CN111610753B - 一种双直线电机差动微进给伺服系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本公开提出一种双直线电机差动微进给伺服系统及同步控制方法，包括：控制上工作台直线电机A及控制下工作台永磁直线电机B；其中，所述直线电机B驱动下工作台直线运动，所述直线电机A驱动上工作台直线运动，两者运动瞬时速度大小近乎相等，方向相反，通过两者的宏观运动叠加，上、下两工作台差动合成微量进给，从而避开爬行现象的影响；这种新型微进给系统的研究，对数控装备新概念设计、加工性能提高、超精密加工技术发展，具有深远意义。

Description

一种双直线电机差动微进给伺服系统及控制方法

技术领域

本公开涉及机械技术领域，特别涉及一种双直线电机差动微进给伺服系统及控制方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

如何使工作台或刀具获得准确、稳定、可靠的微位移是实现超精密加工的关键技术瓶颈之一。对于大多数精密、超精密机床来说，高性能的直线运动系统是关键，而采用适当的预紧方法可以减小甚至消除静态反向间隙，但不能消除由于摩擦等不确定因素引起的非线性运动，而直线运动引起的摩擦非线性效应远远大于旋转部件引起的摩擦非线性效应，因此在数控机床工作台上相对于导轨的直线运动成为了限制其提高精度的主要因素。

发明人发现，传统数控机床大部分采用固定式直线导轨，当微进给工作台相对导轨运动速度很低时，工作台会出现爬行现象，影响定位精度和加工性能；有些技术人员提供了一种履带导轨驱动微量进给伺服系统，是工作台与可动导轨相对静止来消除爬行，一方面，由于此种方式是通过两个方向相同、大小相等的速度叠加来实现工作台的微量进给，导致伺服电机会受到极大的转速限制，当工作台设定较低的运行速度时，伺服电机无法保证稳定的转速；另一方面，履带导轨转动时存在滚动摩擦，会将摩擦引起的波动传递给工作台，对工作台作业产生影响，同时由于履带导轨很难保证刚度，其传动精确度较低。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种双直线电机差动微进给伺服系统及控制方法，本公开通过两个工作台的叠加差动合成微量进给，消除了低速时摩擦非线性的影响，能够解决较低稳定转速的限制和精确的微进给控制。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种双直线电机差动微进给伺服系统，包括驱动装置A和驱动装置B；

所述驱动装置A和B均包括直线电机和工作台，所述驱动装置A固定于所述驱动装置B的工作台面；所述直线电机驱动工作台运动，两工作台的运动瞬时速度大小不等，且方向相反；通过两者的运动叠加，两工作台的瞬时速度差动合成微量进给，从而避开爬行现象的影响。

进一步的，所述驱动装置A和B中的工作台分别采用独立的直线电机进行驱动，所述驱动系统B中的工作台与所述驱动系统A中直线电机的底座固定连接。

进一步的，所述直线电机是运动控制卡和工作台之间的纽带，所述直线电机根据上位机控制指令进行运动，驱动工作台直线运动。

进一步的，所述驱动装置A和B分别采用独立的伺服驱动系统进行控制。

进一步的，所述驱动装置A和B中的直线电机采用永磁直线电机，所述永磁直线电机分别和各自对应的速度/位置/电流检测器相连接，用来感知直线电机的速度/位置/电流信息，并且反馈给各自的伺服信号接线端子板。

进一步的，所述伺服驱动系统包括速度控制电路、电流控制电路、比较器，根据收到的速度、位移、电流信息对直线电机进行控制。

进一步的，所述伺服系统中除了设置有分别监控驱动系统A和B中工作台的两副光栅外，还设置一副差动光栅，当两工作台速度差极小时，通过所述差动光栅检测两工作台差动合成的位移。

一种双直线电机差动微进给伺服系统的控制方法，具体步骤如下：

根据工作台给定的运动要求，通过上位机发送控制指令对驱动装置A和B中的直线电机进行控制，设置所述驱动装置A和B中工作台大小相近且方向相反的瞬时速度，通过两者的运动叠加，两工作台差动合成微量进给，从而避开爬行现象的影响；同时将获取的直线电机伺服信号反馈给上位机。

