CN103753351B - 一种全闭环伺服系统的数控机床反向间隙监测方法 - Google Patents

Abstract

一种全闭环伺服系统的数控机床反向间隙监测方法，利用机床内置编码器对电机和工作台位置进行连续采样，并以电机位置为参考位置，计算参考位置序列x_m(n)处反向间隙序列c(n)，相比与传统的反向间隙测试方法，该方法无需外置传感器，可以实现对全程的反向间隙的测量，相对于用一个点的间隙值代表全程间隙，该方法可更准确，全面的测试出反向间隙状况，测试方法自动化程度高，通过实时监测机床反向间隙状况并计算得到全闭环数控机床中反向间隙轮廓误差，从而实现对轮廓误差的监测与控制，确保轮廓误差始终处于允许的误差范围，该监测方法自动化程度较高，监测成本较低，监测可靠性高。

Description

一种全闭环伺服系统的数控机床反向间隙监测方法

技术领域

本发明涉及机床精度监测与控制领域，特别涉及一种全闭环伺服系统的数控机床反向间隙监测方法。

背景技术

机床的跟随误差和轮廓误差是机床精度性能的主要评价指标，跟随误差是指单轴伺服指令位置与实际位置间的差值，轮廓误差是指实际位置到指令轨迹的正交距离。伺服轴在改变进给方向时会出现反向间隙，对于全闭环伺服系统的数控机床，反向间隙的出现严重的造成伺服系统巨大的时间滞后性和跟随误差，巨大的跟随误差也导致了轮廓加工时较大的轮廓误差。例如在进行圆轮廓加工时，伺服轴进给方向在变象限处改变，由此会导致较为突出的轮廓误差，称此为变象限误差。在数控机床伺服轴传动链中，动力传动环节如联轴器，齿轮副，滚珠丝杠副等均存在反向间隙，因此非直接驱动伺服轴系统中一定存在反向间隙。由于齿轮，滚珠丝杠的加工误差，磨损等造成机床伺服轴反向间隙在不同位置处是不相等的，而且在位置域也表现为一定的周期性波动特性，因此只有测试整个行程各个位置点的反向间隙才能全面准确的评价伺服轴反向间隙状况。在目前的反向间隙的测试中，利用外置传感器测量一个位置或极少位置点处的反向间隙值，并用过于稀疏的反向间隙值近似拟合估计全程的反向间隙状况，测试工具一般采用千分表、百分表或者激光传感器等外置传感器，测量方法多为手动测试，因此已有的测试方法误差较大，且不能获得整个行程反向间隙的波动情况。目前反向间隙误差的分析是基于半闭环伺服系统的数控机床，但是对于全闭环伺服系统的数控机床，反向间隙误差产生的机理是不同的，因此需要重新研究反向间隙误差的影响方式以保证间隙轮廓误差在允许的误差范围内。

申请号201010557048.4的专利利用百分表测试某一些位置点的机床反向间隙，该方法并不能测量描述出整个进给行程内任意一点处的反向间隙情况，而且为手动测试，对操作人员的要求较高。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种全闭环伺服系统的数控机床反向间隙监测方法，该监测方法自动化程度较高，监测成本较低，监测可靠性高。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种全闭环伺服系统的数控机床反向间隙监测方法，包括以下步骤：

步骤1，伺服轴在测试反向间隙的行程内以速度v匀速正向进给，同时利用编码器采集卡基于同一采样频率f测试电机位置x_m(t)和工作台位置x_l(t)，f的选取需满足奈奎斯特采样定理；

步骤2，在步骤1测试中，电机起始位置坐标为a，终点位置坐标为b，则可构造为首项是a，末项是b，间距是D的确定等间距电机位置值序列x_m(n)作为插值点序列，也即参考位置序列，其中 $D<\frac{v}{f};$

步骤3，根据等时间采样的电机位置序列x_m(t)和工作台位置序列x_l(t)，利用三次样条插值重新计算等间隔电机位置序列x_m(n)处的工作台位置序列x_l+(n)，得到正向进给时工作台位置—参考位置图，即x_l+(n)—x_m(n)曲线；

步骤4，伺服轴在测试行程内匀速反向进给，然后重复步骤1至步骤3过程，计算反向进给时参考位置x_m(n)处的工作台位置序列x_l-(n)，得到反向进给工作台位置—参考位置图，即x_l-(n)—x_m(n)曲线；

步骤5，步骤3与步骤4分别得到了电机正、反向运动时，参考位置x_m(n)处的工作台位置序列x_l+(n)与x_l-(n)，两次所测的不同工作台位置序列差值就表征了参考位置处x_m(n)的反向间隙序列c(n)：

c(n)＝x_l-(n)-x_l+(n)(1)

