CN110209117B - 一种大刚度灵巧全组件摩擦辨识伺服进给装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大刚度灵巧全组件摩擦辨识伺服进给装置和方法，本装置可以分别测量机构中的摩擦力，并对摩擦参数进行精确辨识，而且可以安装大部分目前通用型号的力矩传感器，力传感器，光栅尺、开关和接近开关等传感器，新的结构设计在提高装置整体刚度的同时又保证了测量的精度和结构的灵活性。上述传感器均可进行拆卸更换，去掉力传感器和力矩传感器后，装置为“滚珠丝杠+直线导轨”进给机构，可用作摩擦补偿的对比实验，验证新方法的有效性。发明使用GMS(general ized Maxwell slip)模型建立伺服进给系统的精细化摩擦模型。采用了一种新型的时域辨识方法，可以有效地对装置各个组件的摩擦参数进行分别辨识。

Description

一种大刚度灵巧全组件摩擦辨识伺服进给装置及方法

技术领域

本发明涉及一种大刚度灵巧全组件摩擦辨识伺服进给装置和摩擦参数辨识方法，主要是使用新型测量装置，基于GMS模型对进给机构各组件进行摩擦辨识，属于精密伺服定位与精密加工装备领域。

背景技术

摩擦是伺服进给系统在低速运动时精度降低的主要因素之一，特别是在精密加工和精密定位时，预滑动阶段的摩擦现象有很强的非线性特性，这对于系统的低速运动性能有很大的影响，增大了轨迹跟踪误差，因此关于伺服系统的摩擦补偿是目前的研究热点之一。

发明人发现在实验装置方面，为了建立精确的摩擦模型，需要分别辨识各个组件的摩擦模型参数，传统的“滚珠丝杠+直线导轨”进给系统各组件连接紧密，采用外加传感器的无法有效测量各组件之间的摩擦力；而嵌入安装的传感器不仅降低了结构刚度，并且不可拆卸，测量结束后难以进行摩擦补偿的对比实验，对于测量的精确性与灵活性难以保证。

发明内容

针对上述问题本发明提出了一种大刚度灵巧全组件摩擦辨识伺服进给装置和方法。目的在于可以分别辨识伺服进给装置内各组件的摩擦模型参数，其内置传感器可以拆卸，并且不会影响装置整体的刚度和精度；针对分别建立的GMS摩擦模型，使用时域方法，可以准确快捷的辨识模型参数。

本发明采用的技术方案如下：

一种大刚度灵巧全组件摩擦辨识伺服进给装置，包括底座，在所述的底座上设有交流伺服电机，所述的交流伺服电机通过联轴器与力矩传感器相连，所述的力矩传感器通过连轴器与所述的滚珠丝杠副相连，在滚珠丝杠副通过拉压力传感器与工作台相连，在滚珠丝杠副的两侧安装有设置在底座上的直线导轨，所述的工作台放置在直线导轨上，可沿着所述的导轨移动；本发明的创新点在于，在直线导轨的一侧安装有可拆卸的光栅尺支架，在所述的光栅尺支架上安装有光栅尺，在工作台上安装有光栅尺读数头；在直线导轨的一侧安装有可拆卸的三个支架，在第一支架上安装行程开关，在第二支架上安装原点开关，在第三支架上安装限位开关；在所述的工作台上安装有可拆卸的第四支架，在第四支架上安装有撞块。

作为进一步的技术方案，所述的拉力传感器通过连接销与两个安装座相连，连接销与安装座之间通过螺栓连接，其中一个安装座与丝杠螺母相连，另外一个安装座与工作台相连。

作为进一步的技术方案，所述的安装座与工作台之间设置有一个垫片。

本发明还提出了一种利用上述装置，辨识滚珠丝杠副GMS摩擦模型摩擦参数的方法，如下:

步骤1采用GMS模型进行建模

GMS模型由N个基本(无质量)块和平行连接的弹簧组成，每个基本块的行为由两个状态(即粘着或滑动)决定，其数学表达式为：

其中，F_f为总体摩擦力，t为时间，v为速度，sgn(v)是关于速度v的符号函数，F_i、k_i和α_i为每个GMS基本块的摩擦力、刚度系数和权值系数，σ为粘滞摩擦系数，参数C决定了模型摩擦力在滑动区域收敛于Stribeck曲线的程度，s(v)用于描述Stribeck函数。

s(v)的表达式为：

其中，F_c和F_s分别为库仑摩擦力和最大静摩擦力，v_s为Stribeck速度，δ为Stribeck因子；

步骤2利用不同稳态速度对应的力矩数值辨识出Stribeck曲线中的静态参数，然后对GMS摩擦模型中的动态参数进行辨识；

动态参数辨识的方法如下：

使伺服电机工作在位置模式，输入一系列具有不同幅值的正弦位置轨迹，通过力矩传感器可得到滚珠丝杠副的摩擦力矩，通过电机编码器可以得到丝杠转角，由此绘制一组滞回曲线；

在时域中，辨识摩擦参数需要使用N个并联的基本块来拟合滞回曲线；可先提取外围曲线的左半部分，将曲线最左边的点置于原点，之后进行轮廓拟合，从曲线中辨识参数。对曲线进行分段线性拟合，通过每一段直线的斜率来计算相应的刚度系数k_i。而权值系数α_i可由刚度系数k_i和每一段直线的连接点值θ_i计算得出。并且当所有基本块处于滑动阶段时，权值系数总和应该为1，以便提供从预滑动到滑动状态的平滑过渡。

进一步的，对于静态参数，通过多组匀速运动，采用遗传算法可进行参数辨识。

本发明还提供了一种利用上述装置，辨识直线导轨GMS摩擦模型摩擦参数的方法，如下:

步骤1采用GMS模型进行建模

GMS模型由N个基本(无质量)块和平行连接的弹簧组成，每个基本块的行为由两个状态(即粘着或滑动)决定，其数学表达式为：

其中，F_f为总体摩擦力，t为时间，v为速度，sgn(v)是关于速度v的符号函数，F_i、k_i和α_i为每个GMS基本块的摩擦力、刚度系数和权值系数，σ为粘滞摩擦系数，参数C决定了模型摩擦力在滑动区域收敛于Stribeck曲线的程度，s(v)用于描述Stribeck函数。

s(v)的表达式为：

其中，F_c和F_s分别为库仑摩擦力和最大静摩擦力，v_s为Stribeck速度，δ为Stribeck因子；

步骤2利用不同稳态速度对应的摩擦力数值辨识出Stribeck曲线中的静态参数，然后对GMS摩擦模型中的动态参数进行辨识；

动态参数辨识的方法如下：

使伺服电机工作在位置模式，输入一系列具有不同幅值的正弦位置轨迹，通过力传感器测得摩擦力，通过光栅尺测得滑块移动距离，由此绘制一组滞回曲线；

在时域中，辨识摩擦参数需要使用N个并联的基本块来拟合滞回曲线；可先提取外围曲线的左半部分，将曲线最左边的点置于原点，之后进行轮廓拟合，从曲线中辨识参数。对曲线进行分段线性拟合，通过每一段直线的斜率来计算相应的刚度系数k_i。而权值系数α_i可由刚度系数k_i和每一段直线的连接点值θ_i计算得出。并且当所有基本块处于滑动阶段时，权值系数总和应该为1，以便提供从预滑动到滑动状态的平滑过渡。

进一步的，对于静态参数，通过多组匀速运动，采用遗传算法可进行参数辨识。

本发明的有益效果如下：

1.伺服进给系统在低速运行时，预滑动阶段的摩擦现象具有强烈的非线性特性，对于系统的轨迹跟踪性能有很大的影响，因此需要特别研究这一问题。对于“滚珠丝杠+直线导轨”伺服进给系统，为提高摩擦模型的准确性，需要对系统内各个组件进行分别建模和参数辨识，并且采用更加精确的摩擦模型来描述低速阶段的非线性摩擦特性。

2.本发明将所有传感器均安装在底座上。新型伺服进给装置采用交流伺服电机与滚珠丝杠进行驱动，之间采用力矩传感器相连。工作台与滚珠丝杠副之间由拉压力传感器相连。试验台上的原点开关、限位开关、行程开关、光栅尺、拉压力传感器等装置可拆卸更换，通用的传感器型号均可适用。工作台中间的开孔方便拆装拉力传感器，工作台四周的开孔用于添加负载，便于加载测试。将传感器装置拆下后，试验台可用作普通的伺服进给机构。

3.通过上述结构设计，大大提高了试验台的灵活程度，可完成不同类型的测试实验。装置可通过力传感器和扭矩传感器，完成测量摩擦力和摩擦力矩的任务。测量完成后，将传感器拆下恢复为普通试验台，根据建立的摩擦模型进行动态误差补偿，可以精确检验摩擦补偿的效果。