进一步的，具体控制时，采用全闭环瞬时差速交叉耦合控制方法对直线电机的驱动信号进行优化。

进一步的，所述全闭环瞬时差速交叉耦合控制方法，对所述驱动装置A和B中工作台的位移进行差分，然后求导，利用自适应模型跟随控制算法AMFC对微分位移和微分速度，以及通过差分得到的理论位移和速度信号进行优化，最后利用优化后的输出信号对伺服电机进行控制。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

(1)本公开在现代伺服驱动技术和运动合成原理的基础上，由“一个直线电机驱动下工作台直线运动”和“一个直线电机驱动上工作台直线运动”两种直线运动(瞬时速度大小相近，方向相反)的宏观运动叠加而成，从而避免了由于传统的机电伺服系统结构导致的不可避免的、低速非线性爬行现象的影响，实现了高精度的微进给控制，从根本上消除了爬行的线性运动；

(2)本公开所述方案通过两个方向相反、大小相似的瞬时速度的差动来实现工作台的微量进给，因此，当工作台设定较低的运行速度时，所述直线电机仍然能够保证其稳定转速，仅需要缩小两工作台件的速度差即可；

(3)本公开提出的新型进给伺服系统具有优良的特性，应用于当今数控设备制造业，可以以很低的制造成本，获得很高的机床精度和性能；同时针对“双直线电机”伺服进给系统，研究其微进给特性，对于发展高端数控设备和超精密先进技术，具有重要意义和广阔的应用前景。

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为本公开实施例一中所述的双直线电机差动微进给进给伺服系统结构图；

图2为本公开实施例二中所述的双直线电机差动微进给伺服系统开环传递函数框图；

图3为本公开实施例一中所述的全闭环恒差速交叉耦合控制结构图；

图4为本公开实施例二中所述的双直线电机差动微进给进给伺服系统全闭环恒差速交叉耦合控制结构图；

图中：1、直线电机拖链固定端，2、直线电机撞块，3、直线电机活动端，4、直线电机拖链，5、工作台，6、直线电机导轨，7、直线电机缓冲器，8、直线电机缓冲器座，9、直线电机端盖，10、直线电机定子，11、直线电机。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

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。

实施例一：

以下列举了本公开的一个较佳实施案例，该实施例公开了一种双直线电机差动微进给伺服系统，所述系统主要是通过对直线电机的工作形式的改变，构成由双直线电机驱动的上、下两级工作台，避免低速非线性爬行现象的影响，让系统能够解决现有技术中较低的稳定速度限制，并且实现精准的微进给控制。研究过程中，发明人在研究工作台爬行机理的基础上，对新型低速微进给系统进行了静态和动态分析，深入研究了各种影响因素对微进给系统固有特性和动态特性的影响规律；在自适应模型跟随控制(AMFC)算法和同步控制基础上提出了一种新的全闭环瞬时恒差速交叉耦合控制方法。

如附图3所示，在该实施例中，一种双直线电机差动微进给伺服系统，包括两个直线电机、上工作台、下工作台、位移检测装置、位置反馈模块、CNC运动控制器。

所述位置检测/反馈装置是指光栅尺，检测对象和检测量是工作台的位移，检测到的位移反馈给CNC上位机，与理论位移作差，以差值作为控制参数。

其中驱动装置B中的直线电机驱动下工作台直线运动，驱动装置A中的直线电机驱动上工作台作与下工作台反向且速度大小相近的直线运动，并且两个直线电机分别由一套伺服驱动系统驱动；其中的位置反馈模块将信号反馈给CNC上位机，上位机根据工作台给出的运动要求，将两个电机在宏观下的运动指令按照一定的算法分配给两个伺服驱动系统，经过所述驱动装置A和B中直线电机的两个宏观直线运动的合成，完成对工作台的微量进给控制；所以本公开的核心思想是通过“一个直线电机驱动下工作台直线运动”和“一个直线电机驱动上工作台直线运动”两种直线运动(瞬时速度大小相近，方向相反)的宏观运动叠加而成，这里需要说明的是，上下两工作台瞬时速度大小相差很小，且保证运动方向相反，上下两工作台的速度差控制在微米级每秒的范围；进而实现高精度的微进给控制，从根本上消除了直线运动的爬行现象。

