專利名稱：一種補償機器軸非線性的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過補償軸倒轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的誤差對具有多軸的機器，尤其是機床和機器人進行數(shù)字控制的方法。
在對例如機床或機器人進行現(xiàn)代工業(yè)控制的過程中，在機器軸倒轉(zhuǎn)時常出現(xiàn)軌跡誤差，它主要是由于摩擦狀況改變及松馳效應和扭轉(zhuǎn)效應而引起。當機器軸從一負速度被加速到一正速度或相反時，軸的運動在速度過零點時由于摩擦狀況改變和力學非線性而受到干擾。對于多個相互內(nèi)插的軸，上述現(xiàn)象會導致出現(xiàn)輪廓誤差。對于圓形輪廓，這種情況尤為明顯，在此，處于象限過渡狀態(tài)的軸以最大軌跡速度運動，而此時第二軸則改變其速度符號。在方向改變的轉(zhuǎn)折點或從靜止狀態(tài)起動時，摩擦、松馳效應和扭轉(zhuǎn)效應常會使實際的轉(zhuǎn)數(shù)值偏離額定轉(zhuǎn)數(shù)值。所謂松馳效應，是在例如相連的傳動機構(gòu)的齒輪之間以間隙的形式運行過程中出現(xiàn)的，它會直接導致機器軸在臨界點出現(xiàn)滯后運轉(zhuǎn)。其后果是在所加工的零件上常出現(xiàn)輪廓誤差。由于希望避免出現(xiàn)這些輪廓誤差，因此人們試圖這樣設計機器的數(shù)控方法，即借助于摩擦預控制并通過對額定轉(zhuǎn)數(shù)值的適當修正來補償在機器軸倒轉(zhuǎn)時由于摩擦狀況改變、松馳效應和扭轉(zhuǎn)效應而出現(xiàn)的軌跡誤差。
眾所周知，傳統(tǒng)的以松馳補償為目的的機器數(shù)控方法中，通常是在軸符號改變時從滑塊驅(qū)動中加上或減去一恒定的松馳量，即在松馳時運行的行程。這大多發(fā)生在對各控制數(shù)據(jù)組的前期計算階段(參照Weck，M所著“機床”第3卷，“自動化及控制技術(shù)”第3版，VDI-出版社，1983年，第183f頁)。因此，按照上述方法，沒有將誤差補償與控制方法聯(lián)系在一起。由于在機器軸倒轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的軌跡誤差通常與加速度有關(guān)，所以在加速度變化時，通過一次恒定量的增加或減少，難以保證對誤差足夠的補償。大多數(shù)情況下需要一種方法，它可融合到數(shù)字控制的主過程中并實時調(diào)整所出現(xiàn)的誤差。此外，上面所談到的按標準采用的方法僅考慮到了由松馳效應引起的軌跡誤差，而沒有考慮到需要用隨時間變化的修正曲線表示的，由扭轉(zhuǎn)效應及摩擦狀況改變而引起的軌跡誤差。
本發(fā)明的目的在于，提供一種對多軸機器、尤其是機床或機器人進行數(shù)字控制以補償軸倒轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的誤差的方法，該方法是這樣構(gòu)成的，即在一個總的控制方法中不僅考慮了由松馳效應，而且還考慮了由摩擦狀況改變及扭轉(zhuǎn)效應引起的軌跡誤差。
此外，補償應在主過程運行期間實時完成并成為數(shù)字控制的固定組成部分。同時，還應考慮與加速度有關(guān)的影響。
按照本發(fā)明，上述目的是通過下面特征達到的1.1通過一種可修正額定轉(zhuǎn)數(shù)值的摩擦預控制來補償由干擾量，尤其是由摩擦狀況改變和/或由松馳效應和/或由扭轉(zhuǎn)效應引起的誤差，1.2額定轉(zhuǎn)數(shù)值的修正是指對各軸而言，在象限過渡時隨著該軸出現(xiàn)符號改變而在相應的額定轉(zhuǎn)數(shù)值上插入一個修正脈沖，1.3修正脈沖的振幅與加速度有關(guān)，1.4相對于所采用的各種機器應事先手工算出與加速度有關(guān)的振幅特性曲線和/或特性曲線族的分布及修正脈沖的延續(xù)時間，1.5將摩擦預控制作為附加的預控制分支結(jié)合到對軸的控制中。
本發(fā)明的第一優(yōu)選實施形式特別適合于對軌跡誤差產(chǎn)生作用的摩擦狀況改變、松馳效應和扭轉(zhuǎn)效應的物理特性，其中，通過采用可對曲線分布進行適當調(diào)整的修正脈沖使曲線分布得以補償。其特征如下2.1修正脈沖采用的是DT1-脈沖，其衰變期恒定或隨加速度增加而線性減小。
本發(fā)明的另一種形式，可在所用機床開動時不必用手工測量與加速度有關(guān)的振幅的特性曲線和/或特性曲線族的轉(zhuǎn)折點，從而可以通過控制自動測量所需值。這種形式的特征如下3.1對于所使用的各種機器來說，可通過應用一種自學習系統(tǒng)來獲得與加速度有關(guān)的振幅的特征曲線和/或特性曲線族的分布及修正脈沖的延續(xù)時間。
本發(fā)明另一種形式的第一優(yōu)選實施例非常符合對軌跡誤差產(chǎn)生影響的摩擦狀況改變、松馳和扭轉(zhuǎn)效應的物理特性，其中通過采用可對曲線分布進行適當調(diào)整的修正脈沖對曲線分布進行補償，其特征如下4.1修正脈沖采用的是DT1-脈沖，其衰變期恒定或隨加速度增加而線性減小。
