大口径光学抛光系统的气动压力控制 -.pdf

第 3 4卷第 3期 2 0 1 3年 3月 仪 器 仪 表 学 报 C h i n e s e J o u r n a l o f S c i e n t i f i c I n s t r u me n t Vo 1 ． 3 4 No ． 3 Ma r ．201 3 大 口径光学抛光 系统 的气动压力控制 术 王楷 ，吕 科 ，石为人 ， 李江波 1 ． 重庆大学 自动化学院重庆4 0 0 0 3 0 ； 2 ． 深圳市先进智能技术研究所深圳5 1 8 0 0 0 摘要为提高大口径光学抛光设备的加工工艺， 在具有行星式旋转结构的末端执行器的基础上， 提出了一种高精度、 高稳定 性 的气动压力控制系统 ， 解 决了整个系统设计 中的气动关键技术 问题 。从整个 系统 的设计 角度分析 了执行装 置的工作原 理和 整个气动部分不同参数对控制的影响， 以指导压力控制系统的设计。利用压力传感器和比例阀及多组双模态 P I D控制算法构 建了闭环压力控制系统， 以实现高精度 、 高稳定性的抛光盘压力控制。实验结果表明， 该气动压力控制系统可以满足大13 径抛 光 系统 对压力的设计要求 。 关键词 抛光磨头； 压力控制； 气动控制系统 ； 双模态 P I D 中图分 类号 T P 2 7 3 T H 8 6 文献标识 码 A 国家标准学科分 类代 码 5 1 0 ． 5 0 1 5 Pne u m a t i c p r e s s ur e c o n t r o l o f l a r g e c a l i be r o p t i c a l po l i s hi n g s y s t e m W a n g Ka i ，L v Ke ，S h i We i r e n ，L i J i a n g b o ． C o l l e g e o f A u t o ma t i o n ， C h o n g q i n g e ， C h o n g q i n g 4 0 0 0 3 0 ， C h i n a ； 2 ． T h e S m a r t e c h I n s t i t u t e ， S h e n z h e n 5 1 8 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o i mp r o v e t h e p r o c e s s i n g t e c h n o l o g y o f l a r g e c a l i b e r o p t i c a l p o l i s h i n g e q u i p me n t ， b a s e d o n t h e e n d a e - t u a t o r wi t h t h e p l a n e t t y p e r o t a t i o n a l s t r u c t u r e， a k i n d o f h i g h p r e c i s i o n， h i g h s t a b i l i t y p n e u ma t i c p r e s s u r e c o n t r o l s y s t e m i s p r o p o s e d i n t h i s p a p e r ， wh i c h s o l v e s t h e p n e u ma t i c k e y t e c h n i c a l p r o b l e m i n t h e o v e r a l l s y s t e m d e s i g n ． F r o m t h e p o i n t o f v i e w o f o v e r all s y s t e m d e s i g n， t h e o p e r a t i o n p rin c i p l e o f t h e a c t u a t o r a n d t h e e f f e c t o f d i f f e r e n t p a r a me t e r s o f t h e p n e u ma t i c s e c t i o n o n t h e s y s t e m c o n t r o l a r e a n a l y z e d， wh i c h c a n g u i d e t h e d e s i gn o f t h e p r e s s u r e c o n t r o l s y s t