为了对驱动装置A和B中的工作台进行区分，本实施例中将驱动装置A和B中的工作台分别命名为上工作台和下工作台；驱动上工作台的直线电机的底座和下工作台的台面通过钢板固定连接，上、下工作台工作行程比为1：1.5，这里需要说明的是上工作台的有效行程比下工作台的有效行程短，下工作台的有效行程约为上工作台有效行程的1.5倍；驱动装置B中的直线电机控制下工作台运动，同时驱动装置A中的直线电机控制上工作台作与下工作台反向同速的运动，两工作台的宏观运动叠加，合成微量进给。

所述两个伺服驱动系统，包括驱动装置A的伺服驱动系统和驱动装置B的伺服驱动系统，所述伺服控制系统包括CNC控制器，CNC运动控制器是根据接收到的信号、位置反馈模块或者速度/位置/电流检测器的实时位置反馈信号来控制的，采用自适应模型跟随控制(AMFC)算法或其它控制算法使输入的控制参数形成驱动信号来驱动伺服电机；运动控制器内置于计算机中，控制和协调两台伺服电机的运动，并通过“一个直线电机驱动下工作台直线运动”和“一个直线电机驱动上工作台直线运动”两种直线运动(瞬时速度大小相近，方向相反)的宏观运动叠加而成，实现了高分辨率、低速微进给控制。

所述速度/位置/电流检测器(为一个检测器)用来检测速度/位置/电流，与所述的直线电机连接，来感应电机的速度/位置/电流信息，然后反馈给所述分别的伺服驱动系统。

所述CNC运动控制器，依据工作台给定运动要求，按照一定的算法分配驱动装置A中直线电机和驱动装置B中直线电机的指令，来协调和控制两直线电机的直线运动，上工作台在与之对应的直线电机单独驱动下沿X轴的直线运动速度用V1表示；下工作台在与之对应的直线电机单独驱动下沿X轴做直线运动速度用V2表示；最后，在双直线电机驱动下，两工作台合成的速度作为工作台的实际位移，由于上下工作台均是在远大于临界爬行速度的高速下运动，可以消除上下工作台与导轨之间因摩擦非线性导致的爬行，而上下工作台的运动方向相反，速度差极小时，差动合成的速度极小，可达到微米级每秒的范围，进而避开了工作台低速运动时的爬行现象，使工作台获得传统伺服系统难以获得的高精度微进给运动。

如图1，一种双直线电机驱动的微进给伺服系统可以配备各种传感器：温度传感器、压力传感器、噪声传感器、加速度传感器、位移传感器(光栅尺或激光干涉仪)等，实时监测系统动态，并反馈给CNC，根据系统参数的变化调整并发送插值分配指令，所述驱动装置A与驱动装置B中的直线电机实现瞬时差动。

与上述实施例相结合，所述温度传感器装在拖链固定端处，用来检测拖链温升；所述压力传感器安装在上工作台处检测驱动力；所述噪声传感器也安装在上工作台处，检测其上的螺栓组的噪声；所述加速度传感器安装在下工作台上，检测工作台的振动。

所述伺服驱动系统包括：驱动装置A的伺服驱动系统和驱动装置B的伺服驱动系统、差动位置比较器和位置反馈模块，两种伺服驱动系统包括速度控制电路、位置控制电路、电流控制电路和比较器；

所述差动比较器用来将理论位移量与实测工作台位移量作差；所述的速度、位置、电流控制器分别控制工作台速度、位移及电机电流，保证各自的参数稳定；所述的比较器就是将两个信号作差。