帶有自學習感知系統(tǒng)的本發(fā)明方法的另一優(yōu)選實施形式，采用了一種特別有效的神經(jīng)元方法，它使對軌跡誤差的補償具有很高的精度，并且簡單易學，其特征如下5.1作為自學習感知系統(tǒng)，采用的是一種利用誤差回歸修正法作為學習規(guī)則的多層感知神經(jīng)網(wǎng)絡。
本發(fā)明的另一優(yōu)選實施形式，采用一種特別簡單的神經(jīng)網(wǎng)絡形式，該網(wǎng)絡性能好、成本低，且在使用時能保證足夠的補償精度，其特征如下6.1作為自學習感知系統(tǒng)，采用一種小腦模型-關(guān)聯(lián)計算機神經(jīng)網(wǎng)絡。
本發(fā)明的另一優(yōu)選實施形式中，作為訓練神經(jīng)網(wǎng)絡的學習規(guī)則，采用的是輸入和輸出端參數(shù)，這些參數(shù)值的大部分必須在一未進行誤差補償?shù)臄?shù)字控制中計算出，這些參數(shù)以簡單形式提供了為概括和歸納存在的問題所需的信息并與修正脈沖插入時間點成比例，因此，本發(fā)明提出的數(shù)字控制能以低的費用實現(xiàn)，其特征如下7.1作為使輸入端參數(shù)與所希望的輸出端參數(shù)相匹配的學習規(guī)則采用的是用轉(zhuǎn)數(shù)曲線過零點后形成的誤差面表示的理想轉(zhuǎn)數(shù)值與實際轉(zhuǎn)數(shù)值之間的誤差；7.2為計算誤差面，從施加脈沖的時刻起對希望的理想轉(zhuǎn)數(shù)值與實際的轉(zhuǎn)數(shù)值進行微分，由此消除轉(zhuǎn)數(shù)額定值與轉(zhuǎn)數(shù)實際值之間的恒定間隔，接著再進行積分并最終對整個誤差面進行再積分。
本發(fā)明的另一優(yōu)選實施形式增強了其函數(shù)性，其中，該系統(tǒng)始終與運行過程中不斷變化的條件相適應，因此不必對操作者進行神經(jīng)網(wǎng)絡的重新培訓。該實施形式的特征如下8.1在工作過程中連續(xù)使用用來計算與加速度有關(guān)的振幅特性曲線和/或特性曲線族分布的學習規(guī)則，使摩擦預控制始終適合變化的運行條件并因此自動補償所出現(xiàn)的摩損。
本發(fā)明的另一優(yōu)選實施形式優(yōu)化了修正脈沖插入時刻的條件并能以特別簡單的方式實現(xiàn)實際值的修正。該實施形式具有以下特征9.1修正脈沖的插入時刻在額定轉(zhuǎn)數(shù)值的過零點完成；9.2在額定轉(zhuǎn)數(shù)值從負區(qū)到正區(qū)的過零點，加進插入脈沖；在額定轉(zhuǎn)數(shù)值從正區(qū)到負區(qū)的過零點，減去插入脈沖。
一種實施本發(fā)明方法的優(yōu)選裝置，其特征是該裝置能有效實現(xiàn)對微小量的附加補償且使用的費用有限，此外，它可與已有的軸控系統(tǒng)形成一體。該裝置具有以下特點10.1將摩擦預控制作為附加的預控制分支結(jié)合到對軸的控制中，10.2其中，在第一微分電路中對位置額定值進行微分，所獲得的轉(zhuǎn)數(shù)額定值在另一個微分電路中求微分得加速度，10.3將所獲得的額定轉(zhuǎn)數(shù)值送入一個用來控制插入時間點的插接邏輯電路，10.4將所獲得的加速度額定值輸送到存儲單元，該單元包含與加速度有關(guān)的特性曲線10.5將按照該特性曲線計算出的插入振幅送入脈沖修正電路，在那里，把轉(zhuǎn)數(shù)修正值與一個軸控制的位置控制信號疊加。
在上面所描述的裝置中，作為其它選擇可采用一種神經(jīng)網(wǎng)絡作為自學習感知系統(tǒng)，它可用低的額外耗費實現(xiàn)，此外，它可與本發(fā)明目前所述方法和裝置的各實施形式的所有有益特征形成一體。該裝置具有以下特征11.1將摩擦預控制作為附加的預控制分支結(jié)合到對軸的控制中，11.2其中，在第一微分電路中對額定位置值進行微分，所獲得的額定轉(zhuǎn)數(shù)值在另一微分電路中求微分得加速度額定值，11.3將所獲得的額定轉(zhuǎn)數(shù)值送至控制插入時刻的插接邏輯電路，11.4將額定轉(zhuǎn)數(shù)值和額定加速度送到神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入端，11.5將誤差值送到該神經(jīng)網(wǎng)絡的輸出端，所述誤差值是在邏輯開關(guān)電路內(nèi)由額定轉(zhuǎn)數(shù)值和實際轉(zhuǎn)數(shù)值的差而算得，11.6由神經(jīng)網(wǎng)絡向插接邏輯電路提供振幅值和時間常數(shù)，11.7根據(jù)振幅和時間常數(shù)，插接邏輯電路依照額定轉(zhuǎn)數(shù)值控制脈沖修正電路。
本發(fā)明的優(yōu)點尤其在于，在所描述的方法中，可用單一的修正方法對由各種原因引起的、軸倒轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的軌跡誤差進行補償。因此，不僅可以補償由于摩擦狀況改變引起的機器軸誤差，而且還可以補償由于力學非線性，如松馳效應和扭轉(zhuǎn)效應而引起的機器軸的誤差。此外，可實時進行誤差補償，并且，本發(fā)明的方法可作為傳統(tǒng)模式中數(shù)字控制的固定組成部分。在采用自學習感知系統(tǒng)，如具有誤差回歸學習法的神經(jīng)網(wǎng)絡的情況下，可獲得以下優(yōu)點，即不再需要在費很多的人工計算特征曲線或特征曲線族，該內(nèi)容被自動完成。此外，本發(fā)明的優(yōu)點尤其在于可用少量的附加補償達到較高精度。而且所用費用很低。
