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高精度机械轴承转台摩擦的产生及其相关问题研究 摘要：众所周知，摩擦力矩是影响转台控制系统性能及精度的最主要因素。摩擦力矩呈现出高度的非线性，其大小主要与轴系的结构及其润滑情况、负载大小和角速度等因素有关。并且，摩擦力矩可能随着角位置、时间和温度的变化发生随机变化。转台的类别不同，摩擦力矩对相应控制系统所造成的影响也不同，这主要体现在：在角振动台控制系统中，速度转向时系统会产生波形畸变现象进而影响系统的振动波形失真度；而在伺服转台控制系统中，由于摩擦力矩在低速运行时表现出强烈的非线性特性，使系统在低速时产生跳动或爬行现象。 下载 关键词：机械自动化；机械轴承；摩擦补偿；摩擦力矩；力学模型；非线性关系；相对运动；角速度 1引言 一般情况下，控制系统设计仅把摩擦力矩作为一个扰动力矩加以抑制，即没有考虑摩擦力矩的非线性特性对整个系统稳定性的影响。因此，不论是精密角振动台还是高精度伺服转台，随着系统对控制性能要求的不断提高，摩擦力矩的非线性及动态特性给控制系统带来的不良影响越来越不容忽视，它严重阻碍了系统性能及精度的进一步提高，这就需要对控制系统中的摩擦力矩进行更有效地消除或抑制。 2摩擦的产生及摩擦模型 众所周知，具有相对运动或相对运动趋势的两个物体接触面上会产生摩擦力。摩擦力的大小取决于多方面的因素：接触面的几何形状及布局，相接触物体的材质和接触面材料的特性，物体接触面间的相对速度、位移以及是否存在润滑情况，环境温度、湿度等等，上述任何一种情况的发生都会引起摩擦力的变化。因此，摩擦是一种复杂的、非线性的以及具有不确定性的自然现象，其特性有很大的差异，人们至今尚不能完全洞悉其机理。摩擦学的研究结果表明，目前人类对于摩擦物理过程的了解还只停留在定性认识阶段，无法通过数学方法对摩擦过程给出精确的描述。 2.1摩擦的产生及其特性 具有相对运动或相对运动趋势的两个接触面上会产生摩擦力。在润滑状态下，摩擦力是接触面间相对运动速度的函数，如图1所示。 图1摩擦和速度的关系曲线 由接触面的相对静止开始到相对运动，根据决定摩擦力大小的不同重要因素，将其分为以下四个阶段：接触面弹性形变阶段、边界润滑阶段、部分液体润滑阶段和全液体润滑阶段。 (I)接触面弹性形变阶段：也称静摩擦阶段。摩擦力不依赖于速度，它实际上可以认为是由弹性形变产生的，从控制的角度看，正是这种弹性形变导致了增加的静摩擦力。这种弹性形变也被称为预滑位移，尽管预滑位移的值很小，对于一般工程材料而言仅为25 ?%em，但对于某些控制系统而言，它仍然非常重要。这种现象也被称为Dahl效应。此时产生的切向作用力为： Ff=-k?x 式中： Ff表示切向作用力；k表示接触面的切向刚度；?%=x表示偏离平衡点的位移。 从本质上说，静摩擦力并不是真正意义上的摩擦力，而是一种约束力。因为，它既不耗能也不是滑动的结果。 (II)边界润滑阶段：接触面间的相对运动速度极低以至无法在其表面建立液体薄膜，摩擦力实际上是由固体间的剪切作用引起的。Hess等人的研究结果表明边界润滑对Stribeck曲线的形状影响非常明显，此外边界润滑与系统的低速爬行现象也存在着密切的关系。 (III)部分液体润滑阶段：相对运动使接触面间形成液体薄膜，然而由于法向压力的作用，又使部分润滑液被挤出接触表面，因此仍有部分区域仍为固体接触。这是最难建模的一个阶段，并且，最新的研究成果表明：在这一阶段，摩擦记忆现象较为明显。对控制系统而言，主要考虑这个阶段的摩擦特性。 (IV)全液体润滑阶段：液体薄膜完全形成，不再有固体接触区域，因此静摩擦力减小，但随着相对运动速度的提高，粘滞摩擦力的作用却越来越明显。 图1给出的只是摩擦和速度的关系，它只是摩擦的静态特性。随着测试器件的发展及对摩擦现象不断地观察和研究，人们逐渐发现除了上述的Stribeck曲线之外，摩擦力还具有时间的依赖性，即增加的静摩擦特性和摩擦记忆特性等。所谓增加的静摩擦特性是指在一定的环境及润滑条件下，最大静摩擦力并非一固定值，而是随接触表面间停滞时间的增加而增加；而摩擦记忆特性就是指接触表面间相对运动速度发生变化时，摩擦力滞后一段时间后才会改变的现象。 2.2摩擦模型 对摩擦环节建立准确的数学模型，无论从认识摩擦特性的角度出发，还是从对其进行补偿的角度出发，其重要性都是不言而喻的。多年来，研究者通过实验对摩擦现象进行研究，提出了各种各样的、形式迥异的摩擦模型。到目前为止，从简单的库仑摩擦模型到复杂的包含多个参数的摩擦模型已有三十余种，已有很多文献对主要的摩擦特性及摩擦模型进行了综述。在了解了摩擦的产生及其特性后，下面，我们将对控制领域中常用的摩擦模型加以概述。 关于摩擦建模的研究可以追溯至十六世纪早期，那时Leonardo da Vinci就提出了：摩擦力正比于负载，与运动方向相反且不依赖于接触面积的观点，目前工程中常用的经典静态摩擦模型：(a)库仑(Coulomb)摩擦模型；(b)库仑(Coulomb)+粘滞(viscous)摩擦模型；(c)静摩擦(Static)+库仑(Coulomb)+粘滞(viscous)摩擦模型和(d)Stribeck模型。 3摩擦补偿方法 对于高精度机械轴承转台控制系统而言，研究摩擦模型的目的是更好地理解摩擦产生机理和摩擦行为来减小轴系摩擦力矩对系统性能及精度的影响，同时为摩擦补偿方法提供数学模型。近年来，很多研究者在摩擦补偿方面做了大量的研究和实验工作。他们针对不同系统中存在不同种类的摩擦现象，采用不同的摩擦模型，从而提出不同的摩擦补偿控制策略。可以按照不同的标准对各种摩擦补偿方法进行分类，一般根据是否使用摩擦模型分为基于非模型的摩擦补偿方法和基于模型的摩擦补偿方法。 4结束语 对于高精度机械轴承转台控制系统而言，轴系摩擦力矩是影响控制系统性能及精度的最主要因素。为了消除或抑制摩擦力矩给系统带来的不良影响，同时提高控制系统的性能及精度，最近，很多研究者从基于模型的摩擦补偿方法出发来研究系统的摩擦补偿问题，这就需要先建立一个能较全面地反映摩擦现象的摩擦模型。多年来，人们通过实验对摩擦现象进行研究，提出了各种各样、形式迥异的摩擦模型。 参考文献： 陈娟,乔彦峰. 伺服系统低速摩擦力矩特性及补偿研究概况J. 光机电信息.2002,(11):3034 朗兴华,张伟,林亨. 三轴惯性陀螺测试转台控制系统的研制J. 电子技术应用.2003,(9):3133 金涛,刘樾. 对