4.本发明通过结构设计创新，可以分别辨识各个组件的摩擦模型参数，并且可以安装大部分目前通用型号的传感器，内置传感器拆卸后可以用作普通伺服进给机构，而不影响机构整体的刚度和精度；本发明使用GMS(generalized Maxwell slip)模型建立伺服进给系统的精细化摩擦模型。采用了一种新型的时域辨识方法，可以有效地对装置各个组件的摩擦参数进行分别辨识。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1、图2是本发明的整体结构示意图；

图3是本发明的力传感器安装示意图；

图4是螺母座与工作台安装示意图；

图5是滞回曲线示意图

图6是参数辨识原理示意图；

图中，1为电机，2为电机座，3为力矩传感器，4为丝杠联轴器，5为底座，6为光栅尺安装板，7为导轨滑块，8为光栅尺读数头，9为光栅尺，10为光栅尺支架，11为直线导轨，12为限位开关支架，13为限位开关，14为工作台，15为撞块支架，16为撞块，17为滚珠丝杠副，18为轴承座，19为原点开关，20为原点开关支架，21为行程开关安装板，22为电机联轴器；23为传感器安装座，24为丝杠螺母座，25为力传感器，26为连接销，27为定位垫片，28为传感器安装座垫片。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在不足，为了解决如上的技术问题，本申请因此需要使用传感器可拆装的新型伺服进给装置。在摩擦模型方面，与普遍使用的摩擦模型相比，GMS摩擦模型具有更高的精度，可以较为完备的描述摩擦滞回、非局部记忆效应等低速阶段的动态摩擦特性。而且该模型兼备物理模型的特征，在提高精确性的同时减小了计算量，便于伺服系统集成控制。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示为新型伺服进给装置结构设计，

此时所有传感器均安装在实验台上。新型伺服进给装置采用交流伺服电机与滚珠丝杠进行驱动，之间采用力矩传感器相连。工作台与滚珠丝杠副之间由拉压力传感器相连。试验台上的原点开关，限位开关，光栅尺，传感器等装置可拆卸更换，通用的传感器型号均可适用。具体的，大刚度灵巧全组件摩擦辨识伺服进给装置，包括底座5，在所述的底座5上设有交流伺服电机1，所述的交流伺服电机1通过联轴器22与力矩传感器3相连，所述的力矩传感器3通过连轴器4与所述的滚珠丝杠副17相连，在滚珠丝杠副17通过拉压力传感器25与工作台相连，在滚珠丝杠副的两侧安装有设置在底座上的直线导轨11，所述的工作台放置在直线导轨11上，可沿着所述的直线导轨移动；在直线导轨11的一侧安装有可拆卸的光栅尺安装板6，在所述的光栅尺安装板6上安装有光栅尺9，在工作台上安装有光栅尺读数头8；在直线导轨11的一侧安装有可拆卸的三个安装板，在行程开关支架21上安装行程开关，在原点开关支架20上安装原点开关，在限位开关支架上安装限位开关；在所述的工作台上安装有可拆卸的撞块支架15，在第四支架上安装有撞块16。

工作台14中间的开孔方便拆装拉压力传感器25，工作台四周的开孔用于添加负载，便于加载测试；

将各个传感器和开关装置拆下后，试验台可用作普通的伺服进给机构，其结构如图2所示。

通过上述结构设计，大大提高了试验台的灵活程度，可完成不同类型的测试实验。装置可通过力传感器和扭矩传感器，完成测量摩擦力和摩擦力矩的任务。测量完成后，将传感器拆下恢复为普通试验台，根据建立的摩擦模型进行动态误差补偿，可以精确检验摩擦补偿的效果。

拉压力传感器25安装结构设计；图3为力传感器安装的结构示意图，试验台拉压力传感器安装在螺母座与工作台之间，可以使用通用型号的力传感器。本发明设计的新型结构介绍如下：传感器安装座23分别安装在丝杠螺母座24和工作台14上，为了便于更换工作台上的传感器安装座23，还在其中加入了传感器安装座垫片28。然后，力传感器25两边分别由连接销26相连接。最后，将两个连接销26的两端插入两边的传感器安装座23，可使用螺栓通过定位垫片27将整个装配体拉紧，完成力传感器的安装和预紧。由此可以保证力传感器安装的对中性，便于装置预紧，增加整体结构的刚度，两边定位垫片和连接销的结构，使得传感器不会轻易相对转动，保证了测量的精确和平稳。测量结束后可除去力传感器，如图4所示。仅使用一个连接销26，使其两端分别插入传感器安装座，再通过螺栓拉紧两端定位垫片27，此时试验台变为普通的滚珠丝杠进给机构，并且具有良好的刚度和精度。

