CN108170097A - 一种用于直线电机进给系统的运动精度综合分析评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于直线电机进给系统的运动精度综合分析评价方法，包括以下步骤：1.采集直线电机进给系统在全行程往返运动过程中的实际位置信号x(t)和数控指令位置信号xi(t)；2.分为瞬态过程偏差信号和稳态过程偏差信号；3.提取加减速过程偏差信号中的最大冲击偏差eaMAX和加减速过渡时间tas，以此为特征指标得到换向过程瞬态误差；4.提取稳态周期性波动信号各阶频率ωi和对应的幅值fi，从而以此五个值为特征指标得到稳态波动误差；5.综合评价对比得到不同的直线电机进给系统的运动精度。本发明进一步完善了直线电机进给系统动态性能的评价方法，为进给系统在高速高加速度下运动精度的分析和改善提供了评判依据。
Description
技术领域
本发明涉及高速数控机床动态性能检测领域，具体为一种用于直线电机进给系统的运动精度综合分析评价方法。
背景技术
近些年，随着数控加工高效高精化需求的日益提高，直线电机进给系统以其出众的大推力、高速度、高加速度以及高精度等优点，在高档数控机床中具有广阔的应用前景。然而直线电机进给系统取消了所有中间机械传动环节，电机动子直接和驱动部件相连。受驱动电路和电机结构非线性影响，众多的推力谐波成分直接作用于机械系统，造成明显的振荡。而机械系统的振荡又会反作用直接影响电机的推力特性。伺服驱动与机械系统之间的相互作用关系更加紧密。此外高速、高加速度运动对伺服控制也提出了更高的要求，如更高的控制带宽、更大的调速范围、更短的控制周期、测量周期等。因此在高速高加速度运动过程中，以上因素所引起的误差远超过其他误差形式而成为主导误差。
而直线电机进给系统的运动过程可总结为两个方向，六个过程以及七个拐点，如附图2所示。两个方向是正向和反向运动。六个过程中分别是正向和反向的加速、匀速和减速过程。七个拐点是六个过程以及起始和终点的结点。实际数控机床中，尽管进给系统不一定要完成所有的运动过程，但是在上述六个过程中以及七个拐点处，进给系统产生的运动误差均会影响最终工件的加工精度和表面质量。因此，传统上在低速运动过程中，待系统稳定后测量得到的运动轴的定位和重复定位精度，是一种准静态的测量评价方法。它仅仅考虑了系统的跟随误差，并没有全面表征机床在运动中的瞬态过程(启停、加减速、换向等)和稳态过程中的机床精度。尤其对于直线电机进给系统的高速高精运动，之前的评价方法和评价指标的弊病和不足更加明显。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于直线电机进给系统的运动精度综合分析评价方法，能够综合考虑各项误差，全面对直线电机进给系统运动精度进行分析与评价。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种用于直线电机进给系统的运动精度综合分析评价方法，包括以下步骤：
步骤一，采集直线电机进给系统在全行程往返运动过程中的实际位置信号x(t)和数控指令位置信号xi(t)；
步骤二，将实际位置信号与数控指令位置信号作差得到偏差信号，并对偏差信号进行分段，分为瞬态过程偏差信号和稳态过程偏差信号；所述的瞬态过程包括启停和换向过程；
步骤三，对瞬态过程偏差信号进行数据分析，提取加减速过程偏差信号中的最大冲击偏差eaMAX和加减速过渡时间tas，从而以此两个值为特征指标得到加减速过程瞬态误差；提取换向过程偏差信号中的最大冲击偏差ecMAX，换向停滞时间tcs和换向极差ScR，从而以此两个值为特征指标得到换向过程瞬态误差；
步骤四，对稳态过程偏差信号进行分析，首先提取稳态跟随误差δs；然后从稳态过程偏差信号中减去跟随误差，得到稳态周期性波动偏差，通过稳态周期性信号分析，提取波动最大偏差SMAX，波动极差SR和波动均方根差SRMS；通过傅里叶变换获得稳态周期性波动信号的频谱图，提取稳态周期性波动信号各阶频率ωi和对应的幅值fi，从而以此五个值为特征指标得到稳态波动误差；
步骤五，将得到的加减速过程瞬态误差、换向过程瞬态误差、稳态跟随误差和稳态波动误差的特征值作为量化的评价指标，综合评价对比得到不同的直线电机进给系统的运动精度。
优选的，步骤一中，通过直线电机进给系统的数控系统的通讯接口或采集软件采集实际位置信号和数控指令位置信号。
优选的，步骤一中，通过外部测量装置采集实际位置信号和数控指令位置信号。
进一步，所述的外部测量装置采用激光干涉仪或数据采集卡。
优选的，步骤五中，按照如下标准综合评价对比不同的直线电机进给系统的运动精度；
加减速过程最大偏差越小，过渡时间越短则表明系统加减速过程稳定性越好；
