CN110977610B - 一种高速加工过程中急速变向加速度补偿系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种高速加工过程中急速变向加速度补偿系统和方法，系统包括进给轴、急速变向加速度补偿装置、工作台和控制系统，进给轴上安装有急速变向加速度补偿装置，急速变向加速度补偿装置上连接有工作台，进给轴、急速变向加速度补偿装置和控制系统连接，方法是通过急速变向加速度补偿装置向进给轴提供一个与当前运动相反的加速度，实现加工过程中工作台急速变向从高速运动减速到静止的高精密控制，本发明具有安全、操作简便、成本低、准确性高等优点。

Description

一种高速加工过程中急速变向加速度补偿系统和方法
技术领域
本发明涉及数控加工技术领域，具体涉及一种高速加工过程中急速变向加速度补偿系统和方法。
背景技术
高速高精加工是数控加工领域发展的趋势，在进行高速高精加工过程中，工作台在伺服电机或直线电机驱动下高速移动完成高精密加工。然而由于当前很多高科技产品的复杂性，其对加工的要求越来越高，在加工工艺设计中往往会要求工作台在高速移动加工过程中急速变向；而工作台延某一方向高速运动时控制其急速变向需经历两个过程，即从高速运动减速到静止，再从静止反向加速到特定速度。无论是伺服电机还是直线电机，其驱动工作台从静止反向加速到特定速度是容易精确控制的，而其驱动工作台从高速运动减速到静止往往需要借助阻尼作用，这一过程是不容易精确控制的。然而为了实现高速高精加工，在加工工艺要求工作台在加工过程中急速变向时，控制系统必须要对整个过程实现精确控制。
当前在加工过程中工作台急速变向从高速运动减速到静止的控制主要采用阻尼作用下缓慢减速的方式，然而这种方式极大地降低了加工效率。寻求一种在加工过程中工作台急速变向从高速运动减速到静止高精密控制方法是当前高速高精加工领域一种迫切的需求。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于了一种高速加工过程中急速变向加速度补偿系统和方法，可实现加工过程中工作台急速变向从高速运动减速到静止的高精密控制。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种高速加工过程中急速变向加速度补偿系统，包括进给轴、急速变向加速度补偿装置、工作台和控制系统，进给轴上安装有急速变向加速度补偿装置，急速变向加速度补偿装置上连接有工作台，进给轴、急速变向加速度补偿装置和控制系统连接。
所述的进给轴包括进给轴位移传感器4，进给轴位移传感器4和进给轴驱动电机1的输出连接，或者，进给轴位移传感器4通过进给轴运动副2和进给轴驱动电机1的输出连接，进给轴位移传感器4中部连接有进给轴滑台3。
所述的急速变向加速度补偿装置安装在进给轴滑台3上，急速变向加速度补偿装置包括急速变向加速度补偿装置位移传感器8，急速变向加速度补偿装置位移传感器8和急速变向加速度补偿装置驱动电机5的输出连接，或者，急速变向加速度补偿装置位移传感器8通过急速变向加速度补偿装置运动副6和急速变向加速度补偿装置驱动电机5的输出连接连接，急速变向加速度补偿装置位移传感器8中部连接有急速变向加速度补偿装置滑台7，急速变向加速度补偿装置滑台7与工作台固定连接，急速变向加速度补偿装置向进给轴提供一个与当前运动相反的加速度。
所述的进给轴驱动电机1、进给轴位移传感器4与进给轴电机驱动器9连接，急速变向加速度补偿装置驱动电机5、急速变向加速度补偿装置位移传感器8与急速变向加速度补偿装置电机驱动器10连接，进给轴电机驱动器9、急速变向加速度补偿装置电机驱动器10与控制系统11连接。
基于所述系统的一种高速加工过程中急速变向加速度补偿方法，包括以下步骤：
1)在进行高速加工时，工作台延某一方向高速运动，控制系统11要求工作台以恒定加速度a急速变向，此时进给轴驱动电机1开启阻尼减速模式，进给轴位移传感器4测得进给轴滑台3实时位移si，根据公式(1)计算出进给轴滑台3瞬时速度dvi，
Figure BDA0002338089900000031
式中t为时间；
2)将进给轴滑台3实时速度dvi带入到阻尼减速模型fri中，求出阻尼提供给进给轴滑台3的瞬时反向加速度dai；
