CN104731088A - 一种测试滚珠丝杠副控制方法性能的方法 - Google Patents

Abstract

一种测试滚珠丝杠副控制方法性能的方法，系统包括测控单元、执行机构和反馈单元，测控单元包括计算机、运动控制器、电机驱动器；执行机构为滚珠丝杠副进给实验台；反馈单元为安装于实验台上的两个旋转编码器和光栅尺。运动控制器计算机和运动控制器实时通信，运动控制器发送控制指令通过电机驱动器控制电机输出转矩，系统通过两个旋转编码器和光栅尺反馈型号组成闭环的控制系统。本系统可实现对不同型号的滚珠丝杠副在不同负载情况下的控制方法性能的测试，通过对控制方法的跟踪精度和系统带宽进行测试来综合的评价该控制方法的性能，测试过程中实时性好，方便快捷，可靠性高。

Description

一种测试滚珠丝杠副控制方法性能的方法

技术领域

本发明属于高度精密传动副控制方法测试系统领域，涉及一种测试滚珠丝杠副控制方法性能精度的方法。

背景技术

高速滚珠丝杠副是代表当前世界先进水平的直线运动部件。作为数控机床驱动系统的执行单元，对保障和提高整个数控机床的加工精度、工作效率和综合性能起着至关重要的作用。现代数控机床功能的改善、水平的提高、性能的特色，已经以功能部件的创新发展和提高为保证。而这其中，对于这些重要的功能部件，利用性能优越的控制方法来提高他们的定位和跟踪精度也是提高数控机床性能的重要组成部分。目前，国内生产的大部分数控机床中用于以滚珠丝杠副为驱动部件的进给系统的控制方法大多采用传统的PID控制方法。然而，在实际的加工过程中，实际的系统具有非线性和不确定性的特点，主要体现在滚珠丝杠副本身就是一个柔性体，并且存在径向跳动误差，而且由于数控机床加工的零件质量多变，因此系统的质量存在不确定性。其次，对于高速定位系统的定位精度，闭环系统的带宽是一个最重要的因素，而上述的这些特性会影响系统带宽从而降低定位精度最后导致数控机床加工精度下降。综上所述，传统的控制方法无法满足高速高精度进给系统的要求，开发自适应高性能的控制方法，对于提高数控机床整体性能来说非常关键。而控制方法的实际应用不仅需要理论建模，更离不开实际的测试。

目前，虽然有很多滚珠丝杠的性能检测仪，不过主要针对的是检测滚珠丝杠副本身的性能参数，包括定位精度测试，反向间隙测试，温度测试，噪声测试等等。而针对使用控制方法性能的测试系统还比较少。

发明内容

技术问题：本发明提供一种能够实现针对高速滚珠丝杠副控制方法性能测试的测试滚珠丝杠副控制方法性能的方法。

技术方案：本发明的测试滚珠丝杠副控制方法性能的方法，根据测得的跟踪误差和闭环系统的带宽来衡量控制方法的性能，包括以下步骤：

1)选择测试控制方法的跟踪精度，设定工作台运动的速度v、加速度a和最大位移x来确定工作台的运行轨迹；

选择测试控制方法的闭环系统带宽，设定扫频信号的幅值A、起始频率ω₀和终止频率ω₁来确定工作台的扫频运动轨迹；

2)把工作台位置移动到试验的起始基准点，根据测试需要增加质量块并启动滚珠丝杠副控制方法，控制工作台按照预设轨迹运行；

3)在工作台运行过程中，实时采集光栅尺反馈的工作台直线位移和直线速度，数据和旋转编码器反馈的滚珠丝杠旋转角位移和角速度数据；

4)实时计算得到控制方法的跟踪误差，输出跟踪误差曲线和最大跟踪误差：

同时拟合出闭环系统的Bode图，并将所述Bode图中幅频特性曲线下降到－3分贝所对应的频率作为闭环系统的带宽；

5)根据测试获得的控制方法的跟踪误差和闭环系统带宽对控制方法的性能进行评价。

本发明方法的优选方案中，步骤5)中，按照如下方法对控制方法的性能进行评价：

跟踪误差越小，跟踪精度就越高，控制方法性能越高；

闭环系统带宽越大，控制系统快速性越好，控制方法性能越高；

在加入质量块之后，测试得到的跟踪误差增加越小，则说明控制方法具有更好的稳定性及鲁棒性，控制方法性能越高。

本发明方法的优选方案中，步骤4)中，根据式(1)实时计算得到控制方法的跟踪误差：

e＝x_ref-x_out   (1)

