CN112000011A - 小龙门数控加工中心的机电耦合分析与优化方法 - Google Patents

Abstract

一种小龙门数控加工中心的机电耦合分析与优化方法，该方法包括以下内容：(1)建立小龙门数控加工中心机电耦合模型；(2)确定机电参数作为设计变量并确定变量空间、综合响应效率和响应精度作为评价指标，采用全因子设计法设计方法创建样本点，修改机电耦合模型中的参数，得到响应值；(3)构造极限学习机(ELM)，并将所选的机电参数、响应值作为样本数据，建立映射规律；(4)采用二进制引力搜索算法(RGSA)对极限学习机进行优化，获取最优响应值。本发明通过分析机电参数对小龙门数控加工中心动态性能的影响，对机械参数和控制参数进行优化，对样机的生产制造具有指导意义。

Description

小龙门数控加工中心的机电耦合分析与优化方法

技术领域

本发明属于机床制造领域，尤其涉及一种小龙门数控加工中心的机电耦合分析与优化方法。

背景技术

小龙门数控加工中心采用门型封闭式结构，具有刚性好，轻型重载，加工精度高及主轴高度限制小等优点，特别适合于品种多样化、异型精密零部件的加工，在很多应用领域已逐渐取代大、中型立式加工中心，应用前景非常广阔。研发高性能的小龙门数控加工中心对工业产业的发展具有重大意义。

小龙门数控加工中心是一种典型的机电一体化设备，其工作需要伺服驱动、控制单元和机械结构的密切相互作用，整体性能有由这些系统协同决定。传统设计制造方法一般是将各个系统组件分工设计制造之后再联合组装，没有考虑系统间耦合关系，使得最终性能受到不同程度的影响。

因此，在设计制造过程中需要建立系统间的机电耦合关系，得到机械结构和控制参数对性能的耦合影响规律，在此基础上进行优化设计，最大程度地提高设计质量和设计效率。

发明内容

本发明提供一种小龙门数控加工中心的机电耦合分析与优化方法，基于小机电耦合模型，探究关键机电参数对性能的影响规律，优化和指导小龙门数控加工中心的设计制造。

基于此，本发明采用如下技术方案：

步骤1：建立小龙门数控加工中心机电耦合模型；

步骤2：确定机电参数作为设计变量、综合响应效率和响应精度作为评价指标，采用Box-Benhnken设计方法创建样本点，修改机电耦合模型中的参数，得到响应值；

步骤3：构造ELM，并将步骤2所得的机电参数、响应值作为样本数据，建立映射规律；

步骤4：采用RGSA算法对ELM进行优化，获取最优响应值。

进一步地，步骤1所述小龙门数控加工中心机电耦合模型，机械传动系统主要包括齿轮、轴承、丝杆等，控制系统主要包含位置环、速度环、电流环等。

进一步地，步骤1所述小龙门数控加工中心机电耦合模型，具体包括：

(1)设置初始材料属性和几何参数，确定丝杆轴等效转动惯量J_Equ、丝杆轴等效阻尼系数f_Equ、丝杆轴等效刚度K_Equ、丝杆导程S₀、齿轮减速比i。机械传动系统中输出位移X_P与电动机转角θ的传递函数为：

(2)对于控制系统，电机输入电压F、位置反馈电压P_f、位置调节器比例增益K₁、位置反馈系数K_P、速度反馈电压V_f、速度调节器比例增益K₂、速度反馈系数K_V、积分时间T₂、电动机转速ω、整流放大系数K_Z、滞后时间T_Z、反电动势K_e、机械时间常量T_m、电气时间常量T_d。

电机转速ω与转角θ传递函数为：

位置反馈电压P_f与输出位移X_P的传递函数为：

P_f(S)＝K_PX_P(S)

速度反馈电压V_f与电机转速ω的传递函数为：

V_f(S)＝K_Vω(S)

(3)所述小龙门数控加工中心机电耦合模型结构图如附图2所示，对应机电耦合控制系统状态空间模型为：

式中：

B＝[K₁ K₁K₂ 0 0 0 0 0]^T

进一步地，步骤2所述机电参数为位置环增益K₁、速度环增益K₂、丝杆轴等效阻尼系数f_Equ、丝杆轴等效刚度K_Equ。

进一步地，步骤2所述综合评价指标：

C＝αC₁+(1-α)C₂，

式中α为0～1之间的权重系数、C₁为精度评价指标、C₂为效率评价指标；

如附图1所示，x₂为设定位置，x₁达到设定位置时对应的实际位置、t_e为测试结束时间、t_c为实际达到稳定时间、t_p为设定停止时间，根据图示关系：

C₁＝x₁/x₂

进一步地，步骤2所述全因子设计法共有3⁴＝81组样本点，样本空间为[0.75R，1.25R]，其中R为变量初始值即机电初始参数。

进一步地，步骤3所述ELM测试集为样本数据的95％，测试集为样本数据的5％。

进一步地，步骤4所述RGSA算法优化对象为步骤3所述ELM隐藏层权重 w和偏移b。

附图说明

图1是响应效率和响应精度描述示意图。

图2是小龙门数控加工中心机电耦合模型结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、方案和优点更清楚，兹例举以下实施例，结合附图对本发明作进一步地详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

参见图1和图2，本发明以一种实际小龙门数控加工中心系统设计为例，对本发明进行详细说明。系统初始参数为：K_P＝1，K_V＝0.025，T₂＝0.139s，K_Z＝40， T_Z＝0.003s，K_e＝1.04，T_m＝0.05s，T_d＝0.009s，J_Equ＝20kg·m²，S₀＝5mm，i＝1.7， K₁＝0.3，K₂＝25，f_Equ＝25s·N·m，K_Equ＝40N·m。

