CN104656554B - 一种用于数控机床的系统参数优化配置方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于数控机床的系统参数优化配置方法，包括：(a)为执行参数优化配置的数控机床构建表征其伺服系统与机械系统之间耦合关系的参数建模；(b)对执行参数优化配置的数控机床输入激励信号，并测量获得相应的响应信号，然后为两者之间建立传递函数；(c)将传递函数执行转换，并结合已构建的参数建模来对各模块进行辨识和未知参数的求解；(d)将求解出的参数作为数控加工执行加工的性能参数，由此完成整个的系统参数优化配置过程。通过本发明，能够在无需复杂和繁琐的实际试验的情况下，实现数控机床伺服和机械系统中一些难确定参数的优化配置，同时具备高效率、便于操控、可显著提高机床整体性能等优点。

Description

一种用于数控机床的系统参数优化配置方法
技术领域
本发明属于数控加工技术领域，更具体地，涉及一种用于数控机床的系统参数优化配置方法。
背景技术
对数控机床尤其是高档数控机床使用之前，往往需要有经验的电气工程师对其伺服参数调试很长时间，才能得到较优的值；此外，还有一些机床机械部分的参数比如粘滞系数，同样非常难获取的，必须经过复杂的实验才能得到。在此情况下，在机床开机调试过程中无法量化地对机床各参数进行适当的调试，并导致无法获得最优的参数值。
现有技术中针对机床参数优化的方法，一般只考虑伺服进给系统的PID调节的参数优化，或是机床机械部分设计过程中的参数优化，但缺乏对机床机械部分与伺服系统的耦合关系、以及各参数对整个系统影响因子的大小。随着机床行业的迅猛发展，对于数控机床在高速、高精和稳定性等要求也越来越高。相应地，在本领域亟需对上述技术问题进行深入的研究，并寻求解决方案以使得使这些要求达到一个最好的配置，从而充分提高机床的性能以便获取更大的市场竞争力。
发明内容
针对现有技术的以上不足或改进需求，本发明提供了一种用于数控机床的系统参数优化配置方法，其中通过结合数控机床自身的结构和工作特点，对其伺服系统与机械系统之间的耦合关系进行参数化解释，并在此基础上对其进行辨识，相应可实现数控机床伺服和机械系统中一些难确定参数的优化配置，同时具备高效率、便于操控、可显著提高机床整体性能等优点。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种用于数控机床的系统参数优化配置方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(a)为执行参数优化配置的数控机床构建如下所示的表达式(一)和表达式组(二)，由此获得用于表征其伺服系统与机械系统之间耦合关系的参数建模G(s)：
其中，s表示对该数控机床所建立的S域内的传递函数；b0～b1、a1～a6分别表示所述参数建模G(s)中的各个多项式系数，并且它们是由机床伺服系统及机械系统中各工作参数所组成的模块；Bst表示机床丝杠与螺母之间的粘滞阻尼系数；μv表示导轨与滑块之间的摩擦系数；J常表示机械系统的转动惯量总和；Js表示滚珠丝杠轴上的转动惯量；Jw表示工作台折算到丝杠轴上的转动惯量；J2表示联轴器上的转动惯量；Ra表示伺服电机的电枢电感；La表示伺服电机的定子电阻；kco表示联轴器的扭转刚度；h表示丝杠的导程；Kc表示伺服电机的转矩系数；表示电机转子磁场的等效磁链；Ksp表示机床伺服系统的速度环增益；Ksi表示机床伺服系统的速度环积分常数；Kpp表示机床伺服系统的位置环增益；J表示伺服电机的转动惯量；
(b)对执行参数优化配置的数控机床输入激励信号，并测量获得相应的响应信号且其呈现为总量为NP个离散点的曲线形式，然后基于该离散点的曲线拟合，为所述激励信号与所述响应信号之间建立如下所示的传递函数(三)：
其中，分别表示上述离散点并且编号依次为0,1,…,NP-1；T表示矩阵的转置；