双直线电机差动微进给伺服系统，通过“一个直线电机驱动下工作台直线运动”和“一个直线电机驱动上工作台直线运动”两种直线运动(瞬时速度大小相近，方向相反)的宏观运动叠加而成，因此，避免了传统机电伺服系统结构固有特性所造成的不可避免的低速非线性爬行现象的影响，实现了高精度的微进给控制，从根本上消除了直线运动的爬行影响；这种新型的进给伺服系统具有优良的性能，可以应用于当今数控设备制造业，制造成本极低，机器精度和性能高；鉴于提出的“双直线电机”伺服进给系统，研究其微进给特性对我国高端数控设备和超精密前沿技术的发展具有重要意义和广阔的应用前景。

本公开的优点如下：该双直线电机差动微进给系统，它具有低速性能好、响应快、量程大、承载能力强、传动刚度大、易于控制等优点，本公开提出了一种双直线电机差动微进给系统，上、下两工作台实现瞬时差动，使其宏观进给运动叠加形成微量进给，可以克服传统进给机构在低速时出现的爬行现象。

实施例二：

本实施例中，基于前馈PID和自适应模型跟随控制(AMFC)算法，提出了一种可嵌入数控系统的全闭环瞬时恒差速交叉耦合控制方法；对上下两工作台的位移进行差分，然后求导数；利用自适应模型跟随控制(AMFC)算法对微分位移和微分速度，以及通过差分得到的理论位移和速度信号进行优化，最后利用优化后的输出信号对伺服电机进行控制。

与两轴相比，开环控制可以实现更高精度的微进给，实验研究了新型进给系统运行中的低速爬行现象，并根据系统参数揭示了新型进给系统的微动特性。

新型伺服系统开环控制状态下的微进给特性分析：为了验证在未加入同步控制时新型进给机构的微动特性，在两轴形成开环状态下，基于常规PID控制根据所建立的微量进给系统动力学模型，利用传递函数框图表征新型可动导轨微量进给系统的运动关系，如图2所示，展示了双直线电机差动微进给伺服系统开环传递函数框图，通过仿真软件的仿真和实验,分析了不同驱动方式下工作台输出速度波动的差异。

本公开提出的全闭环瞬时恒差速交叉耦合控制方法。虽然上、下两工作台的独立运动是闭环控制，但本公开的研究对象要求两者在启动、停止和平稳运行三个阶段实现位移和速度的同步。然而，这两个轴实际上是开环的。基于数控系统的恒差速和自适应模型跟随控制(AMFC)控制算法，寻求一种特别适用于新型微进给系统的控制方法，提出微动全闭环瞬时同步耦合控制策略，如图4所示，展示了双直线电机差动微进给进给伺服系统全闭环恒差速交叉耦合控制结构图，上、下两工作台是交叉耦合的，耦合量作为控制信号输入控制系统。