其中e为系统跟踪误差；x_ref为系统输入的直线位移参考值，x_out为光栅尺反馈的工作台直线位移实际值。

本发明方法的优选方案中，步骤4)中，根据式(2)，(3)拟合出闭环系统的Bode图：

$M=20\lg \left(\frac{\sqrt{{c_1}^2+{c_2}^2}}{A}\right)---\left(3\right)$

其中，为闭环系统的相频，M为闭环系统的幅频，c₁为系统输入矩阵的最小二乘解，c₂为系统输出矩阵的最小二乘解，A为输入扫频信号的幅值。

实施本发明方法的系统包括计算机、运动控制器、电机驱动器、滚珠丝杠副进给试验台，系统通过计算机把控制方法程序下载到运动控制器，运动控制器根据控制方法发送模拟量电压信号给电机驱动器来控制电机输出转矩，驱动滚珠丝杠副转动，最后实现工作台按照跟踪轨迹作直线运动。运动控制器采集旋转编码器和光栅尺反馈信号组成闭环控制系统，并和计算机实时通信，监控画面实时显示反馈的数据，测试结束记录数据。

所述滚珠丝杠副进给试验台底座为花岗石材质，这可以有效的减少工作台在高速运动过程中引起的振动；试验台一端装有提供动力源的伺服电机，伺服电机输出轴通过联轴器和滚珠丝杠副的一端连接；滚珠丝杠副一端通过固定端支撑单元安装在固定端支撑单元座上，另一端通过支撑端支撑单元安装在支撑端支撑单元座上；试验台上安装有位于滚珠丝杠副两侧的直线滚动导轨。

所述滚珠丝杠副的两端各装有一个旋转编码器，试验台一侧安装有光栅尺。

所述试验台底座采用中部凹陷结构，凹陷部分安装面上安装有T型槽滑轨，电机座、固定端支撑单元座和支撑端支撑单元座通过T型槽用螺栓固定在花岗岩底座上，T型槽滑轨中间安装有一个直线导轨，用以保证轴向位置精度。

所述试验台在滚珠丝杠副有效行程两端分别安装第一限位开关和第二限位开关，并且可以根据所使用滚珠丝杠副的有效行程长度调节限位开关位置；所述试验台还安装有作为每次试验的起始基准点的原点开关；

所述试验台可通过更换固定端支撑单元、支撑端支撑单元座、固定端支撑单元和支撑端支撑单元的方法来满足不同规格的滚珠丝杠副的测试。支撑端支撑单元座的位置可以根据滚珠丝杠副的长度进行移动调整。

所述试验台配有500kg质量块来给工作台施加负载，每一块质量块为25kg，可通过螺栓固定在工作台上。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

目前，虽然存在很多针对滚珠丝杠副综合性能的装置，如申请号为CN201310303743.1的发明一种检测滚珠丝杠副加载状态下的综合性能的装置，可以对滚珠丝杠副在空载或加载状态下的多个参数进行测量，比如温度、噪声、振动等。但基本都只考虑了对滚珠丝杠副本身的性能进行测试，而忽略了使用不同的控制方法也会对以滚珠丝杠副为驱动单元的进给系统的性能造成影响。传统对控制方法的研究多数采用仿真实验的方法，然而仿真实验只能体现理想的状态下的结果，无法准确反映在实际运行过程中的性能。因此本发明提供了一种可以在滚珠丝杠副进给试验台在实际运行过程中对其使用的控制方法的综合性能进行测试的系统；本发明通过对控制方法的跟踪精度和系统带宽进行测试来综合的评价该控制方法的性能，方便直观，并可通过施加不同质量的负载来模拟数控机床加工过程中工作台质量的不确定性，来进一步检测同一种控制方法在应对不同工况下的自适应性，能够很好的测试控制方法的鲁棒性和综合性能。

