CN110018671B - 基于小位移直驱力矩转台伺服参数优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于数控直驱力矩转台伺服驱动参数寻优的方法，具体涉及基于小位移直驱力矩转台伺服参数优化方法。其包括如下步骤：S01：将电子千分表固定在主轴或其他非运动区域上；S02：在转台零位时，校正标准块测量平面与转台Y轴平行；S03：根据转台运动特性，基于小位移编写转台运动程序；S04：设计正交试验表；S05：根据理论位移值和实际读数值得到C轴转台的定位偏差值，根据C轴转台回程后的读数值得到重复定位偏差值。S06：调整伺服参数并对该参数进行验证。通过调节伺服驱动参数，进一步优化直驱调力矩电机的定位精度、重复定位精度及伺服刚性，能广泛运用于各种机床电机伺服参数优化，减少调试时间，提高工作效率。

Description

基于小位移直驱力矩转台伺服参数优化方法
技术领域
本发明涉及数控制齿机床转台定位精度、重复定位精度及伺服刚性优化领域，提供了一种用于调整伺服驱动参数较优组合的方法。具体的说涉及数控机床通过寻找较优的伺服驱动参数，改善定位精度、重复定位精度及伺服刚性。更具体的说涉及直驱转台伺服驱动参数优化。
技术背景
数控制齿机床是加工各种常见齿轮的复合加工设备，而机床的各项运动精度是保证加工零件精度的重要保证之一。现如今很多精密数控机床的直线轴和旋转轴都采用当今最先进的直接驱动(直驱)技术，由伺服电机直接驱动各轴运动，通过多种方式的插补技术可以很好满足了零件加工精度和复杂曲面表面光洁度的要求。由于伺服电机驱动部件跟负载之间是直接连接，无需像传统的丝杆或蜗杆传动一样需要额外的硬件连接误差补偿。因此直驱技术具有以下几个优点：动态响应特性好、运行速度快、运动过程中无反向间隙、精度高。因此直驱技术在各种中、高端的机床产品得到了广泛的应用。
直驱技术虽然具有上述优点，但是由于伺服电机与负载端直接连接，省去了机械传动链，其传动比则是电机转子与定子之间的传动近似为1：1，在对伺服电机调试的过程中，容易在调节伺服驱动的时候出现超调、过冲等，使得电机产生振动、伺服刚性不足、跟随精度差、电机定位精度低等问题。因此需要对伺服驱动的位置环增益参数Kpp、速度环增益参数Kvp、速度环积分时间参数Kvi和负载转动惯量J进行优化。
传统的调试方法有经验法和驱动自动调节，经验法调整伺服驱动参数不仅调试时间长，而且调整效果差。而驱动自动调节，虽然在调试时间上省很多时间，但实际调试的效果往往不能满足数控制齿机床对于电机分度精度的要求。因此精准的回转定位精度是提升齿轮加工精度、加工质量的保证，有必要进一步优化伺服驱动参数。
发明内容
针对调节伺服驱动现存的技术问题，本发明提供了一种基于小位移直驱力矩转台伺服参数优化方法，可通过简单的试验方法对直驱力矩电机的定位精度、重复定位精度及伺服刚性进行优化，进一步提升直驱力矩电机的伺服性能。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
基于小位移直驱力矩转台伺服参数优化方法，主要包括如下步骤：
S01：将电子千分表固定在主轴或其他非运动区域上；
S02：在转台零位时，校正标准块测量平面与转台Y轴平行；
S03：根据转台运动特性，基于小位移编写转台运动程序；
S04：设计正交试验表，根据正交试验表进行测量；
S05：运行运动程序，读取电子千分表上的数值，根据理论位移值和实际读数值得到C轴转台的定位误差值，根据C轴转台回程后的读数值得到重复定位偏差值；
S06：填写正交实验表，计算极差，分析敏感因素，调整伺服参数并对该参数进行验证。
进一步，所述的S01步骤中电子千分表是通过磁座和表杆固定在主轴上，确保千分表不受外界运动影响，保证读数精准。
进一步，所述的S02步骤具体为：
S02.1：编写临时程序使转台回到零位，标记此处为初始位置；
S02.2：将标准块竖直放置于转台上，通过数控机床手轮控制直线轴运动，使电子千分表与标准块测量平面接触。通过手轮控制机床Y轴运动，使电子千分表在标准块的测量平面范围内运动，根据电子千分表的读数，调整标准块使Y轴运动过程中电子千分表显示的数值不变，完成标定，使用胶水或磁座固定住标准块。