e m． Us i n g p r e s s u r e s e n s o r ， p r o p o r t i o n a l v alv e a n d mu l t i p l e g r o u p d o u b l e mo d a l PI D c o n t r o l a l g o ri t h m ， t h e c l o s e d l o o p p r e s s u r e c o n t r o l s y s t e m wa s c o n s t r u c t e d t o r e ali z e h i g h p r e c i s e， h i g h s t a b l e p o l i s h i n g p a d p r e s s u r e c o n t r o 1 ． Th e e x p e rime n t a l r e s ult s s h o w t h a t t h e p n e u ma t i e p r e s s u r e c o n t r o l s y s t e m c a n me e t t h e p r e s s u r e d e s i g n r e q u i r e me n t s o f l arg e c a l i b e r o p t i c al p o l i s h i n g s y s t e m． Ke y wo r d sp o l i s h i n g g rin d i n g h e a d； p r e s s u r e c o n t r o l ； pn e u ma t i c c o n t r o l s y s t e m ； d o ub l e mo d a l PI D 1 引 言 光学加lT是一个 复杂工艺过程 ， 不仅存 在磨盘与工 件之间的机 械切 削 ， 还 有研 磨 液与 工 件之 间 的化学 作 用 ⋯。精密的光学仪器 ， 更需要纳米级 的精度 ， 而且整个 加工过程周期长。大 口径轻质 高精 度非球 面镜的加工 ， 材质既脆又硬 ， 而且后期到抛光阶段时镜面 口径大而薄 ， 加工难度非常大。国内外一直以来 主要依赖技术熟练 的 工人通过反复地局部修抛 和不断监测完成 ， 不仅成本高 、 效率低 、 劳动强度大 ， 而且加 工精度难 以保证 。近年来 ， 关于气动压力控制系统研究较 多 。 ， 而将 气动压力控 制系统应用于抛光系统进行光学 系统抛 光还是 比较少 ， 故 当前光学抛光系统主要还是依赖 于人 眼辅助 ， 以手动 抛光为主。 本文设计了整个大 口径抛光设备。磨头作为抛光过 程 中的末端执行 器 ， 是 实现抛光工艺效果和抛 光效 率的 保证 。而本文在研制出的具有双转子行星式旋转机构的 抛光磨头恒速控 制系统 的基础上 ， 实现整个磨 头的压 力 精确及稳定控制 ， 且 由于气动的压力特性 ， 能够抑制高频 干扰及实现缓冲和柔性控制 。在磨头抛光过 程中 ， 保 证 Z轴方面 的气压稳定性与精确性 ， 从 而保 证工件稳定 的 去除量 ， 及较好 的工艺效果 。 收稿 日期 2 0 1 2 - 0 6 R e c e iv e d D a t e 2 0 1 2 - 0 6 基金项 目 十二五 国家科技支撑计划项 目 2 0 1 1 B A K 0 7 B 0 3 、 中央高校基本科研业务费 0 2 1 5 0 0 5 2 0 2 0 1 8 资助项 目 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 3 2 仪器仪表学报 第 3 4卷 2 抛 光磨 头结构及气动控制原理 在光学研抛过程 中， 工件材料的去除量与相对压强 、 相对速度满足 P r e s t o n方程 ’ U A p v 1 式 中 f ／ 为 单位之间内的材料去除量 ； A为工艺系数 ， 与 工件材料 、 磨盘 、 抛光剂有关 ； p 为工件与磨盘之间的相对 压强 ； V为工件与磨盘之 间的相对速度。 在计算机控制下 ， 磨头以特定的速度 ， 压强及路径在 工件表面运行 ， 通过控制每一区域的驻 留时间 ， 即可精确 的控制表面材 料去 除量 ， 达到修正 误差 ， 提 高精度 的 目 的 。本文磨头结构示意图如图 1所示 。 图 1 磨头结构示意 图 Fi g ． 1 Gr i nd i n g he a d s t r u c t u r e d i a g r a m 从图 1 可知， 磨头不仅实现公转、 自转、 偏心相互独立控 制， 而且在 自转轴内布置 了气动压力控制装置， 从而获得可 调且稳定输出的转速、 压力值。