(c)将步骤(b)所建立的传递函数(三)执行多项式的泰勒展开，并使其阶数与步骤(a)中表达式(一)的阶数相同，由此从转换后的传递函数中辨识出所述模块b0～b1和a1～a6；然后，将辨识出的各个模块分别与步骤(a)中的表达式组(二)进行一一对比，由此求解出这些模块中的未知参数的具体数值；
(d)将步骤(c)中所求解出的参数作为数控机床的最优性能参数，由此完成整个的系统参数优化配置过程。
作为进一步优选地，在步骤(b)中，优选通过可编程板卡对数控机床伺服系统的伺服电机载入逆M序列的信号，并将其作为所述激励信号。
作为进一步优选地，在步骤(b)中，优选基于维纳霍夫方程的离散算法来为所述激励信号与所述响应信号之间建立传递函数。
作为进一步优选地，在步骤(c)中，所述辨识出的各个耦合模块a1～a6不仅用于求解其中所包含的所述未知参数，还用于获知数控机床的伺服系统与机械系统之间的相互影响关系。
作为进一步优选地，所述数控机床优选为铣床。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于在数控机床的整个伺服系统与机械系统之间构建其相互耦合关系的参数建模，与传统的机床参数优选方案相比能够更加全面、准确地反映整个系统之间以及各关键参数之间的相互影响；尤其是，能够在无需复杂和繁琐的多次实验的情况下，对一些难于获取或需要重点调节的系统参数进行求解和优化，由此显著减少机床系统参数调节的时间，同时充分发挥机床的性能。
附图说明
图1是按照本发明的用于数控机床的系统参数优化配置方法的整体流程图；
图2是图1中所示方法的工作原理及相互关系示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是按照本发明的用于数控机床的系统参数优化配置方法的整体流程图。下面将铣床作为实例，以便更为具体地解释本发明的工艺过程和效果。
首先，结合数控机床自身所具备的伺服系统和机械系统之间的结构及工作特点，经过大量的模拟和推算构建如下所示的表达式(一)和表达式组(二)，由此获得用于表征其伺服系统与机械系统之间耦合关系的参数建模G(s)：
其中，s表示对该数控机床所建立的S域内的传递函数；b0～b1、a1～a6分别表示所述参数建模G(s)中的各个多项式系数，并且它们是由机床伺服系统及机械系统中各工作参数所组成的模块；Bst表示机床丝杠与螺母之间的粘滞阻尼系数；μv表示导轨与滑块之间的摩擦系数；J常表示机械系统的转动惯量总和；Js表示滚珠丝杠轴上的转动惯量；Jw表示工作台折算到丝杠轴上的转动惯量；J2表示联轴器上的转动惯量；Ra表示伺服电机的电枢电感；La表示伺服电机的定子电阻；kco表示联轴器的扭转刚度；h表示丝杠的导程；Kc表示伺服电机的转矩系数；表示电机转子磁场的等效磁链；Ksp表示机床伺服系统的速度环增益；Ksi表示机床伺服系统的速度环积分常数；Kpp表示机床伺服系统的位置环增益；J表示伺服电机的转动惯量；
需要指出的是，为了满足多项式的形式，在上式(一)中设定有系数a0，并该系数并不属于由机床伺服系统及机械系统中各工作参数所组成的模块。以此方式，可以通过以上的参数建模尤其是各特性量模块来体现数控机床机电系统中各个参数之间的相互耦合关系，进而通过系统辨识的算法来对其中的未知参数进行求解。
接着，譬如基于黑箱理论，优选选择采用对数控机床的伺服电机载入逆M序列的信号并将其作为激励信号；
然后测量获得相应的包括光栅尺、以及伺服电机码盘在内的响应信号，并基于对激励信号和响应信号的处理，譬如依照维纳霍夫方程的离散算法以在激励信号与响应信号之间建立传递函数；其具体推导过程简单描述如下：
(1)通过FPGA板卡对电机进行控制，并载入逆M序列的激励信号；
(2)将维纳霍夫方程(Winener-Hopf)方程写成离散的形式：
其中：RyM(τ)表示M序列的互相关函数；RM为M序列的自相关函数，τ为采样周期，Δt为M序列移位脉冲周期；为需要求得传递函数的离散点，由此根据维纳霍夫方程可以得到：
而RM,RyM,Δt均可以根据输入的M序列信号以及采集信号的相关性分析得到；由此根据矩阵可以求解出离散点的传递函数表达式。