圖中示出了本發(fā)明的實施例而且下面將對該實施例進行進一步解釋

圖1是分別與在摩擦常數(shù)及由于出現(xiàn)摩擦而使實際轉(zhuǎn)數(shù)止滯情況下的摩擦力矩相關(guān)的帶有符號變化的轉(zhuǎn)數(shù)曲線，圖2表示借助修正脈沖對由于摩擦而產(chǎn)生誤差的實際轉(zhuǎn)數(shù)曲線進行修正，圖3表示具有兩內(nèi)插軸象限變換的圓形輪廓，其中， 實際轉(zhuǎn)數(shù)曲線由于摩擦效應而偏離所希望的額定轉(zhuǎn)數(shù)曲線，圖4表示DT1-修正脈沖，圖5表示與加速度有關(guān)的振幅特性曲線，圖6表示對象限誤差進行補償?shù)膶嶋H特性曲線，圖7表示將摩擦預控制結(jié)合到對軸的控制中，圖8表示采用神經(jīng)網(wǎng)絡進行象限偏差補償。
在圖1的描述中，將摩擦狀況的變化特性簡化地模擬成一個正負函數(shù)，其中，n為實際轉(zhuǎn)數(shù)，kr為摩擦常數(shù)，而mr為實時摩擦力矩。圖中示出了兩個坐標系。在左邊的坐標系中，描繪了轉(zhuǎn)數(shù)與實時摩擦力矩的關(guān)系。在此，轉(zhuǎn)數(shù)符號改變時摩擦力矩mr也隨之變化。在轉(zhuǎn)數(shù)曲線圖中，轉(zhuǎn)數(shù)n與時間t有關(guān)，從該圖線中可看出，實際轉(zhuǎn)數(shù)nist在時間軸上出現(xiàn)短暫的“停滯”?？梢钥闯?，以實線表示的實際轉(zhuǎn)數(shù)nist曲線偏離以點劃線表示的所希望的額定轉(zhuǎn)數(shù)nsoll。
此外圖2中示出了另一個轉(zhuǎn)數(shù)圖線，其中轉(zhuǎn)數(shù)n與時間t有關(guān)。在該圖中描繪出，為何必須對預先給定的額定轉(zhuǎn)數(shù)線nsoll施加一個修正值nkorr，以使得實時調(diào)整后的實際轉(zhuǎn)數(shù)線nideal與圖1中所示的額定轉(zhuǎn)數(shù)線相一致。修正脈沖nkorr以虛線的形式表示并包圍了該虛線與時間軸之間所標出的面積。
圖3中示出了一個圓形行程曲線，該曲線以兩個內(nèi)插軸x和y為參照系，其橫坐標為x軸、縱坐標為y軸。由此構(gòu)成四個象限I、II、III、IV。實際轉(zhuǎn)數(shù)曲線nist偏離預先給定的圓形輪廓的額定轉(zhuǎn)數(shù)nsoll。實際轉(zhuǎn)數(shù)曲線nist在各次象限轉(zhuǎn)換之后由于摩擦引起的“停滯”而具有“鼻區(qū)”Na，它在與中點相反的方向上偏離標準圓周。所希望的圓形輪廓線，即額定轉(zhuǎn)數(shù)線nsoll在“鼻區(qū)”Na的區(qū)域內(nèi)表示為一虛線圓周。
圖4中示出了DT1-修正脈沖nkorr(a，t)的分布曲線，它為時間t的函數(shù)。該曲線以一個與加速度相關(guān)的補償振幅值na(a)開始，沿時間軸呈近似于指數(shù)分布，直到達到零值。不過，該圖適合于恒定增加的加速度a.
圖5中示出了在時間t為恒定增量的情況下振幅特性曲線na(a)與加速度數(shù)值｜a｜相互關(guān)系的分布圖。其中，該曲線在低加速度區(qū)急劇上升，接下來恒定伸展，然后下降并達到一個低值，此后繼續(xù)恒定伸展。
圖6示出了按圖3中圓形輪廓的方法對象限誤差進行補償?shù)玫降膱D5所示振幅特性曲線的理想分布。同樣，要計算的、與加速度相關(guān)的修正脈沖補償振幅初始值na(a)介于最大值和最小值之間。從零加速度開始，振幅首先急聚上升，然后隨著轉(zhuǎn)數(shù)增量的減少在加速度a1處達到最大值nmax(a)，由此逐漸下降并最終在與更高加速度無關(guān)的a2處達到最小振幅nmin(a)。
圖7示出了將摩擦預控制與已有的軸控制結(jié)合到一起的情況。把理論位置值xsoll作為輸入值輸送到控制裝置中，在第一積分器D1中對該值進行積分得到額定轉(zhuǎn)數(shù)值nsoll，將額定轉(zhuǎn)數(shù)值輸送到修正邏輯電路AL。此外，還在第二積分器D2內(nèi)對該轉(zhuǎn)數(shù)額定值nsoll進行積分，將由此獲得的額定加速度asoll送入存儲單元k，該單元包含與加速度相關(guān)的振幅特性曲線。將由此算出的修正初始值na(asoll)，也可表示為補償振幅，送入脈沖發(fā)生器I，該發(fā)生器產(chǎn)生一個合適的DT1-修正脈沖nkorr。補償邏輯電路AL借助清除信號R控制起動時間并由此控制脈沖發(fā)生器I。在原有的軸控制范圍內(nèi)，把從入口處輸入的理論位置值xsoll送到位置調(diào)節(jié)器LR。將其輸出值與修正脈沖nkorr相加并送入一個通常被制成PI-調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)數(shù)調(diào)節(jié)器DR再從調(diào)節(jié)器DR到達機器軸A。在其出口處輸出的是實際位置值Xist及實際轉(zhuǎn)數(shù)值nist。實際位置值Xist作為負數(shù)反饋到入口側(cè)與提供的理論位置值合并，實際轉(zhuǎn)數(shù)值nist作為負數(shù)反饋到轉(zhuǎn)數(shù)調(diào)節(jié)器的入口。