dai＝fri(m，dvi) (2)
式中m为进给轴驱动电机阻尼减速模式电机阻尼系数；
3)再将进给轴滑台3的瞬时速度dvi、瞬时反向加速度dai和控制要求的加速度a，带入急速变向加速度补偿装置驱动电机5的控制模型fmi，求出急速变向加速度补偿装置驱动电机5瞬时输出加速度daf和瞬时输出加加速度da′f；
(daf，da′f)＝fmi(a，dvi，dai) (3)
4)将急速变向加速度补偿装置驱动电机5瞬时输出加速度daf和瞬时输出加加速度da′f的值通过控制系统11输出到急速变向加速度补偿装置电机驱动器，再由急速变向加速度补偿装置电机驱动器驱动急速变向加速度补偿装置驱动电机11按照指定瞬时输出加速度daf和瞬时输出加速度da′f运转，此时，工作台即按照恒定加速度a减速直到完全停止；
5)当工作台减速到完全停止(即速度为零时)，急速变向加速度补偿装置驱动电机5开启阻尼减速模式，急速变向加速度补偿装置位移传感器8测得急速变向加速度补偿装置滑台7实时位移sf，并根据公式(4)计算出急速变向加速度补偿装置滑台瞬时速度dvf；
Figure BDA0002338089900000041
6)将急速变向加速度补偿装置滑台实时速度dvf带入到阻尼减速模型frf中，求出阻尼提供给急速变向加速度补偿装置滑台7的瞬时反向加速度daf；
daf＝frf(m′，dvf) (5)
式中m′为急速变向加速度补偿装置驱动电机阻尼减速模式阻尼系数；
7)再将急速变向加速度补偿装置滑台7的瞬时速度dvf、瞬时反向加速度daf和控制要求的加速度a，带入进给轴驱动电机1的控制模型fmf，求出进给轴驱动电机瞬时输出加速度dai和瞬时输出加加速度da′i；
(dai，da′i)＝fmf(a，dvf，daf) (6)
8)将进给轴驱动电机瞬时输出加速度daf和瞬时输出加加速度da′f的值通过控制系统11输出到进给轴电机驱动器，再由进给轴电机驱动器驱动进给轴驱动电机1按照指定瞬时输出加速度dai和瞬时输出加加速度da′i运转，此时，工作台即按照恒定加速度a反向加速直到从停止反向加速到控制要求速度。
本发明的有益效果为：
本发明提供了一种高速加工过程中急速变向加速度补偿系统和方法，实现加工过程中工作台急速变向从高速运动减速到静止的高精密控制，具有安全、操作简便、成本低、准确性高等优点。
附图说明
图1是本发明一种高速加工过程中急速变向加速度补偿系统的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参照图1，一种高速加工过程中急速变向加速度补偿系统，包括进给轴、急速变向加速度补偿装置、工作台和控制系统，进给轴上安装有急速变向加速度补偿装置，急速变向加速度补偿装置上连接有工作台，进给轴、急速变向加速度补偿装置和控制系统连接。
所述的进给轴包括进给轴位移传感器4，进给轴位移传感器4和进给轴驱动电机1的输出连接，或者，进给轴位移传感器4通过进给轴运动副2和进给轴驱动电机1的输出连接，进给轴位移传感器4中部连接有进给轴滑台3。
所述的急速变向加速度补偿装置安装在进给轴滑台3上，急速变向加速度补偿装置包括急速变向加速度补偿装置位移传感器8，急速变向加速度补偿装置位移传感器8和急速变向加速度补偿装置驱动电机5的输出连接，或者，急速变向加速度补偿装置位移传感器8通过急速变向加速度补偿装置运动副6和急速变向加速度补偿装置驱动电机5的输出连接连接，急速变向加速度补偿装置位移传感器8中部连接有急速变向加速度补偿装置滑台7，急速变向加速度补偿装置滑台7与工作台固定连接，急速变向加速度补偿装置向进给轴提供一个与当前运动相反的加速度。
所述的进给轴驱动电机1、进给轴位移传感器4与进给轴电机驱动器9连接，急速变向加速度补偿装置驱动电机5、急速变向加速度补偿装置位移传感器8与急速变向加速度补偿装置电机驱动器10连接，进给轴电机驱动器9、急速变向加速度补偿装置电机驱动器10与控制系统11连接，进给轴电机驱动器9、急速变向加速度补偿装置电机驱动器10都装有相应的制动电阻。
当进给轴驱动电机1采用旋转电机，则进给轴运动副2为丝杠导轨运动副，同时进给轴位移传感器4为旋转编码器或光栅尺编码器；若进给轴驱动电机1为直线电机，则不需要进给轴运动副2，进给轴位移传感器4为光栅尺编码器，进给轴驱动电机1配有阻尼装置。
