1、機床的精度和速度決定了加工工件的表面質(zhì)量和機床的生產(chǎn)效率。由于滾珠絲杠具有高剛度和高精度的特性，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代數(shù)控機床中。進給系統(tǒng)工作臺在高加速度條件下的快速移動易激發(fā)系統(tǒng)振動，軸扭耦合振動是在滾珠絲杠進給系統(tǒng)中最主要的振動形式，且振動特性隨機床加工過程改變。軸扭耦合振動限制了系統(tǒng)伺服帶寬，從而降低機床在高速跟蹤下的定位和跟蹤精度。滾珠絲杠進給系統(tǒng)動力學特性的時變性主要是由結(jié)構(gòu)柔性，加工過程中的工作臺質(zhì)量變動和位置變化而造成的。機床控

2、制系統(tǒng)的目標包括最小化跟蹤誤差，最大化伺服帶寬和抑制結(jié)構(gòu)振動。此外，控制算法需對時變參數(shù)和未建模動態(tài)特性具有魯棒性，從而實現(xiàn)高精密加工。本研究的主要目標即針對上述問題，研究滾珠絲杠進給系統(tǒng)的動力學特性和控制算法，實現(xiàn)高帶寬控制并補償由加工過程引起的時變動力學特性，從而保證高速高加速度情況下工作臺的跟蹤精度。
　　為研究滾珠絲杠進給系統(tǒng)的動力學特性，提出一種混合建模方法。該方法將滾珠絲杠作為連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，包含軸向、扭轉(zhuǎn)和彎曲振動。通過

3、拉格朗日方法和Ritz級數(shù)方法建立旋轉(zhuǎn)絲杠在承受移動載荷條件下的動力學方程，并推導在不同邊界條件下的基函數(shù)表達式。分析了不同參數(shù)影響下（工作臺質(zhì)量、位置、導程和預(yù)緊力）對滾珠絲杠進給系統(tǒng)的影響。最后，通過實驗驗證了模型的正確性。
　　為研究系統(tǒng)的伺服控制方法，設(shè)計并搭建兩套滾珠絲杠進給設(shè)備。通過時域和頻域的系統(tǒng)辨識方法辨識系統(tǒng)參數(shù)。采用無偏最小二乘估計方法得到系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量和阻尼，并通過卡爾曼濾波精確辨識系統(tǒng)的摩擦模型。采用正弦掃

4、頻測試方法獲得系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)。采用峰值法和最小二乘法，得到滾珠絲杠進給系統(tǒng)軸扭耦合振動的傳遞函數(shù)和狀態(tài)空間表達。辨識方法分別應(yīng)用在兩套實驗設(shè)備上，并針對不同的位置和質(zhì)量進行測試。通過將辨識得到的傳遞函數(shù)和狀態(tài)空間模型的頻響函數(shù)曲線與實驗值比較，驗證模型的正確性。
　　針對剛體滾珠絲杠進給系統(tǒng)，設(shè)計自適應(yīng)反演滑?？刂破?，提出陷波濾波器抑制系統(tǒng)的軸向和扭轉(zhuǎn)振動，螺距和摩擦補償?shù)韧ㄓ玫难a償方法。分別在實驗設(shè)備Ⅱ和Ⅲ上，與帶有速度和加

5、速度前饋的PPI控制器進行比較，通過實驗驗證自適應(yīng)反演滑?？刂凭哂懈叩木群蛯τ诠ぷ髋_質(zhì)量變動的魯棒性。
　　進一步提出包含時變不確定性和未知邊界干擾的柔性滾珠絲杠進給系統(tǒng)模型。采用振動補償自適應(yīng)反演滑?？刂品椒▽崿F(xiàn)振動抑制。時變不確定性和干擾采用傅里葉級數(shù)表示，并通過函數(shù)估計方法更新傅里葉級數(shù)系統(tǒng)。通過李雅普諾夫方法證明了閉環(huán)系統(tǒng)的收斂和穩(wěn)定性。根據(jù)帶有非最小相位零點的柔性滾珠絲杠狀態(tài)空間模型，設(shè)計帶有最小跟蹤誤差前饋的自適應(yīng)

6、反演滑?？刂品椒?，有效的抑制結(jié)構(gòu)振動獲得高跟蹤精度。通過仿真和實驗表明該方法在時變參數(shù)不確定性和干擾存在條件下能夠有效的改善跟蹤精度和帶寬。
　　針對滾珠絲杠進給系統(tǒng)時變的動力學特性，設(shè)計了基于多參數(shù)增益調(diào)度方法的H∞回路整形控制器。H∞回路整形方法通過一系列的補償器權(quán)衡系統(tǒng)性能和魯棒性。首先建立固定參數(shù)的線性時不變系統(tǒng)，進而對其狀態(tài)空間模型插值，通過求解最小二乘問題獲得時變控制器。假設(shè)參數(shù)變化率是有界的，采用多參數(shù)LPV系統(tǒng)穩(wěn)定