进一步，所述的S02.2中的标准块为100×50×10的量块。
进一步，所述的S03步骤中基于小位移编写转台的运动程序如下所示：
G90 G01 C0 F100；(转台回到0位)G04 X05；(暂停5秒)
G91 G01 C1 F100；(转台旋转1°)G04 X05；(暂停5秒)
G91 G01 C-1 F100；(转台旋转-1°)G04 X05；(暂停5秒)
进一步，所述的S04步骤中设计的正交试验表，以位置环增益参数Kpp、速度环增益参数Kvp、速度环积分时间参数Kvi和负载转动惯量J为因素；以各参数的数值为水平；以定位偏差和重复定位偏差为指标。
进一步，所述的S05步骤具体为：
S05.1：运行测量程序前，确保电子千分表表头与标准块接触，使得千分表的读数为行程的一半并清零，确保在运动过程有足够的位移量来保证读数，避免出现行程不足或无接触无数值；
S05.2：运行测量程序，通过C轴转台微小角度(1°)旋转，读出转台在经过旋转微小角度后的位移s’。由于标准块的回转半径r，旋转角度较小，根据微小角度旋转的位移计算公式：
Figure BDA0002029197190000031
获得理论运动位移。根据测量的位移s’和理论位移s之间的差值，获得定位偏差ei＝s-s’，其中i为正交试验的序号。通过程序使C轴转台转动-1°，得到与初始状态的偏差读数Δei，其中i为正交试验的序号；
S05.3：重复S05中的具体步骤三次，记下每次数值，分析比较数值变化，获取较为合理的数值；
进一步，所述的S05.4步骤中合理数值的分析主要是：通过三次测量查看所得ei和Δei是否有较大的突变值，如果有重新测量，如果没有则取三次的中较大的数值为本次偏差。
进一步，所述的S06步骤具体为：
S06.1：将试验测得的ei和Δei填入正交试验表中的指标一栏；计算各因素试验指标的平均值
Figure BDA0002029197190000032
S06.2：计算各因素的极差值
Figure BDA0002029197190000033
Rj反映了第j列因素的水平变动时，试验指标的变动幅度。Rj越大，说明该因素对试验指标的影响越大，因此也就越重要；
S06.3：将相应数据填入正交试验表，完成分析，得到较优参数组合。
本发明的有益效果在于：
基于转台旋转微小位移，采用简单方便的设备测量分析，通过试验实现人工快速判断各伺服参数对直驱力矩电机伺服刚度，定位精度和重复定位精度的影响，较快实现各参数的调整，极大减小现场调整的工作量；缩短各伺服参数调整时间，有利于进一步寻求更优的伺服参数。
附图说明
以下附图目的在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
图1为本发明的优化流程图；
图2为本实施例所采用的五轴制齿机床；
图3为本实施例在零位时各设备的安装示意图；
图4为本实施例运行1°时的测试示意图；
图5为本实施优化前激光干涉仪测量的定位精度和重复定位精度分析图；
图6为本实施优化后激光干涉仪测量的定位精度和重复定位精度分析图。
图中：1-电子千分表；2-力矩电机转台；3-标准块；4-机床主轴；5-磁座；6-表杆。
具体实施方式
接下来结合附图以及具体的实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限制于此。
如图1至图6，基于小位移直驱力矩转台伺服参数优化方法，主要包括如下步骤：
S01：将电子千分表(1)固定在主轴(4)或其他非运动区域上；
S02：在转台(2)零位时，校正标准块(3)测量平面与转台(2)Y轴平行；
S03：根据转台(2)运动特性，基于小位移编写转台(2)运动程序；
S04：设计正交试验表，根据正交试验表进行测量；
S05：运行运动程序，读取电子千分表(3)上的数值，根据理论位移值和实际读数值得到C轴转台(2)的定位偏差值，根据C轴转台(2)回程后的读数值得到重复定位偏差值。
S06：填写正交实验表，计算极差，分析敏感因素，调整伺服参数并对该参数进行验证。
其中，所述的S01步骤中电子千分表(1)是通过磁座(5)和表杆(6)固定在主轴上，确保千分表不受外界运动影响，保证读数精准，如图2-图4所示。