当急速变向加速度补偿装置驱动电机5采用旋转电机，则急速变向加速度补偿装置运动副6为丝杠导轨运动副，同时急速变向加速度补偿装置位移传感器8为旋转编码器或光栅尺编码器；若急速变向加速度补偿装置驱动电机5为直线电机，则不需要急速变向加速度补偿装置运动副6，急速变向加速度补偿装置位移传感器8为光栅尺编码器；急速变向加速度补偿装置驱动电机1配有阻尼装置。
基于所述系统的一种高速加工过程中急速变向加速度补偿方法，包括以下步骤：
1)在进行高速加工时，工作台延某一方向高速运动，控制系统11要求工作台以恒定加速度a急速变向，此时进给轴驱动电机1开启阻尼减速模式，进给轴位移传感器4测得进给轴滑台3实时位移si，根据公式(1)计算出进给轴滑台3瞬时速度dvi，
Figure BDA0002338089900000061
式中t为时间；
2)将进给轴滑台3实时速度dvi带入到阻尼减速模型fri中，求出阻尼提供给进给轴滑台3的瞬时反向加速度dai；
dai＝fri(m，dvi) (2)
式中m为进给轴驱动电机阻尼减速模式电机阻尼系数；
3)再将进给轴滑台3的瞬时速度dvi、瞬时反向加速度dai和控制要求的加速度a，带入急速变向加速度补偿装置驱动电机5的控制模型fmi，求出急速变向加速度补偿装置驱动电机5瞬时输出加速度daf和瞬时输出加加速度da′f；
(daf，da′f)＝fmi(a，dvi，dai) (3)
4)将急速变向加速度补偿装置驱动电机5瞬时输出加速度daf和瞬时输出加加速度da′f的值通过控制系统11输出到急速变向加速度补偿装置电机驱动器，再由急速变向加速度补偿装置电机驱动器驱动急速变向加速度补偿装置驱动电机11按照指定瞬时输出加速度daf和瞬时输出加速度da′f运转，此时，工作台即按照恒定加速度a减速直到完全停止；
5)当工作台减速到完全停止(即速度为零时)，急速变向加速度补偿装置驱动电机5开启阻尼减速模式，急速变向加速度补偿装置位移传感器8测得急速变向加速度补偿装置滑台7实时位移sf，并根据公式(4)计算出急速变向加速度补偿装置滑台瞬时速度dvf；
Figure BDA0002338089900000071
6)将急速变向加速度补偿装置滑台实时速度dvf带入到阻尼减速模型frf中，求出阻尼提供给急速变向加速度补偿装置滑台7的瞬时反向加速度daf；
daf＝frf(m′，dvf) (5)
式中m′为急速变向加速度补偿装置驱动电机阻尼减速模式阻尼系数；
7)再将急速变向加速度补偿装置滑台7的瞬时速度dvf、瞬时反向加速度daf和控制要求的加速度a，带入进给轴驱动电机1的控制模型fmf，求出进给轴驱动电机瞬时输出加速度dai和瞬时输出加加速度da′i；
(dai，da′i)＝fmf(a，dvf，daf) (6)
8)将进给轴驱动电机瞬时输出加速度daf和瞬时输出加加速度da′f的值通过控制系统11输出到进给轴电机驱动器，再由进给轴电机驱动器驱动进给轴驱动电机1按照指定瞬时输出加速度dai和瞬时输出加加速度da′i运转，此时，工作台即按照恒定加速度a反向加速直到从停止反向加速到控制要求速度。

Claims (3)

1.一种高速加工过程中急速变向加速度补偿方法，其特征在于：一种高速加工过程中急速变向加速度补偿系统，包括进给轴、急速变向加速度补偿装置、工作台和控制系统，进给轴上安装有急速变向加速度补偿装置，急速变向加速度补偿装置上连接有工作台，进给轴、急速变向加速度补偿装置和控制系统连接；
所述的进给轴包括进给轴位移传感器(4)，进给轴位移传感器(4)和进给轴驱动电机(1)的输出连接，或者，进给轴位移传感器(4)通过进给轴运动副(2)和进给轴驱动电机(1)的输出连接，进给轴位移传感器(4)中部连接有进给轴滑台(3)；
所述的急速变向加速度补偿装置安装在进给轴滑台(3)上，急速变向加速度补偿装置包括急速变向加速度补偿装置位移传感器(8)，急速变向加速度补偿装置位移传感器(8)和急速变向加速度补偿装置驱动电机(5)的输出连接，或者，急速变向加速度补偿装置位移传感器(8)通过急速变向加速度补偿装置运动副(6)和急速变向加速度补偿装置驱动电机(5)的输出连接连接，急速变向加速度补偿装置位移传感器(8)中部连接有急速变向加速度补偿装置滑台(7)，急速变向加速度补偿装置滑台(7)与工作台固定连接，急速变向加速度补偿装置向进给轴提供一个与当前运动相反的加速度；
