CN106596087B - 一种新型可实现全组件摩擦辨识的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型可实现全组件摩擦辨识的实验装置及方法，由底座，电机，联轴器，扭矩传感器，丝杠支撑座，丝杠，丝杠螺母块，连接架，力传感器，工作台支撑块，工作台，两侧导轨、滑块，光栅尺组成，其原理是伺服电机驱动实验装置，经传动机构实现工作台的直线运动，利用扭矩传感器测出电机输出扭矩，利用力传感器得出滑块与导轨之间的摩擦力，根据LuGre摩擦模型表达式实现机电系统全组件摩擦辨识。本发明解决了传统的摩擦辨识实验装置将机电系统看作一个整体大大降低了摩擦模型的准确性的弊端，非常直观的对装置各组件的摩擦力和摩擦力矩进行分开辨识，可以提高摩擦补偿的精确性。

Description

一种新型可实现全组件摩擦辨识的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种新型可实现全组件摩擦辨识的实验装置和方法，具体的是使用力矩传感器和力传感器实现实验台的各个组件的摩擦辨识，属于机电伺服精密控制与实验装备领域。

背景技术

摩擦补偿是构建高精度伺服系统的重要环节，已经成为目前伺服控制策略的研究热点之一。基于摩擦模型的补偿策略是一种从本质上补偿伺服系统摩擦的方法，但是只有构建的摩擦模型及模型参数都十分精准的情况下，才能实现精确的摩擦补偿。

关于摩擦模型方面，LuGre摩擦模型能精确地描述预滑动位移、摩擦迟滞、爬行以及Stribeck效应等各种动静态摩擦特性，在摩擦补偿中应用最为广泛。

关于模型参数方面，随着伺服系统工作时间的增加，传动机构将不可避免地产生磨损，同时润滑情况也会出现一些改变，从而导致补偿所依赖的摩擦模型参数不可避免地产生变化，此时必须重新进行复杂的参数辨识，才能保证补偿的精度。而且在一个由多个组件构成的进给驱动系统中，其各个组件也有着不同的摩擦特性。滚珠丝杠处产生的摩擦力矩是基于滚动接触产生，滚动接触包括丝杠滚道与滚珠，螺母滚道与滚珠两部分。摩擦力矩受构件之间的相对速度、接触角、接触点载荷的影响。直线导轨处产生的摩擦也是基于在滚珠与滑块滚道之间产生的滚动接触摩擦，受构件之间的相对速度、接触角、接触点载荷的影响。但是滚珠丝杠中的滚珠和运动导轨中的滚珠在运动过程中有着不同的滚动速度和接触角度。因此，由各个摩擦参数决定的滚珠丝杠和直线导轨的摩擦特性很难在一个摩擦模型中表现出来，用传统的单一摩擦模型也很难精确地在整个速度范围内模拟进给驱动的摩擦力，且该模型的准确性也会受到限制。所以，将进给驱动系统中各个组件的摩擦力分开考虑可以提高摩擦补偿的精确性。

传统的摩擦辨识实验装置往往是将机电系统看作一个整体，辨识结果为整个机电系统的单一摩擦模型，大大降低了摩擦模型的准确性。同时对如何提升系统动态响应性和降低摩擦，依据传统摩擦辨识试验装置具有较大的盲目性和明显的不足。

发明内容

针对上述不足本发明提供了一种新型可实现全组件摩擦辨识实验装置及方法，由于典型的伺服驱动系统主要由“伺服电机+滚动型传动副+滚动型导轨”构成，为了研究各接触副的运动特性，必须对每个摩擦副组件的摩擦状态实施辨识。因此，发明了一种可实现全组件摩擦辨识的实验装置及方法。

本发明的技术方案如下：

一种新型可实现全组件摩擦辨识实验装置，包括电机，所述的电机设置在底座上，电机驱动丝杠旋转，所述的电机与丝杠之间连接有扭矩传感器；所述的丝杠驱动一个丝杠螺母块沿其来回滑动，所述的丝杠螺母块与驱动一个连接架与其一起移动；在所述的底座上还有两个平行的导轨，每个导轨上都设有两个能沿其来回滑动的滑块，每个滑块的顶部设有一个工作台支撑块，四个工作台支撑块支撑一个工作台；每个所述的滑块与所述连接架之间均设有一个力传感器，在所述的导轨的一侧设有用于检测工作台移动距离的检测装置。