具体地，本发明所述的一种小龙门机床的机电耦合分析与优化方法，包括以下步骤：

步骤1：结合实际参数建立小龙门数控加工中心机电耦合模型，具体包括：

(1)设置初始材料属性和几何参数，确定丝杆轴等效转动惯量J_Equ、丝杆轴等效阻尼系数f_Equ、丝杆轴等效刚度K_Equ、丝杆导程S₀、齿轮减速比i。机械传动系统中输出位移X_P与电动机转角θ的传递函数为：

(2)对于控制系统，电机输入电压F、位置反馈电压P_f、位置调节器比例增益K₁、位置反馈系数K_P、速度反馈电压V_f、速度调节器比例增益K₂、速度反馈系数K_V、积分时间T₂、电动机转速ω、整流放大系数K_Z、滞后时间 T_Z、反电动势K_e、机械时间常量T_m、电气时间常量T_d。

电机转速ω与转角θ传递函数为：

位置反馈电压P_f与输出位移X_P的传递函数为：

P_f(S)＝K_PX_P(S)

速度反馈电压V_f与电机转速ω的传递函数为：

V_f(S)＝K_Vω(S)

(4)所述小龙门数控加工中心机电耦合模型结构，对应机电耦合控制系统状态空间模型为：

式中：

B＝[K₁ K₁K₂ 0 0 0 0 0]^T

步骤2：确定位置环增益K₁、速度环增益K₂、丝杆轴等效阻尼系数f_Equ、丝杆轴等效刚度K_Equ作为设计变量、综合响应效率和响应精度作为评价指标，采用全因子设计法创建81个样本点，样本空间为[0.75R，1.25R]，其中R为变量初始值即机电初始参数，修改机电耦合模型中的参数，得到响应值，具体如表1 所示。

表1样本点及其响应值

步骤3：构造ELM，并将步骤2所得的机电参数、响应值作为样本数据，其中74组作为训练集、7组作为测试集，对ELM进行训练，建立映射规律。

步骤4：采用RGSA算法对ELM隐藏层权重w和偏移b进行优化，获取最优响应值，最终优化结果如表2所示。

表2优化前后机电参数及其响应值

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种小龙门数控加工中心的机电耦合分析与优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：建立小龙门数控加工中心机电耦合模型，具体包括：

(1)设置初始材料属性和几何参数，确定丝杆轴等效转动惯量J_Equ、丝杆轴等效阻尼系数f_Equ、丝杆轴等效刚度K_Equ、丝杆导程S₀、齿轮减速比i。机械传动系统中输出位移X_P与电动机转角θ的传递函数为：

(2)对于控制系统，电机输入电压F、位置反馈电压P_f、位置调节器比例增益K₁、位置反馈系数K_P、速度反馈电压V_f、速度调节器比例增益K₂、速度反馈系数K_V、积分时间T₂、电动机转速ω、整流放大系数K_Z、滞后时间T_Z、反电动势K_e、机械时间常量T_m、电气时间常量T_d。

电机转速ω与转角θ传递函数为：

位置反馈电压P_f与输出位移X_P的传递函数为：

P_f(S)＝K_PX_P(S)

速度反馈电压V_f与电机转速ω的传递函数为：

V_f(S)＝K_Vω(S)

(3)所述小龙门数控加工中心机电耦合模型结构，对应机电耦合控制系统状态空间模型为：

式中：

B＝[K₁ K₁K₂ 0 0 0 0 0]^T

步骤2：确定机电参数作为设计变量并确定变量空间、综合响应效率和响应精度作为评价指标，采用全因子设计法创建样本点，修改机电耦合模型中的参数，得到响应值；

步骤3：构造ELM，并将步骤2所得的机电参数、响应值作为样本数据，建立映射规律；

步骤4：采用RGSA算法对ELM进行优化，获取最优响应值。

2.根据权利要求1所述的一种小龙门数控加工中心的机电耦合分析与优化方法，其特征在于，步骤1所述小龙门数控加工中心机电耦合模型，机械传动系统主要包括齿轮、轴承、丝杆等，控制系统主要包含位置环、速度环、电流环等。

3.根据权利要求1所述的一种小龙门数控加工中心的机电耦合分析与优化方法，其特征在于，步骤2所述机电参数为位置环增益K₁、速度环增益K₂、丝杆轴等效阻尼系数f_Equ、丝杆轴等效刚度K_Equ。

4.根据权利要求1所述的一种小龙门数控加工中心的机电耦合分析与优化方法，其特征在于，步骤2所述综合评价指标：

C＝αC₁+(1-α)C₂，

式中α为0～1之间的权重系数、C₁为精度评价指标、C₂为效率评价指标；

其中，

C₁＝x₁/x₂

式中，

x₂为设定位置，x₁达到设定位置时对应的实际位置、t_e为测试结束时间、t_c为实际达到稳定时间、t_p为设定停止时间。

5.根据权利要求1所述的一种小龙门数控加工中心的机电耦合分析与优化方法，其特征在于，步骤2所述全因子设计法共有3⁴＝81组样本点，样本空间为[0.75R，1.25R]，其中R为变量初始值即机电初始参数。

6.根据权利要求1所述的一种小龙门数控加工中心的机电耦合分析与优化方法，其特征在于，步骤3所述ELM测试集为样本数据的95％，测试集为样本数据的5％。

7.根据权利要求1所述的一种小龙门数控加工中心的机电耦合分析与优化方法，其特征在于，步骤4所述RGSA算法优化对象为步骤3所述ELM隐藏层权重w和偏移b。

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