换向过程最大偏差越小，停滞时间越短，换向极差越小则表明系统换向速过程稳定性越好；
稳态跟随误差越小，则表明系统跟随能力越好；
稳态波动最大偏差越小，波动极差越小，波动均方根差越小，各阶频率分量越少，对应幅值越小，则表明系统的稳态运动平稳性越好。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明以直线电机进给系统运动的实际位置信号和数控指令位置信号之间的偏差为对象，通过信号分解和特征指标提取，在空载恒速全行程范围内实现系统运动性能的量化评估。从而综合考虑了各类可能的运动误差，对直线电机进给系统在运动全行程范围内不同运动状态下的运动精度进行了全面的分析评价。本发明从加工实际需要出发，分不同的阶段对系统不同类型的运动误差实现了系统的量化评估。在目前定位精度和重复定位精度的基础上，进一步完善了直线电机进给系统动态性能的评价方法，为进给系统在高速高加速度下运动精度的分析和改善提供了评判依据。此外本发明还可以为直线电机进给系统运动误差的初步溯源提供了支持和指导，对于直线电机进给系统的高速高精应用具有重要的意义。
附图说明
图1是本发明直线电机进给系统运动精度的分析流程图。
图2是本发明实施运动精度测试的进给运动过程图。
图3是本发明运动精度的综合评价指标示意图。
图4是本发明实施例的运动精度综合分析结果图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明一种用于直线电机进给系统的运动精度综合分析评价方法，综合考虑直线电机进给系统在恒速全行程运动过程中不同阶段所体现的不同运动误差形式，将进给系统实际运动轨迹与理想运动指令之间的偏差定义为系统的运动精度。并从瞬态运动误差、稳态跟随误差以及稳态波动误差三个方面综合对系统运动精度进行分析评价。包括以下步骤：
步骤一：通过数控系统的通讯接口或采集软件，采集直线电机进给系统在全行程往返运动过程中的实际位置信号x(t)和数控指令位置信号xi(t)。
步骤二：将实际位置信号与数控指令位置信号作差得到偏差信号，并对偏差信号进行分段，分为瞬态过程偏差信号和稳态过程偏差信号；瞬态过程包括启停和换向过程。
步骤三：对瞬态过程偏差信号进行数据分析，提取加减速过程偏差信号中的最大冲击偏差eaMAX和加减速过渡时间tas；提取换向过程偏差信号中的最大冲击偏差ecMAX，换向停滞时间tcs和换向极差ScR。
步骤四：对稳态过程偏差信号进行分析，首先提取稳态跟随误差δs。然后从稳态过程偏差信号中减去跟随误差，得到稳态周期性波动偏差。通过稳态周期性信号分析，提取波动最大偏差SMAX，波动极差SR和波动均方根差SRMS。此外，通过傅里叶变换获得稳态周期性波动信号的频谱图，提取稳态周期性波动信号各阶频率ωi和对应的幅值fi。
步骤五：将得到的加减速过程瞬态误差、换向过程瞬态误差、稳态跟随误差和稳态波动误差作为评价指标，按照如下标准综合评价对比不同的直线电机进给系统运动精度：加减速过程最大偏差越小，过渡时间越短则表明系统加减速过程稳定性越好；换向过程最大偏差越小，停滞时间越短，换向极差越小则表明系统换向速过程稳定性越好；稳态跟随误差越小，则表明系统跟随能力越好；稳态波动最大偏差越小，波动极差越小，波动均方根差越小，各阶频率分量越少，对应幅值越小，则表明系统的稳态运动平稳性越好。
其中，步骤1)中的实际信号和指令信号可通过外部测量装置如：激光干涉仪、数据采集卡等进行采集，在采集过程中，需要通过相应技术手段保证实际信号与指令信号采集的同步性。类似采集方式和手段均属于本发明保护范畴。在实际使用中，可根据系统实际运动工况，选择三方面误差中的任意一项或几项进行分析，类似单项误差分析方法和评价指标也属于本发明保护范畴。依据步骤3)和4)中的各项评价指标衍生出的其他评价指标，也属于本发明保护范畴。
本发明是一种通用型的评价方法，没有对进给运动速度以及所驱动负载大小进行限定，不同进给速度和驱动负载下的类似评价方法和指标也属于本发明保护范畴。
本发明通过综合考虑直线电机进给系统在恒速全行程运动过程中不同阶段所体现的不同运动误差形式，以实际轨迹信号和数控指令信号之间的偏差为对象，从瞬态运动误差、稳态跟随误差以及稳态波动误差三个方面，通过信号分解和特征指标提取，在空载恒速全行程范围内实现系统运动性能的量化评估。本发明能够便捷快速的对直线电机进给系统的动态运动精度进行全面的评估并能够初步为直线电机进给系统运动误差的溯源提供支持和指导，对于直线电机进给系统的高速高精应用具有重要的意义。
具体的，选择某台配有直线电机进给系统的高速五轴加工中心(最大进给速度为90m/min)为测试案例。经过补偿和改进，该加工中心中直线电机驱动的x轴的定位精度为4μm，重复定位精度达到2μm，已满足设计要求。但是实际加工精度不满足要求。利用本发明对其运动精度进行分析，参考图1所示，步骤如下。