抛光盘和活塞杆 轴 采用球 铰链连接 ， 以增强抛光盘对工件面形变化的自 适应性。 气动压力控制 的工作原理如图 2所示 ， 气缸一腔通大 气， 另外一腔通过大直径管道与储气罐相连， 通过压力比例 阀精确控制气缸容腔内的压力P 。 使之作用在活塞上的力始 终维持在设定的压力， 从而实现磨头压力的精确控制。 图2 磨头压力控制原理图 Fi g ． 2 Gr i nd i n g h e a d p r e s s u r e c o n t r o l p r i n c i p l e d i a g r a m 3 高精度气动压力控制 系统设计 气动力伺服系统 由于其功率大 、 损耗低 的特点 ， 在工 业上有一定的应用。然而实际上气 动伺服系统相对于液 压传动和电力传动来说 ， 应用范围很有限 ， 主要是 由于气 动系统的非线性强 ， 不可预测 的外界 因素多 ， 建立气动系 统模型非常 困难 ， 这都增加了高精度压力控制的难度 。 3 ． 1 气动控制系统构成 图 3所示为气动力控制系统的原理图。该系统 由数 字控制器 、 比例减压 阀、 气缸 、 气 压传 感器等 环节组 成。 其中， 控制器为控制 电机的 T R I O控制器 ， 气缸为 S M C的 低摩擦气缸 ， 减压阀为 F E S T O的 M P P E型 比例减压阀。 图 3 气 动力控制 系统结构 图 Fi g ． 3 P ne uma t i c f o r c e c o n t r o l s y s t e m s t ru c t u r e d i a g r a m 空 压机 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 3 4 仪器仪表学报 第 3 4卷 一 旦设定某个压力值 ， 磨头就将长时间在此压力下工作。 在一定 的偏差下 ， 压力的平稳比压力的精度更重要 ， 压力 频繁地波动抛光 的效果就会变差 。 系统控制算法的基本思想是 1 设置某个压力指令后压力值以一定的加速度缓慢 加速 ， 防止过大超调或冲击 ； 2 加入前馈控制 ， 使系统较快且平稳的响应 ； 3 采用双模态 P I D控制 策略， 既保证精 度又保 证平 稳性 ， 且提高抗 干扰能力 ； 4 P I D控 制 中加 入 抗 积 分 饱 和 及 积分 分 离 控 制 算法 。 图 8所示为系统控制原理 ， 采用前馈控制及双模态 P I D的复合控制策略如下 U l e k l J e k d l 尸 ， I e l e l { 3 【 皿 e k 2 J e d t P ， I e l e 1 式 中 P为控制系统压力设定值 ， u 为控制器输出控制量 ， e 为设定值与实际值 的偏差 ， e ． 为双模态 P I D控制 的误差 切换值 ， k k ， 分别为 P I D控制参数及前馈系数。 压 一 墼豳 图 8 气动 复合控制器模 型 F i g ． 8 P n e u ma t i c c o mp o u n d c o n t r o l l e r mo d e l 由于气 动控制具有强非线性 ， 响应缓慢 ， 单一 的 P I D 参数很难满足磨头不同运行方式下的压力控制效果。通 过试验分析得到， 磨头公转 的速度很大程度上影响 了控 制效果 ， 因此制定了 以下的控制策 略。按公转运行速度 范 围， 将双 P I D参数分成 3组 ， 如表 1 所示 。 表 1 P I D参数分类 Tab l e 1 The c l a s s i fic a t i o n o f PI D pa r a me t e r s 作 为比例减压 阀本 身就有较高的精度及稳定性 ， 因 此开环前馈能够较快且较准的使气动压力达到设定值范 围。而闭环 P I D控制能增加系统 的快速 响应 ， 提 高抗 干 扰能力和系统的精度。从 理论上来讲 ， 前馈 和反馈 相当 于 2个 自由度 控制环 节 ， 可分别设计互不干扰 。根据阀 控缸特性及实验数据分析 ， 获得前馈系数 k ， 。 反馈控制系统的设计有 2个 P I D控制参数组成 即双 模态 P I D控制系统。以 e的大小作为双模态之间切换 的 条件。当 e 大于某个值时 ， P I D 3 个参数分别选取较 大的 比例系数 、 较小 的积分系数 、 较大 的微分系数 ， 从而提高 系统的响应性能及抗干扰能力。当 e 小于某个值时 ， P I D 3个参数分别选取较小 的比例系数 、 较大的积分系数及 较小 的微 分系数 ， 从而 提高系统 的稳定性 及系统 精度 。 