本发明中摩擦力分离测量原理如下：

新型装置工作过程如下：首先由电机1驱动滚珠丝杠副17旋转，中间连接力矩传感器3，之后丝杠螺母及螺母座24在丝杠上来回移动，而工作台14通过力传感器25与丝杠螺母座24连接，因此工作台14运动时会带动导轨滑块7在直线导轨11上移动，由此实现电机驱动工作台在导轨上往复运动。在运动过程中，系统达到稳态时，总体的摩擦力矩通过力矩传感器得出，滑块和导轨之间的摩擦力由力传感器测出，经过计算可得丝杠和螺母之间的摩擦力矩，由此实现不同组件的摩擦力分离测量。

在滚珠丝杠伺服进给系统工作时，高速往复运动需要系统在高速和零速之间切换，此时的摩擦机理完全不同。对比现有的摩擦模型，GMS模型可以较为完备的描述各个速度阶段的摩擦现象，特别是零速区域的微动摩擦特性。此外，GMS模型还具有物理模型的特性，采用了一定数量的振子系统，合理选取振子数目可以提高计算速度，兼具性能与效率。

为了精确地描述预滑动阶段中的摩擦滞回和非局部记忆效应。本发明采用广义Maxwell-slip(GMS)模型进行建模。GMS模型由N个基本(无质量)块和平行连接的弹簧组成，每个基本块的行为由两个状态(即粘着或滑动)决定，其数学表达式为：

其中，F_f为总体摩擦力，t为时间，v为速度，sgn(v)是关于速度v的符号函数，F_i、k_i和α_i为每个GMS基本块的摩擦力、刚度系数和权值系数，σ为粘滞摩擦系数，参数C决定了模型摩擦力在滑动区域收敛于Stribeck曲线的程度，s(v)用于描述Stribeck函数。s(v)的表达式为：

其中，F_c和F_s分别为库仑摩擦力和最大静摩擦力，v_s为Stribeck速度，δ为Stribeck因子。

本发明提出的参数辨识方法如下：

由以上分析可知，GMS摩擦模型具有高精度和易于在控制算法中实现的优点。但使用此模型的一个显著困难是它有许多参数需要识别。本发明采用的摩擦参数辨识方法分为两步，以滚珠丝杠副为例，首先利用不同稳态速度对应的力矩数值辨识出Stribeck曲线中的静态参数；然后对GMS摩擦模型中的动态参数进行辨识。

对于静态参数，通过多组匀速运动，采用遗传算法可进行参数辨识。此部分内容较为简单，不再赘述。

对于动态参数，本发明采用时域方法进行辨识。为了得到预滑动阶段的滞回曲线，需要让伺服电机工作在位置模式，输入一系列具有不同幅值的正弦位置轨迹，通过力矩传感器可得到滚珠丝杠副的摩擦力矩，通过电机编码器可以得到丝杠转角，由此绘制一组滞回曲线。并且输入电流幅值范围要足够大，使其可以包括整个预滑动阶段。

在时域中，辨识摩擦参数需要使用N个并联的基本块来拟合滞回曲线。可先提取外围曲线的左半部分，将曲线最左边的点置于原点，之后进行轮廓拟合，从曲线中辨识参数。对曲线进行分段线性拟合，通过每一段直线的斜率来计算相应的刚度系数k_i。而权值系数α_i可由刚度系数k_i和每一段直线的连接点值θ_i计算得出。并且当所有基本块处于滑动阶段时，权值系数总和应该为1，以便提供从预滑动到滑动状态的平滑过渡。