所述的进给轴驱动电机(1)、进给轴位移传感器(4)与进给轴电机驱动器(9)连接，急速变向加速度补偿装置驱动电机(5)、急速变向加速度补偿装置位移传感器(8)与急速变向加速度补偿装置电机驱动器(10)连接，进给轴电机驱动器(9)、急速变向加速度补偿装置电机驱动器(10)与控制系统(11)连接；
所述的一种高速加工过程中急速变向加速度补偿方法，包括以下步骤：
1)在进行高速加工时，工作台延某一方向高速运动，控制系统(11)要求工作台以恒定加速度a急速变向，此时进给轴驱动电机(1)开启阻尼减速模式，进给轴位移传感器(4)测得进给轴滑台(3)实时位移si，根据公式(1)计算出进给轴滑台(3)瞬时速度dvi，
Figure FDA0002996718130000021
式中t为时间；
2)将进给轴滑台(3)实时速度dvi带入到阻尼减速模型fri中，求出阻尼提供给进给轴滑台(3)的瞬时反向加速度dai；
dai＝fri(m，dvi) (2)
式中m为进给轴驱动电机阻尼减速模式电机阻尼系数；
3)再将进给轴滑台(3)的瞬时速度dvi、瞬时反向加速度dai和控制要求的加速度a，带入急速变向加速度补偿装置驱动电机(5)的控制模型fmi，求出急速变向加速度补偿装置驱动电机(5)瞬时输出加速度daf和瞬时输出加加速度da′f；
(daf，da′f)＝fmi(a，dvi，dai) (3)
4)将急速变向加速度补偿装置驱动电机(5)瞬时输出加速度daf和瞬时输出加加速度da′f的值通过控制系统(11)输出到急速变向加速度补偿装置电机驱动器，再由急速变向加速度补偿装置电机驱动器驱动急速变向加速度补偿装置驱动电机(5)按照指定瞬时输出加速度daf和瞬时输出加速度da′f运转，此时，工作台即按照恒定加速度a减速直到完全停止；
5)当工作台减速到完全停止，急速变向加速度补偿装置驱动电机(5)开启阻尼减速模式，急速变向加速度补偿装置位移传感器(8)测得急速变向加速度补偿装置滑台(7)实时位移sf，并根据公式(4)计算出急速变向加速度补偿装置滑台瞬时速度dvf；
Figure FDA0002996718130000031
6)将急速变向加速度补偿装置滑台实时速度dvf带入到阻尼减速模型frf中，求出阻尼提供给急速变向加速度补偿装置滑台(7)的瞬时反向加速度daf；
daf＝frf(m′，dvf) (5)
式中m′为急速变向加速度补偿装置驱动电机阻尼减速模式阻尼系数；
7)再将急速变向加速度补偿装置滑台(7)的瞬时速度dvf、瞬时反向加速度daf和控制要求的加速度a，带入进给轴驱动电机(1)的控制模型fmf，求出进给轴驱动电机瞬时输出加速度dai和瞬时输出加加速度da′i；
(dai，da′i)＝fmf(a，dvf，daf) (6)
8)将进给轴驱动电机瞬时输出加速度daf和瞬时输出加加速度da′f的值通过控制系统(11)输出到进给轴电机驱动器，再由进给轴电机驱动器驱动进给轴驱动电机(1)按照指定瞬时输出加速度dai和瞬时输出加加速度da′i运转，此时，工作台即按照恒定加速度a反向加速直到从停止反向加速到控制要求速度。
2.根据权利要求1所述的一种高速加工过程中急速变向加速度补偿方法，其特征在于：当进给轴驱动电机(1)采用旋转电机，则进给轴运动副(2)为丝杠导轨运动副，同时进给轴位移传感器(4)为旋转编码器或光栅尺编码器；若进给轴驱动电机(1)为直线电机，则不需要进给轴运动副(2)，进给轴位移传感器(4)为光栅尺编码器。
3.根据权利要求1所述的一种高速加工过程中急速变向加速度补偿方法，其特征在于：当急速变向加速度补偿装置驱动电机(5)采用旋转电机，则急速变向加速度补偿装置运动副(6)为丝杠导轨运动副，同时急速变向加速度补偿装置位移传感器(8)为旋转编码器或光栅尺编码器；若急速变向加速度补偿装置驱动电机(5)为直线电机，则不需要急速变向加速度补偿装置运动副(6)，急速变向加速度补偿装置位移传感器(8)为光栅尺编码器。
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