其中，分别表示上述离散点并且编号依次为0,1,…,NP-1；T表示矩阵的转置；
接着，对所建立的离散点传递函数进行曲线拟合后执行多项式展开，在此操作中譬如可采用多项式的泰勒展开，其中泰勒展开的基本原理和过程为本领域的技术人员所熟知，因此在此不再赘述；并使其阶数与前述表达式(一)的阶数相同，由此从转换后的传递函数中辨识出所述耦合模块a1～a6；然后，将辨识出的各个耦合模块a1～a6分别与所述表达式组(二)进行一一对比，由此求解出这些模块中的未知参数也即Kpp、Ksp、Ksi的具体数值；
最后，如图2中所示，通过对整个系统进行参数辨识后，其中部分参数是已知参数，部分是未知参数，而且这些未知参数往往是伺服生产商或机床制造商根据客户自己的需求进行调试才能设定的)，通过该发明方法可以快速得到未知参数，并根据用户的需求更快调试出机床的最优参数配置；相应地，将所求解出的参数作为数控加工执行加工或设计的最优性能参数，由此完成整个的系统参数优化配置过程。
综上，本发明提出了在伺服系统和机械系统之间耦合关系进行了数学的参数化解释的基础上，对整个伺服系统和机械系统进行参数化辨识，并对于一些无法获取或需要进行伺服调节的参数进行求解和优化，比较于传统的机床参数优化方法更加全面地反映了整个系统间各参数相互影响，对于不同参数在不同条件下对机床的参数优化更具有意义，并且能够更加全面地提升了机床性能。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于数控机床的系统参数优化配置方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(a)为执行参数优化配置的数控机床构建如下所示的表达式(一)和表达式组(二)，由此获得用于表征其伺服系统与机械系统之间耦合关系的参数建模G(s)：
其中，s表示对该数控机床所建立的S域内的传递函数；b0～b1、a1～a6分别表示所述参数建模G(s)中的各个多项式系数，并且它们是由机床伺服系统及机械系统中各工作参数所组成的模块；Bst表示机床丝杠与螺母之间的粘滞阻尼系数；μv表示导轨与滑块之间的摩擦系数；J常表示机械系统的转动惯量总和；Js表示滚珠丝杠轴上的转动惯量；Jw表示工作台折算到丝杠轴上的转动惯量；J2表示联轴器上的转动惯量；Ra表示伺服电机的电枢电感；La表示伺服电机的定子电阻；kco表示联轴器的扭转刚度；h表示丝杠的导程；Kc表示伺服电机的转矩系数；表示电机转子磁场的等效磁链；Ksp表示机床伺服系统的速度环增益；Ksi表示机床伺服系统的速度环积分常数；Kpp表示机床伺服系统的位置环增益；J表示伺服电机的转动惯量；
(b)对执行参数优化配置的数控机床输入激励信号，并测量获得相应的响应信号且其呈现为总量为NP个离散点的曲线形式，然后基于该离散点的曲线拟合，为所述激励信号与所述响应信号之间建立如下所示的传递函数
其中，分别表示上述离散点并且编号依次为0,1,…,NP-1；T表示矩阵的转置；
(c)将步骤(b)所建立的传递函数(三)执行多项式的泰勒展开，并使其阶数与步骤(a)中表达式(一)的阶数相同，由此从转换后的传递函数中辨识出所述模块b0～b1和a1～a6；然后，将辨识出的各个模块分别与步骤(a)中的表达式组(二)进行一一对比，由此求解出这些模块中的未知参数的具体数值；
(d)将步骤(c)中所求解出的参数作为数控机床的最优性能参数，由此完成整个的系统参数优化配置过程。
2.如权利要求1所述的系统参数优化配置方法，其特征在于，在步骤(b)中，通过可编程板卡对数控机床伺服系统的伺服电机载入逆M序列的信号，并将其作为所述激励信号。
3.如权利要求1或2所述的系统参数优化配置方法，其特征在于，在步骤(b)中，基于维纳霍夫方程的离散算法来为所述激励信号与所述响应信号之间建立传递函数。
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