其工作过程如下：

所述的电机驱动丝杠旋转，所述的丝杠带动丝杠螺母来回移动，所述的丝杠螺母块驱动连接架来回移动，所述的连接架通过四个力传感器与工作台支撑块相连，工作台支撑块与滑块相连，使得滑块能沿着所述的导轨来回移动，进而实现工作台的移动；

所述的力传感器在装置运行的过程中直接测量出装置运行过程中所述连接架与所述工作台支撑块之间的作用力。

所述的电机通过联轴器与扭矩传感器连接，所述的扭矩传感器与所述的丝杠之间也通过所述的联轴器连接，所述丝杠通过所述丝杠底座支撑；

优选的，所述底座上两侧设置等高的凸台，所述一侧凸台上设置有一个侧板，所述两侧凸台上平行设置所述导轨，所述侧板上设置所述光栅尺。

优选的，所述丝杠螺母块包括丝杠螺母和套筒，所述丝杠螺母与所述丝杠配合形成丝杠副，所述套筒设置在所述丝杠螺母外侧，与所述连接架连接。

优选的，所述连接架包括四个分支，所述四个分支分别与一个所述力传感器连接，所述力传感器另一侧均与一个所述工作台支撑块连接。

新型可实现全组件摩擦辨识实验装置进行摩擦参数辨识的方法，

所述的电机驱动整个装置，经传动机构实现工作台的直线运动，利用扭矩传感器测出电机输出扭矩，利用力传感器得出滑块与导轨之间的摩擦力，根据LuGre摩擦模型表达式实现机电系统全组件摩擦辨识。

本发明的有益之处是：

依据传统的集成摩擦模型建立的实验装置是将机电系统作为一个整体进行摩擦参数辨识，限制了摩擦模型的精确性，本发明恰恰解决了这一问题，通过采用扭矩传感器和力传感器，非常直观的对装置各组件的摩擦力矩和摩擦力进行分开辨识，便于建立机电系统各个组件的摩擦模型，可以提高对进给驱动的摩擦力模拟的精度，改善摩擦补偿的精确性。本发明可广泛应用于各行业、各类高精度加工机床等场合，可改善高精度加工、装配、检测等各行业尖端机电装备的动态特性和定位精度，使其整体性能指标得到提升。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明内部结构示意图；

图3为力传感器的连接示意图。

图中，1为电机，2为联轴器，3为扭矩传感器，4为联轴器，5为丝杠支撑座，6为丝杠，7为底座，8为工作台，9为导轨，10为工作台支撑块，11为滑块，12为力传感器，13为连接架，14为光栅尺，15为丝杠螺母块，16为丝杠支撑座，1501为丝杠螺母，1502为套筒。

具体实施方式

如图1-3所示，本发明的公开的新型可实现全组件摩擦辨识的实验装置，是由电机1，联轴器2，扭矩传感器3，联轴器4，丝杠支撑座5，丝杠6，底座7，工作台8，导轨9，工作台支撑块10，滑块11，力传感器12，连接架13，光栅尺14，丝杠螺母块15，丝杠支撑座16，所述的电机1驱动所述丝杠6，通过所述的丝杠螺母块15带动所述工作台8沿所述导轨9运动；具体的结构如下：

电机1设置在底座7上，电机1驱动丝杠6旋转，所述的电机1与丝杠6之间连接有扭矩传感器3；所述的丝杠6驱动一个丝杠螺母块15沿其来回滑动，所述的丝杠螺母块与驱动一个连接架13与其一起移动；在所述的底座上还有两个平行的导轨，每个导轨上都设有两个能沿其来回滑动的滑块，每个滑块11的顶部设有一个工作台支撑块10，四个工作台支撑块10支撑一个工作台8；每个所述的滑块11与所述连接架之间均设有一个力传感器12，在所述的导轨的一侧设有用于检测工作台移动距离的光栅尺14。