其中，所述的S02步骤具体为：
S02.1：编写临时程序使转台(2)回到零位，标记此处为初始位置，如图3所示；
S02.2：将标准块(3)竖直放置于转台(2)上，通过数控机床手轮控制直线轴运动，使电子千分表(1)与标准块(3)测量平面接触。通过手轮控制机床Y轴运动，使电子千分表(1)在标准块(3)的测量平面范围内运动，根据电子千分表(1)的读数，调整标准块(3)使Y轴运动过程中电子千分表(1)显示的数值不变，完成标定，使用胶水或磁座固定住标准块(3)，标定完成后如图3所示。
其中，所述的S02.2中的标准块(3)为100×50×10的量块。
所述的S03步骤中基于小位移编写转台(2)的运动程序如下所示：
G90G01C0F100；(转台回到0位)G04X05；(暂停5秒)
G91G01C1F100；(转台旋转1°)G04X05；(暂停5秒)
G91G01C-1F100；(转台旋转-1°)G04X05；(暂停5秒)
所述的S04步骤中设计的正交试验表，以位置环增益参数Kpp、速度环增益参数Kvp、速度环积分时间参数Kvi和负载转动惯量J为因素；以各参数的数值为水平；以定位偏差和重复定位偏差为指标。建立的因素水平表如表1所示。
表1
Figure BDA0002029197190000051
表1中的伺服参数值由前期调整伺服刚度确定。
根据表1中的参数进行正交试验。
所述的S05步骤具体为：
S05.1：运行测量程序前，确保电子千分表(1)表头与标准块(3)接触，使得千分表(1)的读数为行程的一半并清零，确保在运动过程有足够的位移量来保证读数，避免出现行程不足或无接触无数值。
S05.2：运行测量程序，通过C轴转台(2)微小角度(1°)旋转，读出转台(2)在经过旋转微小角度后的位移s’。由于标准块(3)的回转半径r，旋转角度较小，根据微小角度旋转的位移计算公式：
Figure BDA0002029197190000061
获得理论运动位移。根据测量的位移s’和理论位移s之间的差值，获得定位偏差ei＝s-s’，其中i为正交试验的序号。通过程序使C轴转台(2)转动-1°，得到与初始状态的偏差读数Δei，其中i为正交试验的序号。
S05.3：重复S05中的具体步骤三次，记下每次数值，分析比较数值变化，获取较为合理的数值。
其中，所述的S05.4步骤中合理数值的分析主要是：通过三次测量查看所得ei和Δei是否有较大的突变值，如果有重新测量，如果没有则取三次的中较大的数值为本次偏差。
所述的S06步骤具体为：
S06.1：将试验测得的ei和Δei填入正交试验表中的指标一栏；计算各因素试验指标的平均值
Figure BDA0002029197190000062
S06.2：计算各因素的极差值
Figure BDA0002029197190000063
Rj反映了第j列因素的水平变动时，试验指标的变动幅度。Rj越大，说明该因素对试验指标的影响越大，因此也就越重要。
S06.3：将相应数据填入表2的正交试验表，完成分析，得到较优参数组合。
表2
Figure BDA0002029197190000064
Figure BDA0002029197190000071
根据表2，结合S06.2可以分析，负载转动惯量J对定位精度和重复定位精度的影响最大，因此在调整参数时需要优先考虑其调整幅度。各伺服参数的影响顺序分别为：定位精度J>Kvp>Kpp＝Kvi；重复定位精度J＝Kvi>Kpp>Kvp。
而在制齿机床中往往对转台(2)的定位精度要高于重复定位精度，因此根据以上分析选着较优的参数组合：Kpp＝1500；Kvp＝1000；Kvi＝250；J＝10。表2中并无该组数据，因此通过激光干涉仪测量验证基于小位移直驱力矩转台伺服参数优化方法的可行性，如图5为Kpp＝1600；Kvp＝800；Kvi＝150；J＝20时激光干涉仪测量的定位精度和重复定位精度，由图5知定位精度为18.29弧秒，重复定位精度为3.44弧秒。调整驱动参数为Kpp＝1500；Kvp＝1000；Kvi＝250；J＝10，其测量结果如图6所示，定位精度为9.35弧秒，重复定位精度为2.01弧秒。经过寻优后转台(2)精度有所提高，且伺服刚度满足加工要求，完成参数寻优。