由此得到参考位置—反向间隙曲线，即x_m(n)—c(n)曲线；

步骤6，以反向间隙c(n)的最大值c_max作为反向间隙监测值；

步骤7，由反向间隙计算轮廓误差：

设定两轴联动进给速率均是V，1号轴改变进给方向存在反向间隙c_max，2号轴没有改变方向不存在反向间隙，两轴速度稳态误差系数同为K_v，则此时轮廓误差E_coutouting与反向间隙c_max存在以下关系：

$E_{coutouting}=\frac{(\sqrt{\frac{2c_{max}V}{K_v}}-\frac{V}{K_v})}{\sqrt{2}}---\left(2\right)$

步骤8，设定轮廓误差的允许值为E，其他参数如步骤7中所定义，则反向间隙的允许值C由下式计算：

$C=\frac{K_v{(\sqrt{2}E+\frac{V}{K_v})}^2}{2V}---\left(3\right)$

步骤9，比较E_coutouting与E、或c_max与C的大小，若E_coutouting<E、或c_max<C，则反向间隙轮廓误差在机床允许轮廓误差内，反之则说明反向间隙过大，需要减小反向间隙的大小。

本发明相对于已有的技术，具有以下的优点：

a)本发明利用机床内置编码器对电机和工作台位置进行连续采样，并以电机位置为参考位置，计算参考位置序列x_m(n)处反向间隙序列c(n)，相比与传统的反向间隙测试方法，该方法无需外置传感器，可以实现对全程的反向间隙的测量，相对于用一个点的间隙值代表全程间隙，该方法可更准确，全面的测试出反向间隙状况，测试方法自动化程度高。

b)本发明通过对伺服轴系统的研究，开创性的得出闭环数控机床中反向间隙与轮廓误差的对应关系，由于机械结构的磨损，腐蚀，以及环境温度变化均会引起反向间隙变化，通过实时监测机床反向间隙状况并计算得到反向间隙轮廓误差，从而实现对轮廓误差的监测与控制，确保轮廓误差始终处于允许的误差范围。

附图说明

图1为机床伺服轴的机械结构示意图。

图2为CNC数控机床伺服轴控制系统示意图。

图3为实施例某立式车铣复合中心X轴正向与反向进给时工作台位置—参考位置曲线，其中实线为正向运动工作台位置—参考位置曲线：x_l+(n)—x_m(n)，虚线为反向运动工作台位置—参考位置曲线：x_l-(n)—x_m(n)曲线；

图4为测试得到的实施例某立式车铣复合中心X轴反向间隙—参考位置曲线，即c(n)—x_m(n)曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细描述，本实施例采用车铣复合加工中心进行监测。

机床直线伺服轴传动链结构如图1所示，永磁同步交流伺服电机通过齿轮减速机构将力矩传递到滚珠丝杠，滚珠丝杠通过螺母将旋转运动转换为工作台沿着润滑良好的导轨的直线运动。控制策略采用位置环，速度环，电流环的三环控制，位置环为比例增益P控制器，速度环与电流环为PI控制器，整个系统简图如图2所示。速度环的速度反馈信号由电机输出轴端的转角信号差分得到的速度信号，位置环的反馈信号为工作台位置信号，电机转角与工作台位置都由增量式编码器测量得到，电机位置(mm)由电机转角(rad)除以传动比r(rad/mm)转化为直线位移。

一种全闭环伺服系统的数控机床反向间隙监测方法，包括以下步骤：

步骤1，伺服轴从位置0mm处向1200mm处以速度350mm/min匀速正向进给，同时利用编码器采集卡基于同一采样频率1000Hz测试电机位置x_m(t)和工作台位置x_l(t)，此时高速级齿轮啮合频率为20.5Hz，采样频率远远大于最高特征频率，满足奈奎斯特采样定理；

步骤2，在步骤1测试中，电机起始位置坐标为0mm，终点位置坐标为1200mm，则构造为初始是0mm，终点是1200mm，间距是0.005mm的等间距电机位置值序列x_m(n)作为插值点序列，也即参考位置序列，其中 $0.005mm<\frac{v}{f}=0.0058mm;$

步骤3，根据等时间采样的电机位置序列x_m(t)和工作台位置序列x_l(t)，利用三次样条插值重新计算等间隔电机位置序列x_m(n)处(参考位置处)的工作台位置序列x_l+(n)，得到正向进给时工作台位置—参考位置图，即x_l+(n)—x_m(n)曲线，如图3实线所示；