圖8示出了已在圖7中描述的采用神經(jīng)網(wǎng)絡進行象限誤差補償?shù)难b置。它與圖7所述裝置的區(qū)別在于，在該裝置中，由積分器D2所形成的加速度額定值在被送入神經(jīng)網(wǎng)絡NN的輸入層之前先通過一個濾波器FL。同樣，將理論位置值Xsoll輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡NN的入口。此外，將通過積分器D1后形成的額定轉(zhuǎn)數(shù)值nsoll送到神經(jīng)網(wǎng)絡NN的入口。額定轉(zhuǎn)數(shù)值nsoll和在機器軸A出口處提供的實際轉(zhuǎn)數(shù)值nist輸入到減法單元SUB，在該單元內(nèi)，把額定轉(zhuǎn)數(shù)值nsoll與轉(zhuǎn)數(shù)實際值nist相減，其差值送入邏輯單元L。在此，將差值處理成一誤差項，而將誤差項送入神經(jīng)網(wǎng)絡NN的輸出層。在出口處，產(chǎn)生適合工作狀態(tài)的振幅a和時間常數(shù)T。它們輸入到修正邏輯電路AL。此外，如圖7所示的裝置那樣，轉(zhuǎn)數(shù)額定值nsoll也到達修正邏輯電路AL。該修正邏輯電路控制修正脈沖發(fā)生器I，在其出口處，將修正脈沖nkorr與位置調(diào)節(jié)器LR的輸出信號疊加。
如果轉(zhuǎn)軸從負速度被加速到正速度或相反，則該運動在速度過零點處會由于摩擦狀況改變和力學非線性、以及松馳效應或扭轉(zhuǎn)效應而受到干擾。對于相互內(nèi)插的轉(zhuǎn)軸，這種情況通常會導致輪廓誤差。由于這一原因，按照本發(fā)明，能借助一種對額定轉(zhuǎn)數(shù)值nsoll進行適當修正的摩擦預控制對機器軸倒轉(zhuǎn)時出現(xiàn)的誤差實現(xiàn)絕大部分地補償。為此，要確定一種修正脈沖Na(a)的振幅特性曲線，將該特性曲線插入額定轉(zhuǎn)數(shù)值nsoll中。
為確定一種適合誤差補償?shù)男拚}沖，而需要考慮摩擦狀況改變對單個機器軸的影響。圖1中，將摩擦特性簡化地模擬成一個正負號函數(shù)，其中，nist為實際轉(zhuǎn)數(shù)值，kr為摩擦常數(shù)，而mr代表當時的摩擦力矩。當實際轉(zhuǎn)數(shù)nist改變方向時，摩擦力矩mr也改變其符號，而在轉(zhuǎn)數(shù)圖上，實際轉(zhuǎn)數(shù)值在時間軸上出現(xiàn)短時間“停滯”。這導致軸的實際曲線偏離轉(zhuǎn)數(shù)輪廓線nsoll。
上述情況對于圓形輪廓尤為明顯，在此，在圖2中由I、II、III、IV所表示的象限變換處，一個軸以最大軌跡速度運動，而第二軸此時改變其速度符號，期間，該第二軸短時間處于靜止。由此引起的偏離圓形輪廓的量可用圓形檢測手段或圓周行程來算出。這種圓形檢測的結(jié)果示于圖3。它表示出在不采用本發(fā)明提出的補償措施條件下在象限變換處出現(xiàn)明顯“停止”現(xiàn)象的典型特征?？梢钥闯觯瑢嶋H轉(zhuǎn)數(shù)值nist曲線的誤差，即所謂“鼻區(qū)”Na是明顯的。
利用本發(fā)明提出的摩擦預控制可通過在額定轉(zhuǎn)數(shù)值中插入修正脈沖達到避免軸出現(xiàn)停滯的目的。作為修正脈沖，采用的是一種具有與加速度有關(guān)的振幅na(a)和恒定衰變期T的DT1脈沖。該修正脈沖的時間分布曲線示于圖4并表示為其插入振幅na(a)可調(diào)的指數(shù)遞減函數(shù)。該函數(shù)關(guān)系用下面數(shù)學公式表示nkorr(a，t)＝na(a)·e-t/T如果修正脈沖的振幅a和延續(xù)時間T選擇合適，則可獲得所希望的實際轉(zhuǎn)數(shù)值曲線nist并避免輪廓誤差。圖2中示例性地示出了一種這樣的情況。其中，在圖1中所示的實際轉(zhuǎn)數(shù)分布曲線nist的停滯通過在額定轉(zhuǎn)數(shù)值nsoll中插入修正脈沖nkorr而得以修正。并且，從圖2中得到了與程序設定的額定轉(zhuǎn)數(shù)輪廓線相適應，且相對于數(shù)字控制的補償時間常數(shù)產(chǎn)生相移的實際轉(zhuǎn)數(shù)曲線nist。為了達到對摩擦效應、松馳效應和扭轉(zhuǎn)效應足夠好的補償，必須根據(jù)加速度相應地插入脈沖振幅，而脈沖延續(xù)時間T應當恒定。因此，修正脈沖的插入振幅不是在整個加速度范圍內(nèi)恒定，而是將其預控制成使得在加速度較高時加入的補償值比在加速度較低時加入的補償值小。在軸速變化較小時，如在低檔運行中，根本不需要插入象限誤差補償。圖5中示出了的近似實際的比例算出的振幅特性曲線比例關(guān)系。在時間常數(shù)t恒定時，插入的振幅曲線na(a)具有如下形狀從零加速度開始，修正振幅陡峭地上升，直到在中間加速度區(qū)以一恒定高值延伸。隨著加速度的繼續(xù)增加，修正振幅值重新下降并在很高的加速度區(qū)逐漸達到修正振幅恒定的低值。
上述特征曲線的轉(zhuǎn)折點與當時使用的機床有關(guān)并且必須在運行中測量。由于這個原因，按照本發(fā)明，象限誤差補償包含一條可人工調(diào)節(jié)的特性曲線，該曲線用于對與加速度相關(guān)的插入振幅進行評價。該特征曲線可以機器數(shù)據(jù)作為其參數(shù)。特征曲線的起點在對各機器進行摩擦預控制的象限誤差補償時利用圓形檢驗測量法算出。一種這樣算出的供象限誤差補償用的特性曲線在圖6中作為例子示出。修正振幅na(a)曲線與圖5中由試驗確定的非線性曲線不同。
