9导向、放大作用下驱动装刀平台8做直线运动，该压电驱动直线运动叠加于音圈电机直线运动上，并补偿音圈电机开环运动误差。由于所采用控制策略中以***误差计算获得压电驱动电压信号，压电驱动***可同时补偿外部扰动所带来的***运动误差，适用于大行程且跟踪精度要求高的应用场合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种基于混合驱动的大行程刀具伺服装置，其特征在于，包括压电驱动装置、洛伦兹力驱动装置、基体(3)、柔性导向机构(7)、装刀平台(8)和位移传感器(4)，所述压电驱动装置和洛伦兹力驱动装置设置于所述基体(3)上，所述洛伦兹力驱动装置连接于所述压电驱动装置的后端，所述装刀平台(8)固定于压电驱动装置的前端，所述压电驱动装置通过其两侧的柔性导向机构(7)与所述基体(3)连接，所述装刀平台(8)用于安装刀具，所述位移传感器(4)用于测量所述刀具的位移。
2.根据权利要求1所述的基于混合驱动的大行程刀具伺服装置，其特征在于，所述洛伦兹力驱动装置是音圈电机(2)。
3.根据权利要求2所述的基于混合驱动的大行程刀具伺服装置，其特征在于，所述音圈电机(2)包括永磁铁(11)、线圈(12)、定子铁芯(13)和动子(14)，所述定子铁芯(13)与基体(3)固定连接，所述动子(14)套设于所述定子铁芯(13)的外部，所述线圈(12)缠绕在动子(14)的外表面，所述永磁铁(11)设置于所述线圈(12)的外部。
4.根据权利要求3所述的基于混合驱动的大行程刀具伺服装置，其特征在于，压电驱动装置包括压电驱动器(5)和桥式柔性机构(9)，所述压电驱动器(5)放置于桥式柔性机构(9)内部并由螺栓进行预紧，所述装刀平台(8)固定于桥式柔性机构(9)的一个输出端，所述柔性导向机构(7)位于桥式柔性机构(9)输入输出端的两侧。
5.根据权利要求4所述的基于混合驱动的大行程刀具伺服装置，其特征在于，所述压电驱动装置为轴对称结构并与所述动子(14)一体连接。
6.根据权利要求1-5任一项所述的基于混合驱动的大行程刀具伺服装置，其特征在于，所述柔性导向机构(7)包括四个柔性铰链(1)，所述压电驱动装置的两侧分别通过两个柔性铰链(1)与所述基体(3)连接。
7.根据权利要求6所述的基于混合驱动的大行程刀具伺服装置，其特征在于，还包括传感器基体(6)，所述位移传感器(4)固定于所述传感器基体(6)上。
8.根据权利要求2-7任一项所述的基于混合驱动的大行程刀具伺服装置的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括音圈电机(VCM)开环控制及压电驱动(PEA)闭环补偿控制，
所述音圈电机开环控制的控制过程包括：
步骤1.1，根据音圈电机的结构求得音圈电机驱动装置的动力学方程：
其中，Mp为PEA驱动装置相对洛伦兹力驱动的等效运动质量；MV为VCM驱动装置相对洛伦兹力驱动的等效运动质量；cV为VCM驱动装置的等效阻尼系数；为VCM驱动装置的输入刚度；y(t)为时域内的刀具位移；FL(t)为时域内大行程刀具伺服装置的驱动力；
步骤1.2，对所述动力学方程进行Laplace变换得到音圈电机的传递函数从而确定音圈电机的阶数，
其中，PV(s)为VCM驱动装置的实际模型；Y(s)为频域内的刀具位移；Vm(s)为频域内施加在VCM上的电压；n为线圈匝数；B为作用于线圈空隙的磁场强度；l为每匝线圈有效作用长度；Lm为驱动线圈等效电感；Rm为驱动线圈等效电阻；Kmvs为反电磁力常数；T(s)为频域内大行程刀具伺服装置的驱动力；s为复数变量，对应于时域内的变量t；
步骤1.3，以伺服装置的输入信号R(s)和开环控制***辨识获得的名义模型的逆引入自由度大于等于的自由度的低通滤波器Q(s)，
其中：τf＝(2πfc)-1，fc为低通滤波器截止频率；
步骤1.4，将作用于所述音圈电机驱动线圈，实现轨迹开环跟踪；
所述压电驱动闭环补偿的控制过程包括：
步骤2.1，得到伺服装置的输入电压信号R(s)与Y(s)的差作为闭环补偿***运动误差E(s)，
步骤2.2，将该运动误差E(s)输入到控制器C(s)中并考虑外部干扰d(s)的影响计算获得PEA驱动装置的实际模型PP(s)，并输出于压电驱动器，实现压电驱动对***运动的跟踪补偿，其中：
pk为权重系数；ε＞0为控制器参数；
K＝KaRP(Ra+RP)-1 (7)
τ＝RaRPCP(Ra+RP)-1 (8)
PP(s)为PEA驱动装置的实际模型；X(s)为PEA驱动装置输出位移；Vc(s)为频域内施加在PEA上的电压；nP为压电堆叠层数；d33为压电常数4.6×10-10；kP为PEA刚度；AP为放大比；Ka为压电功率放大器的放大系数；RP为PEA的等效电阻；Ra为压电功率放大器的等效电阻；CP为PEA的等效电容；MB为桥式柔性机构的等效运动质量；cB为桥式柔性机构的阻尼系数；为压电驱动装置的输入刚度。
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