[發(fā)明專利]一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床切削力自監(jiān)測(cè)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110778139.9
• 申請(qǐng)日: 2021-07-09
• 公開（公告）號(hào): CN113359622B
• 公開（公告）日: 2022-05-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李迎光;劉旭;程英豪;蔡宇;郝小忠
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G05B19/416
• 分類號(hào): G05B19/416
• 代理公司: 南京天華專利代理有限責(zé)任公司 32218
• 代理人: 瞿網(wǎng)蘭

1.一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床切削力自監(jiān)測(cè)方法，其特征在于：監(jiān)測(cè)機(jī)床各個(gè)進(jìn)給軸的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信號(hào)；將單個(gè)進(jìn)給軸的伺服監(jiān)測(cè)信號(hào)與切削力之間關(guān)系表征為如下所示的動(dòng)態(tài)映射形式：

其中，k表示當(dāng)前時(shí)刻，F(xiàn)_a(k)表示當(dāng)前時(shí)刻進(jìn)給軸方向切削力，i(k-j),ω(k-j)和表示之前及當(dāng)前時(shí)刻的驅(qū)動(dòng)電流、速度及加速度，F(xiàn)_a(k-j)(j＝1,2,…,m)表示之前時(shí)刻的切削力預(yù)測(cè)值，m和n分別表示與輸入和輸出相關(guān)的時(shí)滯階數(shù)，f表示輸入輸出之間具體形式的非線性關(guān)系；采用純數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型或機(jī)理數(shù)據(jù)混合驅(qū)動(dòng)模型構(gòu)造f；實(shí)際加工時(shí)輸入驅(qū)動(dòng)電流、速度和加速度監(jiān)測(cè)量并利用f進(jìn)行迭代預(yù)測(cè)，即可獲取實(shí)時(shí)切削力。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床切削力自監(jiān)測(cè)方法，其特征在于：運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信號(hào)為速度和加速度信號(hào)，推薦為伺服電機(jī)角速度和角加速度；若被監(jiān)測(cè)進(jìn)給軸為直線進(jìn)給軸，也可以是直線進(jìn)給速度和進(jìn)給加速度；若可監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信號(hào)只有位置信號(hào)和速度信號(hào)，可通過數(shù)值微分方式獲取速度和加速度信號(hào)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床切削力自監(jiān)測(cè)方法，其特征在于：離散時(shí)間非線性動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型中系統(tǒng)的離散步長(zhǎng)取決于進(jìn)給系統(tǒng)伺服環(huán)節(jié)的響應(yīng)頻率，伺服響應(yīng)越快，則系統(tǒng)離散步長(zhǎng)越短，可預(yù)測(cè)切削力的帶寬越大，即工作帶寬越大；為保證準(zhǔn)確性，預(yù)測(cè)模型工作帶寬應(yīng)小于等于伺服響應(yīng)帶寬的五分之一。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床切削力自監(jiān)測(cè)方法，其特征在于：采用純數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型或機(jī)理數(shù)據(jù)混合驅(qū)動(dòng)模型對(duì)伺服監(jiān)測(cè)信號(hào)-切削力的非線性動(dòng)態(tài)映射關(guān)系f進(jìn)行表征，并通過切削實(shí)驗(yàn)構(gòu)造伺服監(jiān)測(cè)信號(hào)-切削力數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床切削力自監(jiān)測(cè)方法，其特征在于：機(jī)理數(shù)據(jù)混合驅(qū)動(dòng)模型的設(shè)計(jì)思想在于保留伺服監(jiān)測(cè)信號(hào)-切削力機(jī)理模型中的靜態(tài)線性子模型為其機(jī)理形式，非線性靜態(tài)子模型和動(dòng)態(tài)子模型則替換為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，同時(shí)保留各子模型與輸入輸出以及中間變量之間的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)連接關(guān)系。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床切削力自監(jiān)測(cè)方法，其特征在于：機(jī)理數(shù)據(jù)混合驅(qū)動(dòng)模型中的切削力-監(jiān)測(cè)信號(hào)的機(jī)理模型是包含多個(gè)子模型耦合而成的非線性動(dòng)態(tài)映射模型，所述的子模型包括電機(jī)模型、慣性模型、摩擦模型、力-力矩轉(zhuǎn)換模型和結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型，電機(jī)模型中的電機(jī)常數(shù)和慣性模型中的等效慣量被設(shè)計(jì)為可訓(xùn)練的獨(dú)立變量，摩擦模型被設(shè)計(jì)為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，驅(qū)動(dòng)力矩、摩擦力矩和慣性力矩之間的運(yùn)算關(guān)系也被保留，共同構(gòu)成了靜態(tài)混合驅(qū)動(dòng)單元；結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型和力-力矩轉(zhuǎn)換模型被合并替代為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，其輸入為當(dāng)前及之前時(shí)刻的靜態(tài)混合驅(qū)動(dòng)單元的輸出及之前時(shí)刻的動(dòng)態(tài)輸出值。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床切削力自監(jiān)測(cè)方法，其特征在于：迭代預(yù)測(cè)是當(dāng)采用純數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型或機(jī)理數(shù)據(jù)混合驅(qū)動(dòng)模型對(duì)確定f后，在給定初始條件下，即零初始條件下，以當(dāng)前和之前時(shí)刻的伺服監(jiān)測(cè)信號(hào)以及之前時(shí)刻切削力預(yù)測(cè)值作為輸入，以迭代方式進(jìn)行對(duì)當(dāng)前時(shí)刻切削力連續(xù)預(yù)測(cè)。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床切削力自監(jiān)測(cè)方法，其特征在于：直接利用數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置傳感器監(jiān)測(cè)所需伺服信號(hào)，并將伺服監(jiān)測(cè)信號(hào)-切削力的離散時(shí)間非線性動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型集成在數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部，以數(shù)控系統(tǒng)附加功能的形式賦予機(jī)床切削力自監(jiān)測(cè)能力。

9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床切削力自監(jiān)測(cè)方法，其特征在于：所述的伺服監(jiān)測(cè)信號(hào)-切削力數(shù)據(jù)集中的切削實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)集中監(jiān)測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)和切削力數(shù)據(jù)需滿足對(duì)模型特性辨識(shí)的需求，即各進(jìn)給軸進(jìn)給速度應(yīng)有正有負(fù)且過零點(diǎn)，以充分反映摩擦特性；切削力的頻率成分應(yīng)豐富，其頻率成分應(yīng)覆蓋模型工作帶寬，且滿足隨機(jī)或偽隨機(jī)特性，或?yàn)闈M足持續(xù)激勵(lì)條件的多頻率周期信號(hào)，以充分激勵(lì)進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性。