实施例三：

在本实施例中，基于一种双直线电机差动微进给伺服系统及控制方法，本发明的研究内容如下：

(1)伺服进给系统工作台产生爬行的机理研究及建模：

①差动导轨结合部静动态特性研究；

②伺服进给系统工作台在低速进给时的爬行建模及参数辨识；

(2)构建考虑摩擦影响的新型差动微量进给系统的机电耦合动力模型：

①新型微量进给伺服系统的运动学分析；

②低速进给时新型传动系统的动力学建模及参数辨识；

③复杂工况下的新型传动系统摩擦建模及摩擦观测器技术研究。

(3)可嵌入数控系统的恒差速交叉耦合控制及微进给特性实验研究：

①基于现代控制算法的精确微进给控制方法研究；

②新型传动系统的微动进给特性试验研究。

进行仿真分析和模型修缮，包括如下步骤：

(1)新型微量进给伺服系统搭建及导轨结合部爬行机理分析与建模：

①创新性的设计双直线电机驱动的差动进给机构，基于正交试验和有限元法对整体结构进行优化；

②根据机床爬行机理的深入分析，建立机床爬行的物理模型及相应的数学模型。

(2)新型微量进给伺服系统差动工作台低速进给时动力学分析与机电耦合建模：

①利用微分几何原理分析系统的运动状态，建立系统的运动学方程；

②建立考虑轴向、径向、弯曲变形、摩擦及电机特性的机电耦合动力学模型并对不同工况下的进给系统进行频响特性分析；

③开环控制状态下新型伺服系统的微进给特性分析。

(3)微动全闭环瞬时恒差速交叉耦合控制策略、试验研究及理论模型修缮：

①基于前馈PID及自适应模型跟随控制(AMFC)算法开发全闭环瞬时恒差速交叉耦合控制新方法；

②全闭环微动特性试验研究、基于自适应差分进化算法的参数辨识及理论模型修缮。

上述的一种双直线电机差动微进给伺服系统，在CNC控制器的控制下，有多种工作模式，如：驱动装置A中的直线电机单独驱动、驱动装置B中的直线电机单独驱动、双直线电机差动驱动、双直线电机同步驱动，不同的模式有不同的工作性能以满足不同领域的工作要求。

上述实施例提供的一种双直线电机差动微进给伺服系统及控制方法完全可以实现，具有广阔应用前景。

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

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开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公开的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种双直线电机差动微进给伺服系统，其特征在于，包括驱动装置A和驱动装置B；所述驱动装置A和B均包括直线电机和工作台，所述驱动装置A固定于所述驱动装置B的工作台；所述直线电机驱动工作台运动，所述驱动装置A和B中工作台的运动瞬时速度大小不等，且方向相反；通过两者的运动叠加，两工作台差动合成微量进给；所述双直线电机差动微进给伺服系统具体控制时，采用全闭环瞬时差速交叉耦合控制方法对直线电机的驱动信号进行优化，达到对双直线电机的高精密快速控制和抑制干扰的能力，所述全闭环瞬时差速交叉耦合控制方法，对所述驱动装置A和B中工作台的位移进行差分，然后求导，利用自适应模型跟随控制算法AMFC对微分位移和微分速度，以及通过差分得到的理论位移和速度信号进行优化，最后利用优化后的输出信号对伺服电机进行控制。

2.如权利要求1所述的一种双直线电机差动微进给伺服系统，其特征在于，所述驱动装置A和B中的工作台分别采用独立的直线电机驱动，所述驱动装置B中的工作台与所述驱动装置A中直线电机的底座固定连接。

3.如权利要求1所述的一种双直线电机差动微进给伺服系统，其特征在于，所述驱动装置A和B中的直线电机采用永磁直线电机，所述永磁直线电机分别和各自对应的速度/位置/电流检测器相连接，用来感知直线电机的速度/位置/电流信息，并且反馈给各自的伺服信号接线端子板。

4.如权利要求1所述的一种双直线电机差动微进给伺服系统，其特征在于，所述直线电机是运动控制卡和工作台之间的纽带，它按照上位机控制指令进行运动，驱动直线运动，并且传递给接线端子板，用于反馈伺服信号。

5.如权利要求1所述的一种双直线电机差动微进给伺服系统，其特征在于，所述驱动装置A和B分别采用独立的伺服驱动系统进行控制。

6.如权利要求5所述的一种双直线电机差动微进给伺服系统，其特征在于，所述伺服驱动系统包括速度控制电路、电流控制电路、比较器，根据收到的速度、位移、电流信息对直线电机进行控制。

7.如权利要求6所述的一种双直线电机差动微进给伺服系统，其特征在于，所述系统中除了设置有分别监控驱动装置A和B中工作台的两副光栅外，还设置一副差动光栅，当两工作台速度差极小时，通过所述差动光栅检测两工作台差动合成的位移。

8.一种直线电机差动微进给伺服系统的控制方法，其利用了如权利要求1-7任一项所述的一种双直线电机差动微进给伺服系统，其特征在于，包括如下步骤：

根据工作台给定的运动要求，通过上位机发送控制指令对驱动装置A和B中的直线电机进行控制，设置所述驱动装置A和B中工作台大小相近且方向相反的瞬时速度，通过两者的运动叠加，两工作台差动合成微量进给，从而避开爬行现象的影响；同时将获取的直线电机伺服信号反馈给上位机。

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