[發(fā)明專利]提高直接驅(qū)動XY平臺輪廓加工精度方法

無效

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• 申請日: 2010-12-01
• 公開（公告）號: CN102033508A
• 公開（公告）日: 2011-04-27
• 發(fā)明（設計）人: 王麗梅;李兵;孫宜標;劉春芳;趙希梅
• 申請（專利權(quán)）人: 沈陽工業(yè)大學
• 主分類號: G05B19/19
• 分類號: G05B19/19
• 代理公司: 沈陽智龍專利事務所(普通合伙) 21115
• 代理人: 宋鐵軍

技術領域

本發(fā)明屬于數(shù)控加工技術和控制領域，特別涉及一種用實時輪廓誤差補償法和IP控制相結(jié)合來提高輪廓加工精度的控制方法。

背景技術

當今世界各國裝備制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術提高制造能力和水平。大力發(fā)展以數(shù)控技術為核心的先進制造技術已成為世界各發(fā)達國家加速經(jīng)濟發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑之一。同時，用高效率加工方法已經(jīng)成為當今制造業(yè)的迫切要求，在刀具等技術的配合下，出現(xiàn)了高速高精度加工的切削機床，主要是各類加工中心和各種數(shù)控機床。當今所謂高速高精度加工機床，不僅要有很高的主軸切削速度，而且要有很高的進給速度和加速度，同時應當具有亞微米級以致更高的加工精度。而X-Y數(shù)控平臺系統(tǒng)的精密輪廓跟蹤控制在數(shù)控機床中具有代表性，對提高數(shù)控系統(tǒng)加工精度和性能具有重要的作用。

在X-Y平臺伺服系統(tǒng)中，相對于傳統(tǒng)的間接驅(qū)動方式，直線電機直接驅(qū)動方式具有明顯的優(yōu)勢。然而，此時伺服系統(tǒng)對負載擾動、端部效應和摩擦力擾動等不確定性更為敏感，增加了電氣控制上的難度，使其伺服性能降低。隨著對數(shù)控系統(tǒng)的精度和速度的要求越來越高，對伺服控制器也提出了更高的要求。提高加工速度可以縮短加工時間，提高加工效率，然而在X-Y平臺實現(xiàn)高速加工時，若跟蹤軌跡有較劇烈的變化或者輪廓軌跡上存在較大彎曲，導致輪廓跟蹤誤差增大，嚴重影響輪廓加工精度。因此，為了在加工精度和加工速度之間取得平衡，解決X-Y平臺高速度和高精度之間的矛盾，探尋實現(xiàn)X-Y數(shù)控平臺的高速度、高精度控制策略尤為重要。隨著高精度復雜型面零件加工的不斷增多,輪廓精度已成為數(shù)控系統(tǒng)的重要精度指標之一。數(shù)控系統(tǒng)的輪廓加工軌跡是多軸協(xié)調(diào)運動的合成結(jié)果，因此，輪廓精度的提高涉及到機床各進給軸的動態(tài)特性和參數(shù)匹配。對于高速加工和精密加工，機床進給系統(tǒng)各軸間的動態(tài)特性不同、控制系統(tǒng)參數(shù)不匹配是輪廓跟蹤誤差的主要來源，因此，對各軸間的動態(tài)特性進行分析是降低輪廓誤差的首要問題。外部擾動是產(chǎn)生輪廓跟蹤誤差的另一重要因素。在X-Y平臺控制系統(tǒng)中，加工部件質(zhì)量的變化較大，對系統(tǒng)性能影響也較大，所以系統(tǒng)參數(shù)攝動也是產(chǎn)生輪廓誤差的重要因素。

隨著高精度復雜型面零件加工的不斷增加，輪廓精度已成為數(shù)控機床(CNC)系統(tǒng)的重要精度指標。CNC系統(tǒng)的輪廓加工軌跡是多軸協(xié)調(diào)運動的合成結(jié)果，因此輪廓精度的提高涉及到機床進給軸動態(tài)特性和參數(shù)匹配目前在這方面進行的研究歸納起來可分為兩大類，一類是從改善機床各進給軸的位置控制環(huán)的性能出發(fā),通過各種先進的控制與補償技術提高伺服軸的動態(tài)性能從而達到改善系統(tǒng)輪廓精度的目的；另一類是直接從改善機床輪廓誤差出發(fā),采用耦合輪廓補償?shù)霓k法，在不改變各軸位置環(huán)的情況下，通過向各軸提供附加輪廓信息補償?shù)霓k法，對兩軸的進給運動進行協(xié)調(diào)，達到減小系統(tǒng)的輪廓誤差的目的。對于輪廓加工系統(tǒng)，輪廓精度較單軸位置精度而言更直接影響工件的加工精度，采用輪廓誤差補償技術則是提高系統(tǒng)輪廓加工精度的有效途徑。

在運動控制系統(tǒng)中，存在許多不確定性的非線性因素的影響，在單軸上，采用經(jīng)典的PID伺服控制算法很難保證所要求的設計精度。為消除這些不良影響，設計和制造更精密的機械零件將使系統(tǒng)造價昂貴；然而采用廉價計算技術，適當?shù)难a償策略將使得應用相對廉價的機械零件成為可能。為了消除不確定性的影響，采用了有效的控制方案。對于一般精度而言，像PID這樣的經(jīng)典線性控制策略能夠很好的滿足要求。在數(shù)控機床的輪廓加工中，一般采用常規(guī)比例（P）型或者比例微分（PD）型控制器，它對各坐標軸的參數(shù)匹配有嚴格的限制。同時對于切削力、導軌非線性摩擦力、系統(tǒng)模型振動的影響，都可能嚴重地降低了整個閉環(huán)系統(tǒng)的控制性能。但是對于需要高精度控制的情形，由于不光滑非線性的影響，經(jīng)典的控制策略可能不再適用。對于輪廓加工系統(tǒng)，交叉耦合輪廓控制對各軸的誤差進行補償控制，這種控制的主要優(yōu)點在于不存在耦合問題，缺點是在不同的輪廓運動中不易確定調(diào)節(jié)器的參數(shù)。交叉耦合近似輪廓誤差控制近似計算輪廓誤差，根據(jù)誤差值和控制器的調(diào)節(jié)得到控制量，分配給各軸。這種控制方法的主要缺點在于其是一個有交叉耦合、非線性、時變的系統(tǒng)，控制起來難度較大。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于提供一種用實時輪廓誤差補償法和IP控制來提高直接驅(qū)動XY平臺輪廓加工精度的方法。

技術方案：本發(fā)明的技術方案為：

提高直接驅(qū)動XY平臺輪廓加工精度方法，其特征在于：所述方法包括通過實時輪廓誤差估值器實時計算系統(tǒng)某一時刻的輪廓誤差，以及各單軸控制器采用IP控制和速度前饋控制相結(jié)合，具體包括以下以下步驟：