在零和a1之間的很小加速度區(qū)，修正振幅陡峭地上升，直至達到加速度為a1的最大振幅nmax(a)。從這里開始，修正振幅值隨加速度增大而下降并在加速度達到較大值a2時降至修正振幅的最小值nmin(a)。
對于圖3所示的圓形檢驗，在有多個位置調(diào)節(jié)脈沖的情況下沒有按照本發(fā)明對由于摩擦和其它干擾影響進行補償?shù)霓D(zhuǎn)數(shù)實際值保持為零，因此，軸的額定轉(zhuǎn)數(shù)具有過零點。這種情況導致已談到的輪廓誤差。通過在額定轉(zhuǎn)數(shù)值nsoll的過零點插入附加的、符號變化且足夠大的修正脈沖nkorr，使貼附的軸被松開，從而使輪廓誤差降低到最小限度。對修正脈沖插入時刻的計算通過一個專用的插接邏輯電路AL完成。根據(jù)本發(fā)明，應將補償脈沖，即修正脈沖nkorr在額定轉(zhuǎn)數(shù)值的過零點插入。這是由于，能準確地測到額定轉(zhuǎn)數(shù)值nsoll的過零點，而實際轉(zhuǎn)數(shù)值nist的過零點可能出現(xiàn)波動。此外，位置控制通常會自動地延遲，這樣，使在實際轉(zhuǎn)數(shù)中插入的修正脈沖起作用太晚，因此，難以達到好的補償結(jié)果。插入時刻是運行方向的轉(zhuǎn)變點、即轉(zhuǎn)數(shù)的符號變換點從該時刻起，補償必須支持軸運動。實際轉(zhuǎn)數(shù)值nist比額定轉(zhuǎn)數(shù)值nsoil延遲了轉(zhuǎn)數(shù)調(diào)節(jié)所用的補償時間常數(shù)。由于存在時間延遲，所以不能用實際轉(zhuǎn)數(shù)來計算插入時刻。此外，從圓形檢驗線可清楚看出，僅僅在象限變換處之后才需補償。軸的象限過渡處在圓形軌跡上，也由屬于額定轉(zhuǎn)數(shù)nsoll的過零點表示。過零點的方向是確定修正脈沖插入時刻的條件。如果象限變換由正轉(zhuǎn)數(shù)區(qū)變?yōu)樨撧D(zhuǎn)數(shù)區(qū)，則額定轉(zhuǎn)數(shù)值通過減去修正脈沖得到補償。在另一種過零點是由負區(qū)到正區(qū)的情況下，要將修正脈沖加到相應的額定轉(zhuǎn)數(shù)值nsoll上。
為了用作為軸控制整體組成部分的象限誤差補償實現(xiàn)摩擦預控制，而將其作為附加的預控制分支結(jié)合到傳統(tǒng)的軸控制中。本發(fā)明提出的這種裝置示于圖7中。在輸入端，得到的是軸控制中的額定位置值Xsoll。按照本發(fā)明，該額定位置值在第一微分單元D1中對轉(zhuǎn)數(shù)額定值求導。該額定轉(zhuǎn)數(shù)值nsoll控制插接邏輯電路AL，該邏輯電路使產(chǎn)生修正脈沖nkorr的脈沖發(fā)生器I在額定轉(zhuǎn)數(shù)值nsoll的過零點復位，即歸零R。由第一微分器D1產(chǎn)生的轉(zhuǎn)數(shù)額定值nsoll在另一個微分單元D2中對加速度額定值asoll求導。將這些數(shù)據(jù)送入存儲單元k，在該單元中存儲有與加速度有關(guān)的修正振幅曲線。此后，在存儲單元k的輸出端提供與所希望的加速度asoll相應的修正振幅na。將這些參數(shù)作為初始值提供給修正脈沖發(fā)生器I、最好為DT1元件。接著，把從脈沖發(fā)生器I獲得的補償脈沖，或稱修正脈沖nkorr與傳統(tǒng)軸控制的位置控制器LR的輸出值迭加。由此產(chǎn)生的、被修正的額定轉(zhuǎn)數(shù)值繼續(xù)按照常規(guī)到達轉(zhuǎn)數(shù)控制器DR，轉(zhuǎn)數(shù)控制器DR通常為一個PI控制器，其輸出值送給機床軸，其額定位置值Xist及實際轉(zhuǎn)數(shù)值nist則分別返饋到軸控制中。額定轉(zhuǎn)數(shù)值nist以負數(shù)反饋到轉(zhuǎn)數(shù)控制器DR的輸入端，該端點是在位置控制器LR的輸出值與修正脈沖nkorr疊加之后。實際位置值Xist以負數(shù)反饋到位置控制器LR的入口，即與輸入的額定位置值相減。不過其中與摩擦預控制所采用的額定位置值無關(guān)。
此外，利用本發(fā)明還能避免花費人工計算振幅特性曲線的轉(zhuǎn)折點并使該過程自動進行。在實際中可借助一種自學習感知系統(tǒng)自動學會相對費時的與加速度有關(guān)的特性曲線或特性曲線族的計算，從而縮短了機器的作業(yè)時間。
一種采用自學習感知系統(tǒng)的優(yōu)選實施形式是在其學習狀態(tài)下利用神經(jīng)網(wǎng)絡計算所希望的修正振幅與加速度的依賴關(guān)系，其目的是，同樣能達到采用目前手工算出的象限誤差補償結(jié)果所獲得的精度。作為神經(jīng)網(wǎng)絡組中的一個特別合適的代表，采用的是一種所謂誤差逆?zhèn)鞑ゾW(wǎng)絡。神經(jīng)網(wǎng)絡NN可記憶多個輸入端參數(shù)和輸出端參數(shù)之間的關(guān)系，因此它不僅可記憶特征曲線，而且能記憶整個曲線族。為記住與加速度有關(guān)的修正振幅na(a)，圖6中的原有曲線被一組特征曲線代替，其一方面，以位置額定值Xsoll的形式作為輸入端位置參數(shù)的函數(shù)代替修正振幅na與衰變期T的關(guān)系，而另一方面代替加速度a的關(guān)系。由此，在大的軸運行路徑中，進一步改善了所能達到的補償精度。修正脈沖的插入時刻如上述那樣由一插接邏輯電路AL給出，而不是由神經(jīng)網(wǎng)絡記憶。