经过以上方法，即可辨识出滚珠丝杠副GMS摩擦模型中的全部参数。辨识直线导轨GMS模型中的摩擦参数时，通过力传感器测得摩擦力，通过光栅尺测得滑块移动距离，由此绘制取滞回曲线，其余的辨识过程与滚珠丝杠副相同，在此不予赘述。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种辨识滚珠丝杠副GMS摩擦模型摩擦参数的方法，其特征在于，利用一种大刚度灵巧全组件摩擦辨识伺服进给装置，包括底座，在所述的底座上设有交流伺服电机，所述的交流伺服电机通过联轴器与力矩传感器相连，所述的力矩传感器通过连轴器与所述的滚珠丝杠副相连，所述的滚珠丝杠副通过拉压力传感器与工作台相连，在滚珠丝杠副的两侧安装有设置在底座上的直线导轨，所述的工作台放置在直线导轨上，可沿着所述的导轨移动；在直线导轨的一侧安装有可拆卸的光栅尺支架，在所述的光栅尺支架上安装有光栅尺，在工作台上安装有光栅尺读数头，在直线导轨的一侧安装有可拆卸的三个支架，在第一支架上安装行程开关，在第二支架上安装原点开关，在第三支架上安装限位开关；在所述的工作台上安装有可拆卸的第四支架，在第四支架上安装有撞块，所述的拉力传感器通过连接销与两个安装座相连，连接销与安装座之间通过螺栓连接，其中一个安装座与丝杠螺母相连，另外一个安装座与工作台相连，所述的安装座与工作台之间设置有一个垫片，采用该装置辨识滚珠丝杠副GMS摩擦模型摩擦参数的具体步骤为：

步骤1采用GMS模型进行建模，建模的方法如下：

GMS模型由N个基本块和平行连接的弹簧组成，每个基本块的行为由两个状态决定，其数学表达式为：

其中，F_f为总体摩擦力，t为时间，v为速度，sgn(v)是关于速度v的符号函数，F_i、k_i和α_i为每个GMS基本块的摩擦力、刚度系数和权值系数，σ为粘滞摩擦系数，参数C决定了模型摩擦力在滑动区域收敛于Stribeck曲线的程度，s(v)用于描述Stribeck函数；

s(v)的表达式为：

其中，F_c和F_s分别为库仑摩擦力和最大静摩擦力，v_s为Stribeck速度，δ为Stribeck因子；

步骤2利用不同稳态速度对应的力矩数值辨识出Stribeck曲线中的静态参数，然后对GMS摩擦模型中的动态参数进行辨识；

动态参数辨识的方法如下：

使伺服电机工作在位置模式，输入一系列具有不同幅值的正弦位置轨迹，通过力矩传感器得到滚珠丝杠副的摩擦力矩，通过电机编码器得到丝杠转角，由此绘制一组滞回曲线；

在时域中，辨识摩擦参数需要使用N个并联的基本块来拟合滞回曲线；先提取外围曲线的左半部分，将曲线最左边的点置于原点，之后进行轮廓拟合，从曲线中辨识参数；对曲线进行分段线性拟合，通过每一段直线的斜率来计算相应的刚度系数k_i；而权值系数αi可由刚度系数ki和每一段直线的连接点值θi计算得出；并且当所有基本块处于滑动阶段时，权值系数总和应该为1。

2.如权利要求1所述的辨识滚珠丝杠副GMS摩擦模型摩擦参数的方法，其特征在于，对于静态参数，通过多组匀速运动，采用遗传算法可进行参数辨识。

3.一种利用权利要求1所述装置辨识直线导轨GMS摩擦模型摩擦参数的方法，其特征在于，如下:

步骤1采用GMS模型进行建模；

步骤2利用不同稳态速度对应的摩擦力数值辨识出Stribeck曲线中的静态参数，然后对GMS摩擦模型中的动态参数进行辨识；

动态参数辨识的方法如下：

使伺服电机工作在位置模式，输入一系列具有不同幅值的正弦位置轨迹，通过力传感器测得摩擦力，通过光栅尺测得滑块移动距离，由此绘制一组滞回曲线；

在时域中，辨识摩擦参数需要使用N个并联的基本块来拟合滞回曲线；可先提取外围曲线的左半部分，将曲线最左边的点置于原点，之后进行轮廓拟合，从曲线中辨识参数。对曲线进行分段线性拟合，通过每一段直线的斜率来计算相应的刚度系数k_i。而权值系数αi可由刚度系数ki和每一段直线的连接点值θi计算得出。并且当所有基本块处于滑动阶段时，权值系数总和应该为1。

4.如权利要求3所述的辨识直线导轨GMS摩擦模型摩擦参数的方法，其特征在于，对于静态参数，通过多组匀速运动，采用遗传算法可进行参数辨识。

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