CN103419083B - 数控机床进给系统受力监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明是提供一种数控机床进给系统受力监测方法，用于监测数控机床进给系统的受力状况，具有：第1步骤，获取数控机床进给系统位置控制器的电流和编码器（或光栅尺）的信号数据，并根据该信号数据推算出数控机床进给系统的位移测量值和转速测量值；第2步骤，通过迭代运算的方式得到基于卡尔曼滤波状态观测器的常数增益系数；第3步骤，通过将位移测量值和转速测量值以及常数增益系数引入卡尔曼滤波状态观测器，得到数控机床进给系统的载荷力观测值和位移观测值以及转速观测值，从而监测受力状况。

Description

数控机床进给系统受力监测方法

技术领域

本发明涉及一种数控机床进给系统受力监测方法，适合于采用旋转电机和滚珠丝杠传动方式的数控机床进给系统。

背景技术

数控机床是民用和国防工业中加工复杂、大型、薄壁、难加工材料等精密零件的关键装备。大型数控机床在高速度、高加速度、大载荷、大位移等非常规工况下，进给系统所受载荷力(包括切削力、滑擦力等)极易造成加工过程的振动、冲击、变形、机床部件磨损等，对工艺系统、主轴系统和进给系统等产生巨大影响。为使机床在恶劣工况下达到高精度、高效率、高服役性能和智能化的要求，对加工过程中的载荷力进行在线监测非常必要。目前，还没有一种对数控机床进给系统载荷力进行在线监测的方法。

发明内容

本发明提供一种数控机床进给系统受力监测方法，用于监测数控机床进给系统的受力状况，具有：第1步骤，获取数控机床进给系统位置控制器的电流和编码器(或光栅尺)的信号数据，并根据该信号数据推算出数控机床进给系统的位移测量值和转速测量值；第2步骤，通过迭代运算的方式得到基于卡尔曼滤波状态观测器的常数增益系数；第3步骤，通过将位移测量值和转速测量值以及常数增益系数引入卡尔曼滤波状态观测器，得到数控机床进给系统的载荷力观测值和位移观测值以及转速观测值，从而监测受力状况。

第1步骤中的信号数据，分别是电机电流数据u_m和机床位置数据x_m。

其中，电机电流数据可以从数控机床进给系统中的电机伺服驱动器状态监测接口利用模拟量数据采集卡获得，电机位置数据取自位置控制器的位置反馈信号，可以通过导线转接头直接得到，并采用数字信号采集卡获取。

首先，以采集计数的第一个位置点作为参考点，设第一个数据点位置计数为X_m(1)，第k个数据点位置计数为X_m(k)。

定义第一点的位置：

x_m(1)＝0  (1)

则第k点的位置为：

x_m(k)＝X_m(k)-X_m(1)  (2)

由此得出位移测量值。

其次，系统电机第k点的转速测量值通过位置的差分运算得到，具体公式为：

${\mathrm{\ω}}_m\left(k\right)=\frac{2\mathrm{\π}(x_m(k+1)-x_m\left(k\right))}{{\mathrm{LT}}_s}---\left(3\right)$

其中T_s是编码器或光栅尺信号的采样时间，L为丝杠导程，π为圆周率。

第2步骤，是根据以下过程实现：

首先，卡尔曼滤波状态观测器递推公式如下：

$\left[\begin{array}{c}\hat{x}\left(k\right)\\ \widehat{\mathrm{\ω}}\left(k\right)\\ \hat{f}\left(k\right)\end{array}\right]=(I-K_{\mathrm{obs}}C)A\left[\begin{array}{c}\hat{x}(k-1)\\ \widehat{\mathrm{\ω}}(k-1)\\ \hat{f}(k-1)\end{array}\right]+(I-K_{\mathrm{obs}}C)B\left[u(k-1)\right]+K_{\mathrm{obs}}\left[\begin{array}{c}{x}_m\left(k\right)\\ {\mathrm{\ω}}_m\left(k\right)\end{array}\right]---\left(4\right)$

式中分别是通过卡尔曼状态观测器对机床进给系统的位置、转速、载荷力的第k次观测值，x_m(k)、ω_m(k)分别是进给系统电机的位置、转速的第k次测量值分别由公式(2)、(3)得到，u(k-1)是电机电流的第k-1次测量值，K_obs为滤波器常数增益矩阵，