誤差逆?zhèn)鞑ゾW(wǎng)絡的記憶按照所謂一般適用的、以一種偏差倒退修正法形式的δ控制完成。為實施該記憶控制，神經(jīng)網(wǎng)絡需要一種記憶標準，在訓練狀態(tài)及記憶狀態(tài)能按此標準進行調(diào)節(jié)，以便使一個或多個輸入?yún)?shù)按照要求編入到輸出參數(shù)中。這些記憶標準的選擇影響質(zhì)量等級和精確度，利用這些標準能產(chǎn)生所希望的輸出參數(shù)。本發(fā)明中，利用額定轉(zhuǎn)數(shù)nsoll和實際轉(zhuǎn)數(shù)nist之間的關(guān)系計算最佳的記憶標準，這種關(guān)系是在未采用象限偏差補償條件下所具有的。如果基于一種額定轉(zhuǎn)數(shù)的正弦曲線，則實際轉(zhuǎn)數(shù)值與轉(zhuǎn)數(shù)控制器的一個替代時間常數(shù)相適應。由于存在摩擦效應和其它機械干擾，如松馳效應和偏轉(zhuǎn)效應，轉(zhuǎn)數(shù)實際值nist偏離標準的正弦曲線。由此，在過零點之后存在一個在按照要求調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)數(shù)額定值nideal和實際存在的轉(zhuǎn)數(shù)實際值之間的偏差面。該偏差面的大小被用作學習規(guī)則(Lernkriterium)。由于神經(jīng)網(wǎng)絡的教練過程是按照列舉的教練數(shù)據(jù)進行的，且該數(shù)據(jù)資料必須分成多個時期傳送，直致學習過程收斂，因此，其偏差面由于學習過程或也由于調(diào)節(jié)回路內(nèi)的干擾而繞所希望的標準實際轉(zhuǎn)數(shù)值nideal的標準符號式曲線波動的實際轉(zhuǎn)數(shù)值nist的曲線不適合于借助一簡單加法來計算其偏差面。當正、負份額同樣大時，由簡單加法，偏差面算得為零。假如偏差面的正、負份額不同，在這種情況下其計算也是非常不精確。因此，對于簡單的加法而言，算得一錯誤的對于象限誤差補償?shù)牟迦爰靶拚}沖。如果由于干擾，nist曲線的實際轉(zhuǎn)數(shù)值多次線標準符合曲線波動，則其比例關(guān)系更加復雜。在這種場合下，簡單加法也帶來問題。因此在本發(fā)明中，為準確算出偏差面，對標準轉(zhuǎn)數(shù)實際值nideal和真實轉(zhuǎn)數(shù)實際值nist從插入時刻起求微分，以致由轉(zhuǎn)數(shù)獲得相應的加速度。通過這種微分，在偏差圖上消除了由引起實際轉(zhuǎn)數(shù)的時間性偏移的轉(zhuǎn)數(shù)控制器的補償時間常數(shù)產(chǎn)生的額定轉(zhuǎn)數(shù)nsoll和實際轉(zhuǎn)數(shù)nist之間的距離。所形成的這部分面積最后將被積分，以消除其差額。此后，再一次對所形成的偏差面求積分。由此獲得的面是相連的并具有負值。學習控制器的最優(yōu)化準則為，當如此算出的偏差面F抵消為零時，插入及修正脈沖被準確學得。如果滿足這些最優(yōu)化準則，則神經(jīng)網(wǎng)絡在其以最低值和重量表示的感知中足夠精確地存入一適當?shù)恼穹匦郧€分布。如在輸入端送入相應的輸入?yún)?shù)，則得到與之適應的用來確定振幅脈沖的輸出端參數(shù)。
在一個取代預先給定的固定振幅特征曲線而采用誤差逆?zhèn)鞑?Error-Backpropagation)網(wǎng)絡NN的裝置中，神經(jīng)網(wǎng)絡NN緊靠存儲器k的位置。接下來是一個邏輯單元，該單元對在一減法器SUB中得到的轉(zhuǎn)數(shù)額定值nsoll與由軸的輸出端A返饋的轉(zhuǎn)數(shù)實際值nist之間的差值進行處理，并按照上面提到的方法由此計算出偏差面F。該偏差值F被送到神經(jīng)網(wǎng)絡NN的輸出端。作為輸入端參數(shù)，位置額定值Xsoll、在微分器D1中求導的轉(zhuǎn)數(shù)額定值nsoll和在微分器D2中求導的加速度額定值asoll，它們先通過一個濾波器，然后達到神經(jīng)網(wǎng)絡NN輸入層。在卓有成效的記憶過程之后，把神經(jīng)網(wǎng)絡NN在工作期間給出的修正振幅na和時間常數(shù)T的值作為輸出值，并借助插接邏輯電路AL將這些值送到脈沖電路I和對其進行控制。
一個優(yōu)選的變型實施例，是用一種簡單的簡寫為CMAC的神經(jīng)網(wǎng)絡“小腦模型-關(guān)聯(lián)計算機”來補償測得的、并由此固定地預先給出的摩擦預控制的振幅特征曲線。在此，涉及一種大大簡化了的信號處理模型，它如同由小腦完成的。在本發(fā)明所采用的形式中，CMAC實際上已簡化成一個振幅值表格，其數(shù)值相應地通過多次逐步逼近而得到優(yōu)化。這意味著，振幅特征曲線被分成許多段或表格記錄，其中，在各表格記錄之間的有線性內(nèi)插的段上容易進行平滑處理。因此，可得到具有很強適應性的特征曲線形狀，而且能使摩擦預控制在任何情況下都與某一機器相適配。