所述的扭矩传感器3与所述的丝杠6通过所述的联轴器4连接，扭矩传感器3与所述的电机之间通过所述的联轴器2连接，扭矩传感器3可以在装置运行过程中直接测量出所述电机1的输出扭矩。

所述的力传感器12与所述的连接架13和所述的工作台支撑块10连接，可以在装置运行的过程中直接测量出装置运行过程中所述连接架13与所述工作台支撑块10之间的作用力。

所述工作台8的运行速度可以通过微分所述的光栅尺14的位移量得到。

底座7为一个中间为矩形凹槽的槽状结构，在凹槽的两侧的平台上设有导轨，所述的导轨上安装滑块，其中一侧的导轨侧面设置有一个侧板，所述两侧凸台上平行设置所述导轨，所述侧板上设置所述光栅尺。

丝杠螺母块15包括丝杠螺母1501和套筒1502，所述丝杠螺母1501与所述丝杠配合形成丝杠副，所述套筒1502设置在所述丝杠螺母外侧，与所述连接架连接。

连接架包括四个分支，所述四个分支分别与一个所述力传感器连接，所述力传感器另一侧均与一个所述工作台支撑块连接。

丝杠6通过丝杠支撑座5和丝杠支撑座16支撑。

具体的摩擦参数辨识方法如下：

对所述丝杠6与所述丝杠螺母1501构成的丝杠螺母副进行摩擦参数辨识方法如下：

在旋转运动时，摩擦力矩T_f可由下面的LuGre摩擦模型描述：

式(1)～(3)中，Z为鬃毛的平均变形，σ₀为鬃毛刚性系数，σ₁为鬃毛阻尼系数；T_c为库伦摩擦，T_s为静摩擦，D_θ为粘性摩擦系数，为切换速度，另外，该模型假设总是严格正实且有界。其中，σ₀、σ₁为动态参数，T_c、T_s、D_θ和为静态参数。

当时，系统处于稳定状态，摩擦力矩T_fw、丝杠转速以及LuGre模型静态参数之间的关系为

因此对LuGre模型的静态参数辨识就是式(4)的参数辨识；

具体方法如下：

利用多组匀速运动，推导出摩擦力矩与速度的关系，再采用遗传算法进行静态参数辨识。

在匀速运动过程中，系统达到稳定状态后，所述扭矩传感器3所测得的扭矩即为所述电机1的输出扭矩，所述四个力传感器12所测得的力的总和即为所述工作台8运动过程中，所述滑块11与所述导轨9之间的摩擦力。所述工作台8的运行速度可以通过微分所述的光栅尺14的位移量得到，进而可以得出所述丝杠6的旋转速度

在系统达到稳态状态下，所述电机1的输出扭矩即为所述丝杠螺母副的摩擦力矩与所述导轨滑块滑动副的摩擦力矩之和。则丝杠螺母副的摩擦力矩为：

其中，T_fw为摩擦力矩，T_o为所述电机1提供的驱动扭矩，p为所述丝杠的螺距,F_o为所述连接架13与所述工作台支撑块10之间的作用力总和：F_o＝F₁+F₂+F₃+F₄,F₁、F₂、F₃、F₄分别为四个所述的力传感器所测得的作用力。

在获取多组速度与摩擦力矩的对应数据后，根据实际要求，将需要辨识的参数向量设定为同时将辨识误差定义为：

其中，T_fwi为第i组的摩擦力矩，为估计的摩擦力矩，可由式(4)得出，然后再确定目标函数为：

利用遗传算法辨识使J极小，即可得到LuGre模型静态参数；即所述丝杠6与所述丝杠螺母1501构成的丝杠螺母副的静态摩擦参数。

对于动态参数辨识，可进行多组以低幅值低频率正弦信号作为输入的预滑阶段实验，将需要辨识的参数向量设定为U₂＝[σ₀、σ₁]，将辨识误差定义为：

e_n(U₂，t_i)＝T_fn1(t_i)-T_fn2(U₂，t_i) (8)