1)以10m/min的运动速度为例，通过数控系统的通讯接口或采集软件，采集直线电机进给系统在全行程往返运动过程中的实际位置信号x(t)和数控指令位置信号xi(t)，运动轨迹如图2所示。其中①是指正向加速过程，②是指正向匀速运动过程，③是指正向减速过程，④是指反向加速过程，⑤是指反向匀速运动过程，⑥是指反向减速过程。1是启动时刻，2是正向加速结束时刻，3是正向减速开始时刻，4是换向时刻，5是反向加速结束时刻，6是反向减速开始时刻，7是停止时刻。
2)将实际位置信号与数控指令位置信号作差得到偏差信号，并对偏差信号进行分段，分为瞬态过程偏差信号和稳态过程偏差信号；瞬态过程包括启停和换向过程。
3)对瞬态过程偏差信号进行数据分析，提取加减速过程偏差信号中的最大冲击偏差eaMAX和加减速过渡时间tas；提取换向过程偏差信号中的最大冲击偏差ecMAX，换向停滞时间tcs和换向极差ScR，如图3所示。
4)对稳态过程偏差信号进行分析，首先提取稳态跟随误差δs。然后从稳态过程偏差信号中减去跟随误差，得到稳态周期性波动偏差。通过信号分析，提取波动最大偏差SMAX，波动极差SR和波动均方根差SRMS。此外，通过傅里叶变换获得周期性波动信号的频谱图，提取波动信号各阶频率ωi和对应的幅值fi，如图3所示。
5)最终的运动精度测试分析结果(不包括稳态跟随误差)如附图4所示，对数据进行进一步整理，提取各项评价指标，如表1所示。
表1运动精度测试结果
由表1可知，虽然该直线电机进给系统的定位和重复定位精度满足设计要求，但是它的加减速最大冲击达到12.3μm，稳态位移波动量均方根值为7μm，而且主要的波动频率成分接近了机械系统的固有频率，有可能会造成共振；尤其稳态跟随误差高达13.5mm。如果要满足最终的加工精度，该进给系统还需要进一步提高加减速性能，提高系统增益，减小跟随误差，并对造成位移波动的主要原因即推力谐波进行进一步的处理与抑制。
Claims (5)
1.一种用于直线电机进给系统的运动精度综合分析评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，采集直线电机进给系统在全行程往返运动过程中的实际位置信号x(t)和数控指令位置信号xi(t)；
步骤二，将实际位置信号与数控指令位置信号作差得到偏差信号，并对偏差信号进行分段，分为瞬态过程偏差信号和稳态过程偏差信号；所述的瞬态过程包括启停和换向过程；
步骤三，对瞬态过程偏差信号进行数据分析，提取加减速过程偏差信号中的最大冲击偏差eaMAX和加减速过渡时间tas，从而以此两个值为特征指标得到加减速过程瞬态误差；提取换向过程偏差信号中的最大冲击偏差ecMAX，换向停滞时间tcs和换向极差ScR，从而以此两个值为特征指标得到换向过程瞬态误差；
步骤四，对稳态过程偏差信号进行分析，首先提取稳态跟随误差δs；然后从稳态过程偏差信号中减去跟随误差，得到稳态周期性波动偏差，通过稳态周期性信号分析，提取波动最大偏差SMAX，波动极差SR和波动均方根差SRMS；通过傅里叶变换获得稳态周期性波动信号的频谱图，提取稳态周期性波动信号各阶频率ωi和对应的幅值fi，从而以此五个值为特征指标得到稳态波动误差；
步骤五，将得到的加减速过程瞬态误差、换向过程瞬态误差、稳态跟随误差和稳态波动误差的特征值作为量化的评价指标，综合评价对比得到不同的直线电机进给系统的运动精度。
2.根据权利要求1所述的一种用于直线电机进给系统的运动精度综合分析评价方法，其特征在于，步骤一中，通过直线电机进给系统的数控系统的通讯接口或采集软件采集实际位置信号和数控指令位置信号。
3.根据权利要求1所述的一种用于直线电机进给系统的运动精度综合分析评价方法，其特征在于，步骤一中，通过外部测量装置采集实际位置信号和数控指令位置信号。
4.根据权利要求3所述的一种用于直线电机进给系统的运动精度综合分析评价方法，其特征在于，所述的外部测量装置采用激光干涉仪或数据采集卡。
5.根据权利要求1所述的一种用于直线电机进给系统的运动精度综合分析评价方法，其特征在于，步骤五中，按照如下标准综合评价对比不同的直线电机进给系统的运动精度；
加减速过程最大偏差越小，过渡时间越短则表明系统加减速过程稳定性越好；
换向过程最大偏差越小，停滞时间越短，换向极差越小则表明系统换向速过程稳定性越好；
稳态跟随误差越小，则表明系统跟随能力越好；
稳态波动最大偏差越小，波动极差越小，波动均方根差越小，各阶频率分量越少，对应幅值越小，则表明系统的稳态运动平稳性越好。
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