為確定表格值，使機床在兩個神經(jīng)網(wǎng)絡條件下經(jīng)歷多個轉(zhuǎn)數(shù)過零點，例如在圓形軌跡上。CMAC根據(jù)實際轉(zhuǎn)數(shù)值nist和額定轉(zhuǎn)數(shù)值nsoll之間的差值來優(yōu)化振幅值。對該近似過程而言，通常10到15次逐步逼近就足夠了。
由于不同軸的振幅特征曲線很少相同，所以在兩種方法，即神經(jīng)誤差逆?zhèn)鞑ゾW(wǎng)格和CMAC中，每個軸都配有各自的神經(jīng)網(wǎng)絡NN。對于CMAC而言，由于構(gòu)造簡單，附加的運算費用僅局限于對少數(shù)位置控制脈沖的加法和乘法。這具有以下優(yōu)點，即僅需要很少的運算量、適應的快、系統(tǒng)可塑性強并可較少花費地實現(xiàn)。按照本發(fā)明，借助神經(jīng)網(wǎng)絡式摩擦預控制可實現(xiàn)，把確定合適振幅特征曲線的時間從一天縮短到一小時。通過手工或神經(jīng)網(wǎng)絡進行摩擦預控制，可使象限過渡時的輪廓誤差比沒有修正脈沖時小10倍。此外，還能補償因松馳和扭轉(zhuǎn)引起的偏離。在此，神經(jīng)網(wǎng)絡式摩擦預控制的計算費用和必要的計算量略高于手工計算特征曲線的解決方案。為此，采用神經(jīng)網(wǎng)絡式摩擦預控制可獲得更大的應用靈活性。因為，采用特征曲線的形式比通常用人工所能提供的圖形能更快準確地與標準比例關(guān)系匹配。
本發(fā)明所述方法的另一改善之處在于，在采用神經(jīng)式誤差逆?zhèn)鞑ゾW(wǎng)絡NN時，對于邏輯單元L而言，可確定在機器工作階段是否繼續(xù)采用學習規(guī)則。如果省略學習規(guī)則，則一次找出的最佳脈沖調(diào)節(jié)和閾值調(diào)節(jié)在神經(jīng)網(wǎng)絡NN的感知過程中不再改變。如果在工作階段繼續(xù)采用學習規(guī)則，則由此可使神經(jīng)網(wǎng)絡式摩擦預控制始終與變化的運行條件相適合。通過這種方式，可在實際運行中補償所出現(xiàn)的摩損、溫度影響、潤滑劑改變以及松馳效應的增強等各種不利因素。因此，省略了額外的等待工作及最佳振幅曲線的重新學習。
除了所述的兩種神經(jīng)原方法，即誤差逆?zhèn)鞑ゾW(wǎng)絡和CMAC之外，也可采用另一種神經(jīng)原網(wǎng)絡來計算最佳振幅特征曲線。因此，按照本發(fā)明，也可采用將神經(jīng)網(wǎng)絡與模糊邏輯控制結(jié)合的方法。這種表示為神經(jīng)原-模糊系統(tǒng)的單元具有的優(yōu)點是，可以將控制原理，即與概率論有關(guān)的知識直接運用到神經(jīng)網(wǎng)絡的拓撲學結(jié)構(gòu)中。
這些表示為模糊-神經(jīng)原網(wǎng)絡的單元具有下面的優(yōu)點，即神經(jīng)網(wǎng)絡的拓撲學通過模糊控制被優(yōu)化。
由于本發(fā)明的方法可分別用于每個相關(guān)機器軸、它也毫無問題地適用于僅具有一個軸的機器非線性的補償。
權(quán)利要求
1.一種通過補償軸倒轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的誤差對具有多軸的機器、尤其是機床和機器人進行數(shù)字控制的方法，其特征在于1.1通過修正額定轉(zhuǎn)數(shù)值(nsoll)的摩擦預控制對由于擾量，尤其是摩擦狀況改變和/或由松馳效應和/或由扭轉(zhuǎn)效應引起的誤差進行補償，1.2對每個軸(x，y)來說，在象限(I，II，III，IV)轉(zhuǎn)換處隨著該軸上出現(xiàn)的符號改變而在相應的額定轉(zhuǎn)數(shù)值(nsoll)上插入一個修正脈沖(nkorr)，使額定轉(zhuǎn)數(shù)值(nsoll)得以補償。1.3修正脈沖(nkorr)的振幅(na(a))與加速度有關(guān)，1.4相對于所用的各種機器手工計算與加速度有關(guān)的振幅(na(a))特性曲線和/或特性曲線族的分布以及修正脈沖(nkorr)的延續(xù)時間(T)，1.5把摩擦預控制作為附加的預控制分支組合到軸控制中。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于2.1作為修正脈沖(nkorr)采用的是DT1-脈沖，其衰變期是恒定的或隨加速度增加而線性減小。
3.一種通過補償軸倒轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的誤差對具有多軸的機器，尤其是機床和機器人進行數(shù)字控制的方法，其特征在于3.1通過一種對額定轉(zhuǎn)數(shù)值(nsoll)進行修正的摩擦預控制來補償由干擾量、尤其是摩擦狀況改變和/或由松馳效應和/或由扭轉(zhuǎn)效應而引起的誤差，3.2對每個軸(x，y)來說，在象限(I，II，III，IV)過渡處隨著該軸上出現(xiàn)的符號改變而在相應的額定轉(zhuǎn)數(shù)值(nsoll)上插入一個修正脈沖(nkorr)使得額定轉(zhuǎn)數(shù)值(nsoll)得以修正，3.3修正脈沖(nkorr)的振幅(na(a))與加速度有關(guān)，3.4相對于所用的各種機器，采用自學習感知系統(tǒng)計算與加速度相關(guān)的振幅(na(a))特性曲線和/或特性曲線族的分布以及修正脈沖(nkorr)的延續(xù)時間(T)，3.5把摩擦預控制作為附加的預控制分支組合到軸控制中。
