[發(fā)明專利]一種面向機械主軸高加速啟停的控制器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810457811.2
• 申請日: 2018-05-14
• 公開（公告）號: CN108681310B
• 公開（公告）日: 2020-10-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙萬華;張?zhí)煊?/a>;呂盾;劉輝
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號: G05B19/416
• 分類號: G05B19/416
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 范巍

本發(fā)明公開了一種面向機械主軸高加速啟停的控制器，以PI控制框架為基礎(chǔ)，針對機械系統(tǒng)的主導(dǎo)低頻模態(tài)、高頻模態(tài)，在速度PI控制器后添加模態(tài)濾波器和雙T網(wǎng)絡(luò)陷波濾波器，二者結(jié)合可以顯著提高機械主軸的啟停加速度，大幅縮小啟停時間。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于數(shù)控機床控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及機械主軸系統(tǒng)高加速啟停的控制器及設(shè)計方法。

背景技術(shù)

機械主軸廣泛用于鈦合金切削加工的場合，以滿足大切削扭矩的要求。機械主軸傳動系統(tǒng)復(fù)雜，通常由同步帶、傳動軸、多級齒輪、伺服電機及其驅(qū)動器構(gòu)成。相對于電主軸，機械主軸柔性明顯，響應(yīng)速度慢，啟停時間長。在需要頻繁啟停換刀的場合，限制了生產(chǎn)效率的提高。為解決該問題，需要采用一些控制方法，提高系統(tǒng)帶寬，進而提高主軸系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，提高啟停加速度，減少啟停時間。

申請?zhí)枮镃N201410007516.9的中國專利提出了一種交流伺服系統(tǒng)控制器參數(shù)整定方法，該方法先辨識得到系統(tǒng)總慣量，再根據(jù)性能指標(biāo)和模型的參數(shù)對伺服參數(shù)進行整定。該整定方法操作簡單，適用于剛度較大的傳動系統(tǒng)。申請?zhí)枮镃N201510260421.2的中國專利提出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，該方法通過辨識獲得機械系統(tǒng)的雙慣量模型，以工作臺位移、速度、加速度的穩(wěn)態(tài)誤差均方根的加權(quán)求和為評價指標(biāo)，對伺服系統(tǒng)的控制參數(shù)進行優(yōu)化。該專利考慮了機械系統(tǒng)的一階模態(tài)，可以在機械剛度變化時，指導(dǎo)系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整，以使其性能達到最優(yōu)。然而，機械主軸傳動環(huán)節(jié)多，具有強柔性、多模態(tài)的特點，以上專利或其他現(xiàn)有文獻只將被控對象視為單慣量或雙慣量，無法解決機械主軸的控制問題，也無法很好的提升機械主軸性能，縮短啟停時間。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種面向機械主軸高加速啟停的控制器。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：

一種面向機械主軸高加速啟停的控制器，包括速度PI控制器以及與速度PI控制器相連的針對機械主軸主導(dǎo)低頻模態(tài)和主導(dǎo)高頻模態(tài)的濾波器。

優(yōu)選的，所述濾波器包括針對主導(dǎo)低頻模態(tài)的模態(tài)濾波器和針對主導(dǎo)高頻模態(tài)的雙T網(wǎng)絡(luò)陷波濾波器，兩個濾波器的結(jié)合是通過各級串聯(lián)的方式，先后順序不影響濾波效果。

所形成的機械主軸伺服系統(tǒng)包括的模塊有：上述高加速啟停的控制器、柔性機械結(jié)構(gòu)以及伺服電機驅(qū)動器(驅(qū)動器包括電流環(huán)和反饋濾波器)。

上述面向機械主軸高加速啟停的控制器的設(shè)計方法，包括以下步驟：該控制器以PI控制框架為基礎(chǔ)，在速度PI控制器后添加上述模態(tài)濾波器和雙T網(wǎng)絡(luò)陷波濾波器。

上述高加速啟停的控制器的設(shè)計具體包括以下步驟：1.機械系統(tǒng)模型獲取(機械系統(tǒng)辨識)；2.主導(dǎo)高、低頻模態(tài)分離；3.濾波器參數(shù)計算；4.控制器效果評價。

步驟1所述的機械系統(tǒng)模型的獲取方法為峰值拾取法。機械系統(tǒng)模型的數(shù)學(xué)形式為模態(tài)展開式，如式(1-1)所示：

式中：J為機械系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動慣量；h_i為第i階模態(tài)剛度；ω_i為第i階模態(tài)固有頻率；ξ_i為第i階模態(tài)阻尼，s為拉氏變換算子，n為機械共振模態(tài)總階數(shù)。

步驟2所述的主導(dǎo)高、低頻模態(tài)是指：激勵力輸入和電機轉(zhuǎn)子速度輸出的機械系統(tǒng)Bode圖中低頻區(qū)域反共振峰和共振峰幅值之差最大的模態(tài)為主導(dǎo)低頻模態(tài)；所述Bode圖中高頻區(qū)域幅值最靠近0dB線的模態(tài)為主導(dǎo)高頻模態(tài)。其中，低頻指≤200Hz，高頻指＞200Hz。

步驟3所述的濾波器之一，即模態(tài)濾波器的表達式如式(1-2)所示：