[發(fā)明專利]一種用于減小機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)跟蹤誤差的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610068524.3
• 申請(qǐng)日: 2016-02-01
• 公開（公告）號(hào): CN105700470B
• 公開（公告）日: 2017-12-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李曦;徐軼;席勇;陳吉紅;張艷芬;朱念念;郭永才;陸巍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G05B19/19
• 分類號(hào): G05B19/19
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心42201
• 代理人: 梁鵬

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于數(shù)控加工技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種用于減小機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)跟蹤誤差的方法。

背景技術(shù)

伺服進(jìn)給系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于數(shù)字化控制的機(jī)械制造和加工過程中。該系統(tǒng)中存在多種非線性特性，例如摩擦、間隙、磁滯效應(yīng)以及外部擾動(dòng)，這些非線性特性會(huì)給系統(tǒng)的性能帶來很大的影響，其中非線性摩擦對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制性能的影響最為顯著。對(duì)于高精度工作臺(tái)伺服進(jìn)給系統(tǒng)來說，在消除滾珠絲杠螺距誤差和間隙后，進(jìn)給系統(tǒng)中存在的摩擦成為影響運(yùn)動(dòng)控制精度的主要原因，如何有效消除摩擦的影響成為精確控制的關(guān)鍵問題。

對(duì)于如何通過摩擦力的控制補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)伺服進(jìn)給系統(tǒng)跟隨誤差的控制，現(xiàn)有技術(shù)中給出了一些研究，現(xiàn)有的方案基于經(jīng)典模型的摩擦補(bǔ)償具有一定的效果，但經(jīng)典模型是靜態(tài)模型，它不能很好的顯示摩擦力的動(dòng)態(tài)特性，而這些動(dòng)態(tài)特性將嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能，特別是跟蹤性能和定位精度。因此，在定位精度要求較高的運(yùn)動(dòng)控制中，采用摩擦力靜態(tài)模型進(jìn)行補(bǔ)償，難以滿足性能要求，并且直接采用摩擦力前饋補(bǔ)償，或者直接把摩擦力作為擾動(dòng)引入到控制系統(tǒng)，不能夠?qū)崟r(shí)觀測(cè)摩擦力的變化，無法實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)補(bǔ)償參數(shù)以對(duì)摩檫力進(jìn)行補(bǔ)償，因此補(bǔ)償后的效果精度不高。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種用于減小機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)跟蹤誤差的方法，其通過卡爾曼觀測(cè)器實(shí)現(xiàn)對(duì)摩擦力的預(yù)估，并通過對(duì)摩擦力的補(bǔ)償從而達(dá)到精確控制的目的，使得系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)的觀測(cè)和預(yù)估摩擦力實(shí)時(shí)變化，并且在控制系統(tǒng)中對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)于減小伺服系統(tǒng)跟蹤誤差特別是預(yù)滑動(dòng)時(shí)補(bǔ)償控制具有顯著效果。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種用于減小機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)跟蹤誤差的方法，其特征在于，該方法包括如下步驟：

1)對(duì)機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行建模，獲得伺服進(jìn)給系統(tǒng)的系統(tǒng)模型；

2)建立機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)的摩擦力數(shù)學(xué)模型并辨識(shí)參數(shù)；

3)利用卡爾曼狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)伺服進(jìn)給系統(tǒng)的位置變化進(jìn)行預(yù)估，根據(jù)預(yù)估的位置變化計(jì)算伺服進(jìn)給系統(tǒng)的補(bǔ)償摩擦力，根據(jù)計(jì)算的補(bǔ)償摩擦力對(duì)伺服進(jìn)給系統(tǒng)的摩擦力進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)減少機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)的跟蹤誤差。

作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述對(duì)機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行建模，獲得伺服進(jìn)給系統(tǒng)的系統(tǒng)模型包括：

建立伺服進(jìn)給系統(tǒng)的系統(tǒng)模型為其中，M_t表示伺服進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械部分總的質(zhì)量，B_m表示伺服電機(jī)的阻尼，F(xiàn)_q表示伺服進(jìn)給系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力，表示伺服進(jìn)給系統(tǒng)的摩擦力，x表示伺服進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)給軸位移，z表示鬃毛平均變形。

作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述鬃毛平均變形z采用如下表達(dá)式表達(dá)：

其中，δ₀表示鬃毛剛度，f_c表示庫倫摩擦力，f_s表示最大靜摩擦力，v_s表示Stribeck效應(yīng)的特征速度。

作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述建立機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)的摩擦力數(shù)學(xué)模型并辨識(shí)參數(shù)包括：

2.1)建立機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)的摩擦力數(shù)學(xué)模型：

其中，δ₀表示鬃毛剛度，δ₁表示微觀阻尼系數(shù)，μ_v表示伺服進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)給軸粘滯摩擦系數(shù)；

2.2)辨識(shí)摩擦力數(shù)學(xué)模型中參數(shù)δ₀、δ₁、μ_v、f_c、f_s和v_s的值。

作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述辨識(shí)摩擦力數(shù)學(xué)模型中參數(shù)δ₀、δ₁、μ_v、f_c、f_s和v_s的值包括：

選擇優(yōu)化成本函數(shù)J_s，并使其最小化，計(jì)算獲得參數(shù)δ₀、δ₁、μ_v、f_c、f_s和v_s的值，所述J_s采用如下表達(dá)式表示：

式中，N_s是組成Stribeck效應(yīng)點(diǎn)的數(shù)目，分別表示工作臺(tái)在不同速度下的穩(wěn)態(tài)誤差，其中所述和表示穩(wěn)態(tài)下的摩擦力，其通過實(shí)際測(cè)得，所述和表示估算的穩(wěn)態(tài)下的摩擦力，其由步驟2.1)中的摩擦力數(shù)學(xué)模型表達(dá)。