4.按照權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于4.1作為修正脈沖(nkorr)，采用的是DT1-脈沖，其衰變期恒定或隨加速度增加而線性減小。
5.按照權(quán)利要求3或4所述的方法，其特征在于5.1作為自學習感知系統(tǒng)采用的是一種利用誤差回歸修正法作為學習規(guī)則的多層感知神經(jīng)網(wǎng)絡(NN)。
6.按照權(quán)利要求3或4所述的方法，其特征在于6.1作為自學習感知系統(tǒng)采用的是一種神經(jīng)小腦模型-關(guān)聯(lián)計算機網(wǎng)絡(CMAC)。
7.按照權(quán)利要求3、4、5或6所述的方法，其特征在于7.1作為使輸入端參數(shù)符合所希望的輸出端參數(shù)的學習規(guī)則，應用的是在過零點后與誤差面相應的轉(zhuǎn)數(shù)曲線形式的實際轉(zhuǎn)數(shù)值(nist)與理想的實際轉(zhuǎn)數(shù)值(nideal)的誤差，7.2為了計算誤差面，首先，從插入信號的時刻對理想的實際轉(zhuǎn)數(shù)值(nideal)和實際存在的實際轉(zhuǎn)數(shù)值(nist)求微分，由此使額定轉(zhuǎn)數(shù)值(nsoll)和實際轉(zhuǎn)數(shù)值之間的恒定差距消失，接著再求積分且最終重新對誤差面求積分。
8.按照權(quán)利要求5或6所述的方法，其特征在于8.1在工作過程中繼續(xù)使用計算與加速度有關(guān)的振幅(na(a))特性曲線和/或特性曲線族分布的學習規(guī)則以便使摩擦預控制總是與變化的工作條件相適應并使形成的摩損得到自動補償。
9.按照上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于9.1修正脈沖(nkorr)的信號插入時間是在額定轉(zhuǎn)數(shù)值(nsoll)的過零點，9.2在額定轉(zhuǎn)數(shù)值(nsoll)從負區(qū)到正區(qū)的過零點，加上插入的信號振幅(na)；而在額定轉(zhuǎn)數(shù)值(nsoll)從正區(qū)到負區(qū)的過零點則減去插入的信號。
10.實施權(quán)利要求1或2所述方法的裝置，其特征在于10.1把摩擦預控制作為附加的預控制分支組合到軸控制之中，10.2其中在第一微分電路(D1)中對額定位置值(Xsoll)進行微分，將所獲得的額定轉(zhuǎn)數(shù)值(nsoll)在另一個微分電路(D2)中求微分得到額定加速度值(asoll)，10.3將所獲得的額定轉(zhuǎn)數(shù)值(nsoll)送入控制信號插入時間的插接邏輯電路(AL)，10.4把所獲得的額定加速度值(asoll)送入存儲單元(K)、該存儲單元中含有與加速度有關(guān)的特征曲線，10.5把按照特性曲線(K)計算出的信號插入振幅(na(asoll))送到脈沖修正電路(I)，在此，將額定轉(zhuǎn)數(shù)值(nkorr)與一個軸控制的位置控制信號疊加。
11.實施權(quán)利要求3至9中任一項所述方法的裝置，其特征在于11.1把摩擦預控制作為附加的預控制分支結(jié)合到軸控制中，11.2其中在第一微分電路(D1)中對額定位置值(Xsoll)進行微分，將所獲得的額定轉(zhuǎn)數(shù)值(nsoll)在另一個微分電路(D2)中求微分得到額定加速度值(asoll)，11.3將所獲得的額定轉(zhuǎn)數(shù)值(nsoll)送入控制信號插入時間的插接邏輯電路(AL)，11.4將額定轉(zhuǎn)數(shù)值(nsoll)和額定加速度值(asoll)送入神經(jīng)網(wǎng)絡(NN)的輸入端，11.5將誤差值(F)送入神經(jīng)網(wǎng)絡(NN)輸出端，該誤差值是在邏輯轉(zhuǎn)換電路(L)中由額定轉(zhuǎn)數(shù)值(nsoll)和實際轉(zhuǎn)數(shù)值(nist)的差算出的，11.6由神經(jīng)網(wǎng)絡(NN)向插接邏輯電路(AL)提供振幅值(a)和時間常數(shù)(T)，11.7插接邏輯電路(AL)根據(jù)振幅(a)和時間常數(shù)(T)并依據(jù)額定轉(zhuǎn)數(shù)值來控制脈沖修正電路(I)。
全文摘要
一種對具有多軸的機器，尤其是機床或機器人進行數(shù)字控制的方法，用于補償機器軸倒轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的誤差，其中，通過摩擦預控制來改變摩擦狀態(tài)和對松弛效應及扭轉(zhuǎn)效應進行補償。在引起方向改變的象限轉(zhuǎn)換時通過相對每個軸插入一個修正脈沖(n
文檔編號G05B19/404GK1149918SQ95193429
公開日1997年5月14日 申請日期1995年2月3日 優(yōu)先權(quán)日1994年4月8日
發(fā)明者弗里德里克·厄肯斯, 斯蒂芬·梅特施克, 伯恩德·夸施納爾 申請人:西門子公司