分别如下式定义A、B、C、W、V状态方程矩阵：

$A=\left[\begin{array}{ccc}{A}_d& & -B_d\\ 0& 0& 1\end{array}\right],B=\left[\begin{array}{c}{B}_d\\ 0\end{array}\right],C=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 0\end{array}\right],W=\left[\begin{array}{cc}{B}_d& 0\\ & 0\\ 0& 1\end{array}\right],V=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right]---\left(5\right)$

其中： $A_d=\left[\begin{array}{cc}1& e^{k_{\mathrm{bs}}{T}_S}\\ 1& e^{-B_e{T}_S/J_e}\end{array}\right],B_d=\left[\begin{array}{c}0\\ -K_t(e^{K_t{T}_s/J_e}-1)/B_e\end{array}\right]$

K_bs＝L/(2π)，e为自然常数。

滤波器常数增益矩阵K_obs，通过以下迭代公式得到

$\left\{\begin{array}{c}P(k-1|k)=\mathrm{AP}(k-1|k-1)A^T+{\mathrm{WR}}_{\mathrm{\ω}}{W}^T\\ K_{\mathrm{obs}}\left(k\right)=P\left(k\right|k-1)C^T{[R_v+\mathrm{CP}\left(k\right|k-1)C^T]}^{-1}\\ P\left(k\right|k)=[I-K_{\mathrm{obs}}\left(k\right)C]P\left(k\right|k-1)\end{array}\right.---\left(6\right)$

公式(6)中，k表示第k次迭代，Kobs(k)为第k次迭代运算得到的K_obs值，

P(k-1|k-1)、P(k|k-1)P(k|k)为运算中间变量，设定的P(0|0)初始值由公式P(0|0)＝α²×I确定，其中α是远大于1的任意大数，计算前设定K_obs(k)初始值设为0，经多次迭代后，K_obs趋于稳定，根据稳定的K_obs可以确定常数增益系数。

另外，公式(6)中R_ω、R_v由下式得到

$R_{\mathrm{\ω}}=\left[\begin{array}{cc}\frac{{\left({\mathrm{\δ}}_u\right)}^2}{12}& 0\\ 0& 0.01\end{array}\right],R_v=\left[\begin{array}{cc}\frac{{\left({\mathrm{\δ}}_x\right)}^2}{12}& 0\\ 0& 0.05\end{array}\right]---\left(7\right)$

式中δ_u是电流测量的最小测量单位代表的电流值，δ_x是位移测量器件(光栅尺)的最小测量单位代表的位移。

发明作用与效果

本发明提供一种数控机床进给系统受力监测方法，用于数控机床进给系统受力状况的监测，可用于在线加工过程中对进给系统的力包括摩擦力和切削力进行监测，通过力的变化对进给系统的状态和故障诊断提供依据，也可用于无载荷情况下对进给系统所受的摩擦力进行监测，为数控机床进给系统的装配状况评估提供参考，能有效抑制外部噪声和数据处理噪声，输出的力信号较传统的方法有更高的信噪比。且不需要外加力传感器，适合于生产现场的在线、实时监测。

具体实施方式：

本实施例涉及的数控机床进给系统受力监测方法的具体步骤是：第1步骤，获取数控机床进给系统位置控制器的电流和编码器(或光栅尺)的信号数据，并根据该信号数据推算出数控机床进给系统的位移测量值和转速测量值；第2步骤，通过迭代运算的方式得到基于卡尔曼滤波状态观测器的常数增益系数；第3步骤，通过将位移测量值和转速测量值以及常数增益系数引入卡尔曼滤波状态观测器，得到数控机床进给系统的载荷力观测值和位移观测值以及转速观测值，从而监测受力状况。

第1步骤中的信号数据，分别是电机电流数据u_m和机床位置数据x_m。

其中，电机电流数据可以从数控机床进给系统中的电机伺服驱动器状态监测接口利用模拟量数据采集卡获得，电机位置数据取自位置控制器的位置反馈信号，可以通过导线转接头直接得到，并采用数字信号采集卡获取。

首先，以采集计数的第一个位置点作为参考点，设第一个数据点位置计数为X_m(1)，第k个数据点位置计数为X_m(k)。

定义第一点的位置：

x_m(1)＝0  (1)