附图说明

图1是本发明测试的工作流程图。

图2是本发明的结构示意图。

图3是滚珠丝杠副进给实验台立体图。

图4是滚珠丝杠副进给实验台俯视图。

图5是滚珠丝杠副进给实验台左视图。

具体实施方式

以下结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的详细说明。

参见图1所示为本发明的测试方法工作流程，具体步骤如下：

1)选择测试控制方法的跟踪精度，设定工作台运动的速度v、加速度a和最大位移x来确定工作台的运行轨迹；设定速度最大为1m/s，加速度最大为10m/s²，最大位移不能超过所选用滚珠丝杠副的最大行程；

选择测试控制方法的闭环系统带宽，输入扫频信号如式(4)所示：

x_ref＝Asin(ωt)   (4)

设定扫频信号的幅值A、起始频率ω₀和终止频率ω₁来确定工作台的扫频运动轨迹；幅值A设定范围为0.1～1mm，起始频率ω₀设定范围为1～10Hz，终止频率ω₁最大不超过400Hz；

2)把工作台位置移动到试验的起始基准点，根据测试需要增加质量块并启动滚珠丝杠副控制方法，控制工作台按照预设轨迹运行；

3)在工作台运行过程中，实时采集光栅尺反馈的工作台直线位移和直线速度，数据和旋转编码器反馈的滚珠丝杠旋转角位移和角速度数据；

4)实时计算得到控制方法的跟踪误差，输出跟踪误差曲线和最大跟踪误差：

同时拟合出闭环系统的Bode图，并将所述Bode图中幅频特性曲线下降到－3分贝所对应的频率作为闭环系统的带宽；

5)根据测试获得的控制方法的跟踪误差和闭环系统带宽对控制方法的性能进行评价：

跟踪误差越小，跟踪精度就越高，控制方法性能越高；

闭环系统带宽越大，控制系统快速性越好，控制方法性能越高；

在加入质量块之后，测试得到的跟踪误差增加越小，则说明控制方法具有更好的稳定性及鲁棒性，控制方法性能越高。

本发明方法的优选实施例中，步骤4)中，根据式(1)实时计算得到控制方法的跟踪误差：

e＝x_ref-x_out   (1)

其中e为系统跟踪误差；x_ref为系统输入的直线位移参考值，x_out为光栅尺反馈的工作台直线位移实际值。

本发明方法的优选实施例中，步骤4)中，通过输入信号和光栅尺测得的输出信号构建方程：

$Y=\mathrm{\Ψ}\·\left[\begin{array}{c}{c}_1\\ c_2\end{array}\right]---\left(5\right)$

根据最小二乘原理，可求出c₁、c₂的最小二乘解为：

$\left[\begin{array}{c}{c}_1\\ c_2\end{array}\right]={\left({\mathrm{\Ψ}}^T\mathrm{\Ψ}\right)}^{-1}{\mathrm{\Ψ}}^{T}Y---\left(6\right)$

其中Y为输出矩阵，Ψ为输入矩阵，根据解得的c₁、c₂可计算得到闭环系统的相频和幅频M为：

$M=20\lg \left(\frac{\sqrt{{c_1}^2+{c_2}^2}}{A}\right)---\left(3\right)$

根据式(2)，(3)拟合出闭环系统的Bode图：

参见图2所示，实施本发明方法的系统包括三个部分组成：测控单元、执行机构和反馈单元。测控单元包括计算机、运动控制器、电机驱动器；执行机构为滚珠丝杠副进给实验台；反馈单元为安装于实验台上的两个旋转编码器和光栅尺。系统通过计算机把控制方法程序下载到运动控制器,运动控制器根据控制方法发送模拟量电压信号给电机驱动器来控制电机输出转矩，驱动滚珠丝杠副转动，最后实现工作台按照跟踪轨迹作直线运动。运动控制器采集旋转编码器和光栅尺反馈信号组成闭环控制系统，并和计算机实时通信，监控画面实时显示反馈的数据，测试结束记录数据。

