基于剛度辨識的數(shù)控機床進給系統(tǒng)控制參數(shù)優(yōu)化方法
【專利說明】基于剛度辨識的數(shù)控機床進給系統(tǒng)控制參數(shù)優(yōu)化方法 【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于數(shù)控機床控制技術領域，特別涉及一種數(shù)控機床進給系統(tǒng)控制參數(shù)優(yōu) 化方法。 【【背景技術】】
[0002] 數(shù)控機床加工過程中由于頻繁的啟停、換向等動作，不可避免地對機械系統(tǒng)各部 件會產生沖擊，造成系統(tǒng)各動、靜結合部的接觸特性發(fā)生變化，從而影響其剛度值，此時機 床出廠時設定的伺服控制參數(shù)已經不能夠保證機床處于最佳的運行狀態(tài)，因此需對伺服控 制參數(shù)進行優(yōu)化調整。
[0003] 申請?zhí)枮?01410007516. 9的專利申請辨識了系統(tǒng)慣量，得到初始PI參數(shù)，根據(jù)給 定目標階躍指令，獲取響應曲線的超調量、上升時間及穩(wěn)態(tài)波動三個指標，辨識出系統(tǒng)階躍 響應曲線的類型，從而調整控制參數(shù)。申請?zhí)枮?01310695273. 8的專利申請辨識出速度環(huán) 被控對象模型的參數(shù)，再根據(jù)模型的參數(shù)以及性能指標對伺服驅動器的控制參數(shù)進行尋優(yōu) 整定，以獲得最優(yōu)的控制參數(shù)。文獻（劉棟，數(shù)控伺服系統(tǒng)建模分析與基于GA算法參數(shù)優(yōu) 化研宄）中用遺傳算法對三環(huán)調節(jié)器參數(shù)進行優(yōu)化。文獻（康亞彪，數(shù)控機床伺服系統(tǒng)動 態(tài)仿真及參數(shù)優(yōu)化）中用遺傳算法和改進的復形法對伺服系統(tǒng)的參數(shù)進行優(yōu)化整定。然而 以上專利或文獻并未考慮剛度對系統(tǒng)性能的影響，且提出的性能指標并不能很好的反映數(shù) 控機床在運動過程中的精度，以至于整定出的參數(shù)并不能使機床運動性能達到最優(yōu)。 【
【發(fā)明內容】
】
[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于剛度辨識的數(shù)控機床進給系統(tǒng)控制參數(shù)優(yōu)化方 法，以克服現(xiàn)有技術的不足。
[0005] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：
[0006] -種基于剛度辨識的數(shù)控機床進給系統(tǒng)控制參數(shù)優(yōu)化方法，包括以下步驟：
[0007] 1)將一種由多段隨機時間、隨機速度構成的頻域幅值為1的運動指令生成G代碼 序列輸入到數(shù)控機床中，對數(shù)控機床產生輸入激勵信號；
[0008] 2)數(shù)控機床的工作臺運動產生位移響應，采集工作臺的時域響應信號；3)將采集 到的時域響應信號進行頻域分析，求得數(shù)控機床進給系統(tǒng)的頻響函數(shù)，從而得到一階反共 振幅值Ai、頻率％和一階共振幅值六2、頻率《2;
[0009] 4)查電機手冊得到電機轉動慣量1，對數(shù)據(jù)進行分析再處理，利用步驟3)得到幅 值頻率得到最終的等效剛度值K0:
[0011] 式中：
[0012] 上為負載轉動慣量，其表達式為
[0014] 5)每測得一次剛度值，數(shù)控機床都按照統(tǒng)一的位移斜坡測試軌跡指令控制數(shù)控機 床伺服系統(tǒng)工作，并實時采集響應數(shù)控機床運動位置信息；
[0015] 6)依據(jù)測試軌跡指令信息和機床運動位置信息，通過評價指標對數(shù)控機床伺服控 制系統(tǒng)動態(tài)性能進行綜合評價；