而 e的大小 由系统对压力 的要求及压力 的调试性能来确 定。为了保证系统的平稳性 ， 在积分项 中还加入 了积分 分离及抗积分饱和的作用。 4实验结果及数据分析 使用以上控制算法 及信 号滤波器 ， 对气动系统做 了 大量 的调试 工作 ， 设定 了合适 的 P I D参 数 ， 前馈 放大 系 数 ， 双模 态切换 阀值及卡 尔曼滤波参数 。如图 9所示为 气动系统在阶跃响应下的曲线 。 4 6 0 7 O 4 1 4 6 2 0 0 0 l 4 6 3 0 0 0 1 4 6 4 00 0 I 4 6 5 0 0 0 1 4 6 6 0 O 0 l 4 6 7 00 0 1 4 6 7 6 2 9 时 间I s 图9 气动阶跃响应曲线 Fi g ． 9 Pn e u ma t i c s t e p r e s p o n s e C H I V e 图 1 O 、 图 1 1 分别表示在冲击干扰及公转正选干扰下的 气动系统响应。图 1 0为在单 P I D控制下 ， 当有个较大的干 扰产生后， 由于气动控制的滞后性及非线性 ， 控制量会有一 个较大的变化， 从而在扰动后一段 时间产生较大的压力变 化。而双 P I D控制在平稳时运行在第二模态， 此时即使有较 大的干扰也只是产生较小的控制量变化 ， 因此当干扰消失气 动压力就很 }夹 趋于稳定。图 1 1 为公转情况下的气动响应。 由于磨头是行星式旋转机构， 因此磨盘的与工件的接触面上 既有 自 转运动又有公转运动， 自 转运动对气压的压力影响不 大可以忽略， 而公转运动对气压产生一个周期性扰动。单 P I D控制下气压会有较明显的周期变化， 而双模态 P I D控制 下 ， 周期性扰动就被明显的削弱。 乏 罄坦扩 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 王楷 等 大口径光学抛光系统的气动压力控制 5 3 5 It lb l ／ s 图 1 0冲击 干扰下的气动响应 F i g ． 1 0 P n e u ma t i c r e s p o n s e u n d e r i mp a c t d i s t u r b a n c e 图 1 1 公转 干扰 下的气动响应 F i g ．1 1 Pn e uma t i c r e s p o ns e un d e r r e v o l u t i o n d i s t ur b a n c e 5 结 论 7 5 5 0 从实验数据可以看出 ， 磨头压力控制系统 ， 在系统 动 态运行过程 中， 系统不 可避免地存在 非线性和不确定性 因素 ， 且旋转机构特性对与压力控 制有明显的影响作用 。 不 同磨盘 、 不同转速 、 不同曲率所产生的压力 干扰也有不 同。针对此系统的特性 ， 通过对此 系统理论分 析、 系统辨 识 ， 设计并研发 出来 的压力控 制系统能够较 好的满足项 目中对施加在磨盘上的压力的要求 。在不 同的扰动及控 制要求下 ， 具有 良好的鲁棒性及速度平稳性 。 参考文献 [1] [ 2] 杨 力． 先 进 光学 制 造技 术 [ M] ． 北 京 科 学 出 版 社 ， 2 0 0 1 ． Y A N G L ． A d v a n c e d o p t i c al m a n u f a c t u r e t e c h n o l o g y [ M] ． B e ij i n g S c i e n c e P r e s s ， 2 0 0 1 ． P R E S T O N F W． T h e s t r u c t u r e o f a b r a d e d g l a s s s u r f a c e s [ J ] ． T r a n s ． Op t ． S o e． 1 9 21 1 9 2 2， 2 3 1 4 1 1 6 4． [ 3] 王贵林． S i C光学材料超精密研抛关键技术研究 [ D] ． 长 沙 国防科技大学 ， 2 O 0 2 ． W ANG G L． A s t u d y o n k e y t e c h n i qu e s i n u l t r a pr e c i s i o n l a p p i n g and p o l i s h i n g f o r o p t i c a l s i c m a t e r i al s[ D] ． C h a n g - 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