所述的实施例为本发明的优选实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员所做出的任何显而易见的变形、替换或改进均属于本发明保护范围。

Claims (1)

1.基于小位移直驱力矩转台伺服参数优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
S01：将电子千分表(1)固定在主轴(4)或其他非运动区域上；
S02：在转台(2)零位时，校正标准块(3)测量平面与转台(2)Y轴平行；
S03：根据转台(2)运动特性，基于小位移编写转台(2)运动程序；
S04：设计正交试验表，根据正交试验表进行测量；
S05：运行运动程序，读取电子千分表(1)上的数值，根据理论位移值和实际读数值得到C轴转台(2)的定位偏差值，根据C轴转台(2)回程后的读数值得到重复定位偏差值；
S06：填写正交实验表，计算极差，分析敏感因素，调整伺服参数并对该参数进行验证；
所述的S01步骤中电子千分表(1)是通过磁座(5)和表杆(6)固定在主轴(4)上，确保千分表不受外界运动影响，保证读数精准；
所述的S02步骤具体为：
S02.1：编写临时程序使转台(2)回到零位，标记此处为初始位置；
S02.2：将标准块(3)竖直放置于转台(2)上，通过数控机床手轮控制直线轴运动，使电子千分表(1)与标准块(3)测量平面接触；通过手轮控制机床Y轴运动，使电子千分表(1)在标准块(3)的测量平面范围内运动，根据电子千分表(1)的读数，调整标准块(3)使Y轴运动过程中电子千分表(1)显示的数值不变，完成标定，使用胶水或磁座固定住标准块(3)；
所述的S02.2中的标准块(3)为100×50×10的量块；
所述的S03步骤中基于小位移编写转台(2)的运动程序如下所示：
G90 G01 C0 F100；(转台回到0位)G04 X05；(暂停5秒)
G91 G01 C1 F100；(转台旋转1°)G04 X05；(暂停5秒)
G91 G01 C-1F100；(转台旋转-1°)G04 X05；(暂停5秒)；所述的S05步骤具体为：
S05.1：运行测量程序前，确保电子千分表(1)表头与标准块(3)接触，使得千分表(1)的读数为行程的一半并清零，确保在运动过程有足够的位移量来保证读数，避免出现行程不足或无接触无数值；
S05.2：运行测量程序，通过C轴转台(2)微小角度(1°)旋转，读出转台(2)在经过旋转微小角度后的位移s’；由于标准块(3)的回转半径r，旋转角度较小，根据微小角度旋转的位移计算公式：
Figure FDA0002869754810000021
获得理论运动位移；根据测量的位移s’和理论位移s之间的差值，获得定位偏差ei＝s-s’，其中i为正交试验的序号；通过程序使C轴转台(2)转动-1°，得到与初始状态的偏差读数Δei，其中i为正交试验的序号；
S05.3：重复S05中的具体步骤三次，记下每次数值，分析比较数值变化，获取较为合理的数值；
所述的S04步骤中设计的正交试验表，以位置环增益参数Kpp、速度环增益参数Kvp、速度环积分时间参数Kvi和负载转动惯量J为因素；以各参数的数值为水平；以定位偏差和重复定位偏差为指标；
所述的S05.4步骤中合理数值的分析主要是：通过三次测量查看所得ei和Δei是否有较大的突变值，如果有重新测量，如果没有则取三次的中较大的数值为本次偏差；所述的S06步骤具体为：
S06.1：将试验测得的ei和Δei填入正交试验表中的指标一栏；计算各因素试验指标的平均值
Figure FDA0002869754810000022
S06.2：计算各因素的极差值
Figure FDA0002869754810000023
Rj反映了第j列因素的水平变动时，试验指标的变动幅度；Rj越大，说明该因素对试验指标的影响越大，因此也就越重要；
S06.3：将相应数据填入正交试验表，完成分析，得到较优参数组合。
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