则第k点的位置为：

x_m(k)＝X_m(k)-X_m(1)  (2)

由此得出位移测量值。

其次，系统电机第k点的转速测量值通过位置的差分运算得到，具体公式为：

${\mathrm{\ω}}_m\left(k\right)=\frac{2\mathrm{\π}(x_m(k+1)-x_m\left(k\right))}{{\mathrm{LT}}_s}---\left(3\right)$

其中T_s是编码器或光栅尺信号的采样时间，L为丝杠导程，π为圆周率。

本实施例所涉及的一种数控机床进给系统受力监测方法的第2步骤，是根据以下过程实现：通过迭代运算的方式得到基于卡尔曼滤波状态观测器的常数增益系数。

进一步，本实施例涉及的一种数控机床进给系统受力监测方法的第3步骤，是通过以下方式实现的：

通过将位移测量值和转速测量值以及常数增益系数引入卡尔曼滤波状态观测器，得到数控机床进给系统的载荷力观测值和位移观测值以及转速观测值。

当数控机床进给系统无外部载荷，被测数控机床进给系统以特定速度匀速运动，得到进给系统在该速度下的载荷力观测值f，此时

f＝F_f  (4)

载荷力观测值f为数控机床机床进给系统的摩擦F_f。

然后，令数控机床加上载荷，得到进给系统在该速度下的载荷力观测值f₁，这时

f₁＝F_f+F_c  (5)

其中F_c为外部载荷力观测值。

则外部载荷力观测值为

F_c＝f₁-F_f  (6)

由此，受力状况的监测已经实现。

Claims (3)

1.一种数控机床进给系统受力监测方法，用于监测数控机床进给系统的受力状况，其特征在于，具有：

第1步骤，获取数控机床进给系统位置控制器的电流和编码器或光栅尺的信号数据，并根据该信号数据推算出所述数控机床进给系统的位移测量值和转速测量值；

第2步骤，通过迭代运算的方式得到基于卡尔曼滤波状态观测器的常数增益系数；

第3步骤，通过将所述位移测量值和转速测量值以及所述常数增益系数引入卡尔曼滤波状态观测器，得到所述数控机床进给系统的载荷力观测值和位移观测值以及转速观测值，从而监测所述受力状况。

2.根据权利要求1所述的数控机床进给系统受力监测方法，其特征在于：

所述第1步骤中，所述信号数据，分别是电机电流数据u_m和机床位置数据x_m，

其中，所述电机电流数据可以从所述数控机床进给系统中的电机伺服驱动器状态监测接口利用模拟量数据采集卡获得，电机位置数据取自所述位置控制器的位置反馈信号，可以通过导线转接头直接得到，并采用数字信号采集卡获取，

首先，以采集计数的第一个位置点作为参考点，设第一个数据点位置计数为X_m(1)，第k个数据点位置计数为X_m(k)，

定义第一点的位置：

x_m(1)＝0   (1)

则第k点的位置为：

x_m(k)＝x_m(k)-X_m(1)   (2)

由此得出所述位移测量值，

其次，系统电机第k点的所述转速测量值通过位置的差分运算得到，具体公式为：

${\mathrm{\ω}}_m\left(k\right)=\frac{2\mathrm{\π}(x_m(k+1)-x_m\left(k\right))}{{\mathrm{LT}}_s}---\left(3\right)$

其中T_s是所述编码器或光栅尺信号的采样时间，L为丝杠导程，π为圆周率。

3.根据权利要求1所述的数控机床进给系统受力监测方法方法，其特征在于：

所述第3步骤，是通过以下方式实现的：

首先，当所述数控机床进给系统无外部载荷，被测数控机床进给系统以特定速度匀速运动，得到进给系统在该速度下的载荷力观测值f，此时

f＝F_f   (4)

所述载荷力观测值f为所述数控机床机床进给系统的摩擦F_f，

然后，令所述数控机床加上载荷，得到进给系统在该速度下的载荷力观测值f₁，这时

f₁＝F_f+F_c   (5)

其中F_c为外部载荷力观测值，

则所述外部载荷力观测值为

F_c＝f₁-F_f   (6)

由此，所述受力状况的监测已经实现。