其中，T_fn1(t_i)为第n组正弦输入时伺服系统在t_i时的摩擦力矩，T_fn2(U₂，t_i)为第n组阶跃输入时待进行动态参数辨识的LuGre模型在t_i时刻的摩擦力矩输出，可由式(1)～(3)得到，设置目标函数为：

式(9)中，a₁、a₂为正实数。

利用遗传算法辨识使J极小，即可得到丝杠与丝杠螺母构成的丝杠螺母副的动态摩擦参数。

对所述滑块11与所述导9构成的滑动副进行摩擦参数辨识：在旋转运动时，摩擦力矩F_f可由下面的LuGre摩擦模型描述：

式(10)～(12)中，z为鬃毛的平均变形，σ₀为鬃毛刚性系数，σ₁为鬃毛阻尼系数；F_c为库伦摩擦，F_s为静摩擦，D_v为粘性摩擦系数，v_s为Stribeck速度，另外，该模型假设g(v)总是严格正实且有界。其中，σ₀、σ₁为动态参数，F_c、F_s、D_v和v_s为静态参数；

辨识过程与上述所述丝杠7与所述丝杠螺母1201构成的丝杠螺母副的摩擦参数辨识相同，在此不予赘述。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种新型可实现全组件摩擦辨识实验的方法，其特征在于，该方法采用的装置包括电机，所述的电机设置在底座上，电机驱动丝杠旋转，所述的电机与丝杠之间连接有扭矩传感器；所述的丝杠驱动一个丝杠螺母块沿其来回滑动，所述的丝杠螺母块驱动一个连接架与其一起移动；在所述的底座上还有两个平行的导轨，每个导轨上都设有两个能沿其来回滑动的滑块，每个滑块的顶部设有一个工作台支撑块，四个工作台支撑块支撑一个工作台；每个所述的滑块与所述连接架之间均设有一个力传感器，在所述的导轨的一侧设有用于检测工作台移动距离的检测装置；

所述底座上两侧设置等高的凸台，所述一侧凸台上设置有一个侧板，所述两侧凸台上平行设置所述导轨，所述侧板上设置光栅尺；

所述连接架包括四个分支，所述四个分支分别与一个所述力传感器连接，所述力传感器另一侧均与一个所述工作台支撑块连接；

在匀速运动过程中，系统达到稳定状态后，所述扭矩传感器所测得的扭矩即为所述电机的输出扭矩，所述四个力传感器所测得的力的总和即为所述工作台运动过程中，所述滑块与所述导轨之间的摩擦力；所述工作台的运行速度可以通过微分所述的光栅尺的位移量得到，进而可以得出所述丝杠的旋转速度

在获取多组速度与摩擦力矩的对应数据后，根据实际要求，将需要辨识的参数向量设定为其中，T_c为库伦摩擦，T_s为静摩擦，D_θ为粘性摩擦系数，为切换速度；同时将辨识误差定义为：

T_fwi为第i组的摩擦力矩，为估计的摩擦力矩；

在系统达到稳态状态下，所述电机的输出扭矩即为所述丝杠螺母副的摩擦力矩与所述导轨滑块滑动副的摩擦力矩之和；

然后再确定目标函数为：

利用遗传算法辨识使J极小，即可得到LuGre模型静态参数。

2.如权利要求1所述的新型可实现全组件摩擦辨识实验的方法，其特征在于，所述的电机通过联轴器与扭矩传感器连接，所述的扭矩传感器与所述的丝杠之间也通过所述的联轴器连接，所述丝杠通过丝杠底座支撑。

3.如权利要求1所述的新型可实现全组件摩擦辨识实验的方法，其特征在于，所述丝杠螺母块包括丝杠螺母和套筒，所述丝杠螺母与所述丝杠配合形成丝杠副，所述套筒设置在所述丝杠螺母外侧，与所述连接架连接。

4.如权利要求1所述的新型可实现全组件摩擦辨识实验的方法，其特征在于，所述的电机驱动整个装置，经传动机构实现工作台的直线运动，利用扭矩传感器测出电机输出扭矩，利用力传感器得出滑块与导轨之间的摩擦力，根据LuGre摩擦模型表达式实现机电系统全组件摩擦辨识。