[0016] 7)根據(jù)一系列控制參數(shù)數(shù)值組合，調整伺服系統(tǒng)控制參數(shù)使其評價指標最小，此 時的控制參數(shù)為最優(yōu)值。
[0017] 優(yōu)選的，步驟1)所述的一種由多段隨機時間、隨機速度構成的運動指令的頻域幅 值恒為1。
[0018] 優(yōu)選的，所述的步驟2)中采集工作臺的時域響應信號和步驟5)中實時采集響應 數(shù)控機床運動位置信息由激光干涉儀完成。
[0019] 優(yōu)選的，所述的步驟4)由數(shù)據(jù)分析模塊完成。
[0020] 優(yōu)選的，步驟6)中，所述評價指標為位移穩(wěn)態(tài)誤差均方根值、速度穩(wěn)態(tài)誤差均方 根值和加速度穩(wěn)態(tài)誤差均方根值的加權求和E，其表達式如下式（1-7)所示：
[0022] 式中-激光干涉儀采集的工作臺實際位移值；
[0023] xait-機床當前運動軸的指令位置；
[0024] v實際一工作臺實際速度值；
[0025] vait-機床當前運動軸的指令速度；
[0026] -工作臺實際加速度值；
[0027] aait-機床當前運動軸的理論加速度；
[0028] Ai-位移穩(wěn)態(tài)誤差均方根值權重系數(shù)；
[0029] 速度穩(wěn)態(tài)誤差均方根值權重系數(shù)；
[0030] a3-加速度穩(wěn)態(tài)誤差均方根值權重系數(shù)；
[0031] B0 -進給系統(tǒng)等效阻尼。
[0032] 優(yōu)選的，步驟3)中采用峰值拾取法將采集到的時域響應信號進行頻域分析。
[0033] 步驟1)中"運動指令"信號即輸入信號的頻域幅值恒為1，則對輸出信號進行頻域 分析就是系統(tǒng)的頻響函數(shù)；且運動指令應盡可能隨機并且具有足夠高的能量，以便能夠激 勵起系統(tǒng)的模態(tài)。
[0034] 步驟6)中，所述評價指標為位移穩(wěn)態(tài)誤差均方根值、速度穩(wěn)態(tài)誤差均方根值和加 速度穩(wěn)態(tài)誤差均方根值的加權求和。
[0035] 相對于現(xiàn)有技術，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0036] (1)本發(fā)明提出了一種新的辨識伺服進給系統(tǒng)剛度的方法，可以實現(xiàn)數(shù)控機床現(xiàn) 場方便準確快捷地對進給系統(tǒng)剛度的辨識。
[0037] (2)同本發(fā)明提出的評價機床性能的指標能夠很好地反映機床的動態(tài)特性，此機 床性能指標能夠為參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。 【【附圖說明】】
[0038]圖1為基于剛度辨識的進給系統(tǒng)控制參數(shù)優(yōu)化框圖；
[0039]圖2為數(shù)控機床頻域幅值恒為1的激勵輸入速度-時間曲線；
[0040] 圖3為伺服進給系統(tǒng)頻響函數(shù)示意圖；
[0041] 圖4為測試軌跡指令圖；其中圖4(a)為時間-位移圖；圖4(b)為時間-速度圖；
[0042] 圖5為評價指標與控制參數(shù)關系圖。 【【具體實施方式】】
[0043] 請參閱圖1至圖5所示，本發(fā)明一種基于剛度辨識的數(shù)控機床進給系統(tǒng)控制參數(shù) 優(yōu)化方法，包括以下步驟：
[0044] 1)將一種由多段隨機時間、隨機速度構成的、頻域幅值為1的運動指令生成G代 碼序列輸入到數(shù)控機床中，對其產生輸入激勵信號；2)工作臺運動產生位移響應，采集工 作臺的時域響應信號；3)用峰值拾取法將采集到的時域響應信號進行頻域分析，求得系統(tǒng) 的頻響函數(shù)，從而求得一階反共振幅值、頻率和一階共振幅值、頻率；4)查電機手冊得到電 機轉動慣量1，對數(shù)據(jù)進行分析再處理，利用步驟3)得到的幅值頻率得到最終的等效剛度 值；5)每測得一次等效剛度值