步骤4，伺服轴由位置1200mm处向0mm处以速度-350mm/min匀速反向进给，然后重复步骤1至步骤3过程，计算反向进给时参考位置x_m(n)处的工作台位置序列x_l-(n)，得到反向进给工作台位置—参考位置图，即x_l-(n)—x_m(n)曲线；

步骤5，步骤3与步骤4分别得到了电机正、反向运动时，参考位置x_m(n)处的工作台位置序列x_l+(n)与x_l-(n)，两次所测的同一参考位置的不同工作台位置序列差值就表征了参考位置处x_m(n)的反向间隙序列c(n)：

c(n)＝x_l-(n)-x_l+(n)(1)

由此得到参考位置—反向间隙曲线，即x_m(n)—c(n)曲线，如图4所示；

步骤6，以反向间隙c(n)的最大值c_max＝0.2478mm作为反向间隙监测值；

步骤7，由反向间隙计算轮廓误差：

两轴联动进给速率均是V＝60mm/min＝1mm/sec，1号轴改变进给方向存在反向间隙c＝c_max＝0.2478mm，2号轴没有改变方向不存在反向间隙，两轴速度稳态误差系数同为K_v＝10sec^-1，则此时轮廓误差E_coutouting可以由下式计算：

$E_{coutouting}=\frac{(\sqrt{\frac{2c_{max}V}{K_v}}-\frac{V}{K_v})}{\sqrt{2}}=0.0867mm---\left(2\right)$

步骤8，设定轮廓误差的允许值为E＝0.2mm，其他参数如步骤7中所定义，则反向间隙的允许值C由下式计算：

$C=\frac{K_v{(\sqrt{2}E+\frac{V}{K_v})}^2}{2V}=0.733mm---\left(3\right)$

步骤9，比较E_coutouting＝0.0867mm与E＝0.2mm(或c_max＝0.2478mm与C＝0.733mm)的大小，可得E_coutouting<E(c_max<C)，即反向间隙轮廓误差小于允许轮廓误差(最大反向间隙值小于允许反向间隙值)，可以得出结论，X伺服轴的反向间隙在机床反向间隙允许值范围内。

Claims (1)

1.一种全闭环伺服系统的数控机床反向间隙监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，伺服轴在测试反向间隙的行程内以速度v匀速正向进给，同时利用编码器采集卡基于同一采样频率f测试电机位置x_m(t)和工作台位置x_l(t)，f的选取需满足奈奎斯特采样定理；

步骤2，在步骤1测试中，电机起始位置坐标为a，终点位置坐标为b，则可构造为首项是a，末项是b，间距是D的确定等间距电机位置值序列x_m(n)作为插值点序列，也即参考位置序列，其中 $D<\frac{v}{f};$

步骤3，根据等时间采样的电机位置序列x_m(t)和工作台位置序列x_l(t)，利用三次样条插值重新计算等间隔电机位置序列x_m(n)处的工作台位置序列x_l+(n)，得到正向进给时工作台位置—参考位置图，即x_l+(n)—x_m(n)曲线；

步骤4，伺服轴在测试行程内匀速反向进给，然后重复步骤1至步骤3过程，计算反向进给时参考位置x_m(n)处的工作台位置序列x_l-(n)，得到反向进给工作台位置—参考位置图，即x_l-(n)—x_m(n)曲线；

步骤5，步骤3与步骤4分别得到了电机正、反向运动时，参考位置x_m(n)处的工作台位置序列x_l+(n)与x_l-(n)，两次所测的不同工作台位置序列差值就表征了参考位置处x_m(n)的反向间隙序列c(n)：

c(n)＝x_l-(n)-x_l+(n)(1)

由此得到参考位置—反向间隙曲线，即x_m(n)—c(n)曲线；

步骤6，以反向间隙c(n)的最大值c_max作为反向间隙监测值；

步骤7，由反向间隙计算轮廓误差：

设定两轴联动进给速率均是V，1号轴改变进给方向存在反向间隙c_max，2号轴没有改变方向不存在反向间隙，两轴速度稳态误差系数同为K_v，则此时轮廓误差E_coutouting与反向间隙c_max存在以下关系：

$E_{coutouting}=\frac{(\sqrt{\frac{2c_{max}V}{K_v}}-\frac{V}{K_v})}{\sqrt{2}}---\left(2\right)$

步骤8，设定轮廓误差的允许值为E，其他参数如步骤7中所定义，则反向间隙的允许值C由下式计算：

$C=\frac{K_v{(\sqrt{2}E+\frac{V}{K_v})}^2}{2V}---\left(3\right)$

步骤9，比较E_coutouting与E、或c_max与C的大小，若E_coutouting<E、或c_max<C，则反向间隙轮廓误差在机床允许轮廓误差内，反之则说明反向间隙过大，需要减小反向间隙的大小。