参见图3-5所示，滚珠丝杠副进给实验台底座1为花岗石材质，底座1为中部凹陷结构，凹陷平面为安装面，安装有T型槽滑轨2。T型槽滑轨2上安装有电机座21、固定端支撑单元座20和支撑端支撑单元座12，分别由四个T型螺母23压紧。同时，T型槽滑轨中间安装有直线导轨11，用以控制导向精度。伺服电机3安装于电机座21上，并与联轴器4相联。试验台采用一端固定，一端支撑的安装方式，滚珠丝杠副6靠近伺服电机3的一端为固定端，由安装在固定端支撑单元座20上的固定端支撑单元5支撑并轴向固定，再联至联轴器4。另一端为支撑端，由安装在支撑端支撑单元座12上的支撑端支撑单元10支撑。固定端支撑单元座20安装有前旋转编码器19，支撑端支撑单元座12安装有后旋转编码器13，两旋转编码器都套在滚珠丝杠副6的丝杠轴上。滚珠丝杠副6的螺母通过其法兰面安装在螺母套7上，螺母套7安装于工作台8上。工作台8的两端分别架设在两条直线导轨9上。直线导轨9安装在导轨座22上。工作台8的一侧还安装有光栅尺扫描头16，连接到直线光栅尺15的安装块上。直线光栅尺15水平安装于底座1的安装面上。轴承座两端配有第一限位开关18和第二限位开关14，第一限位开关18和第二限位开关14之间安装有原点开关17。

所述试验台可通过更换不同型号的固定端支撑单元座20、支撑端支撑单元座12、固定端支撑单元5和支撑端支撑单元10的方法来满足不同规格的滚珠丝杠副的测试。支撑端支撑单元座12的位置可以根据滚珠丝杠副的长度进行移动调整；并通过T型槽滑轨2中间安装的直线导轨11来保证跟换滚珠丝杠副后的安装精度；

所述试验台配有500kg质量块来给工作台施加负载，每一块质量块为25kg，可通过螺栓固定在工作台上。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种测试滚珠丝杠副控制方法性能的方法，其特征在于，该方法根据测得的跟踪误差和闭环系统的带宽来衡量控制方法的性能，包括以下步骤：

1)选择测试控制方法的跟踪精度，设定工作台运动的速度v、加速度a和最大位移x来确定工作台的运行轨迹；

选择测试控制方法的闭环系统带宽，设定扫频信号的幅值A、起始频率ω₀和终止频率ω₁来确定工作台的扫频运动轨迹；

2)把工作台位置移动到试验的起始基准点，根据测试需要增加质量块并启动滚珠丝杠副控制方法，控制工作台按照预设轨迹运行；

3)在工作台运行过程中，实时采集光栅尺反馈的工作台直线位移和直线速度，数据和旋转编码器反馈的滚珠丝杠旋转角位移和角速度数据；

4)实时计算得到控制方法的跟踪误差，输出跟踪误差曲线和最大跟踪误差：

同时拟合出闭环系统的Bode图，并将所述Bode图中幅频特性曲线下降到－3分贝所对应的频率作为闭环系统的带宽；

5)根据测试获得的控制方法的跟踪误差和闭环系统带宽对控制方法的性能进行评价。

2.根据权利要求1所述的测试滚珠丝杠副控制方法性能的方法，其特征在于，所述步骤5)中，按照如下方法对控制方法的性能进行评价：

跟踪误差越小，跟踪精度就越高，控制方法性能越高；

闭环系统带宽越大，控制系统快速性越好，控制方法性能越高；

在加入质量块之后，测试得到的跟踪误差增加越小，则说明控制方法具有更好的稳定性及鲁棒性，控制方法性能越高。

3.根据权利要求1或2所述的测试滚珠丝杠副控制方法性能的方法，其特征在于，所述步骤4)中，根据式(1)实时计算得到控制方法的跟踪误差：

e＝x_ref-x_out             (1)

其中e为系统跟踪误差；x_ref为系统输入的直线位移参考值，x_out为光栅尺反馈的工作台直线位移实际值。

4.根据权利要求1或2所述的测试滚珠丝杠副控制方法性能的方法，其特征在于，所述步骤4)中，根据式(2)，(3)拟合出闭环系统的Bode图：

$M=20\lg \left(\frac{\sqrt{{c_1}^2+{c_2}^2}}{A}\right)---\left(3\right)$

其中，为闭环系统的相频，M为闭环系统的幅频，c₁为系统输入矩阵的最小二乘解，c₂为系统输出矩阵的最小二乘解，A为输入扫频信号的幅值。