CN112872435B - 一种ac型双摆头五轴联动机床多轴伺服匹配方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种AC型双摆头五轴联动机床多轴伺服匹配方法及装置，包括：规划RTCP功能开启状态下多轴同时参与运动的空间轨迹；从处在低动态响应状态下的多个单轴中选取某一单轴作为匹配对象；将处在低动态响应状态下的其他各单轴分别与匹配对象组成匹配组合，对于每一匹配组合，圆度测试伺服匹配是指保持匹配对象的伺服系统参数不变，改变匹配组合中的另一单轴的伺服系统参数，并按设定圆形轨迹运行，用寻优算法结合评价指标确定另一单轴的伺服系统参数；利用各参数在空间轨迹下运行，并通过第二动精度评价指标来判定是否满足要求，若不满足要求，则继续进行圆度测试伺服匹配，若满足要求，则停止匹配。通过本发明匹配各单轴参数使得系统加工精度得到提高。

Description

一种AC型双摆头五轴联动机床多轴伺服匹配方法及装置

技术领域

本发明涉及一种AC型双摆头五轴联动机床多轴伺服匹配方法及装置，属于五轴联动机床伺服控制技术领域。

背景技术

随着近年来与高速转轴相结合的五轴联动机床在高精密的复杂曲线加工中应用地越来越广泛，其刀头的动精度与整体的动态性能也成为了国内外科研工作者重视的研究热点之一。目前针对五轴联动机床伺服进给系统的研究基本上集中在各个单轴伺服进给系统导致跟踪误差的原因及其对最终加工精度的影响，而对于各单轴之间伺服匹配关系对最终加工精度的影响等的研究却非常匮乏。伺服匹配是指当参与插补曲线加工的伺服轴数量为两个或两个以上时，对参与轴基于伺服系统参数进行联动性能优化与调整。此种基于已有的机械结构与控制设备进行的优化与调整仅需改变内部参数，因此相比其他优化方法成本得到大幅度降低，具有十分重要的工程意义。

在伺服匹配方面，对于多轴参与运动的机械系统如五轴联动机床等尚未有较好的伺服匹配优化方法。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供适用于具有RTCP功能的五轴联动机床上的多轴轴间伺服匹配技术从而实现对机床精度的优化。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种AC型双摆头五轴联动机床多轴伺服匹配方法，所述机床包括三个平动轴以及A轴和C轴两个转动轴，A轴连接在C轴的下端，包括以下步骤：

规划在五轴联动机床的RTCP功能处于开启状态下多轴同时参与运动的空间轨迹；

分析各单轴在设定圆形轨迹下的动态响应状态，从处在低动态响应状态下的多个单轴中选取某一单轴作为匹配对象；

将处在低动态响应状态下的其他各单轴分别与所述匹配对象组成匹配组合，对每一匹配组合进行在所述设定圆形轨迹下的圆度测试伺服匹配，

对于每一匹配组合，所述圆度测试伺服匹配是指保持所述匹配对象的伺服系统参数不变，改变所述匹配组合中的另一单轴的伺服系统参数，并按所述设定圆形轨迹运行，利用寻优算法结合第一加工精度评价指标和第一动精度评价指标确定所述另一单轴的伺服系统参数；

利用圆度测试伺服匹配确定的各单轴的伺服系统参数，并保持未参与圆度测试伺服匹配的单轴的初始参数不变，在所述空间轨迹下运行，并通过第二动精度评价指标来判定是否满足要求，若不满足要求，则继续进行圆度测试伺服匹配，若满足要求，则停止匹配。

可选地，所述空间轨迹为8字形轨迹。

可选地，所述处在低动态响应状态是指采用以下公式计算各单轴在所述设定圆形轨迹下的频率响应特性参数，并将各频率响应特性参数小于0.5的划分为低动态响应状态

f_circle＝v/60·2πr

其中，r为设定圆形轨迹的半径；

v为设定圆形轨迹下的各单轴的转速。

可选地，所述8字形轨迹的空间轨迹的表达式为：

其中，θ_a为A轴转角；θ_c为C轴转角；A_a为A轴最大摆角；A_c为C轴最大摆角；ω_a为A轴角速度；ω_c为C轴角速度；t为时间。

可选地，所述第一加工精度评价指标是指O_A点到所述设定圆形轨迹的圆心的距离与所述设定圆形轨迹的半径的方差σ²，所述第一动精度评价指标是指各单轴在圆度测试伺服匹配中的跟随误差最大值ε_max，

其中，所述O_A点是指C轴回转轴线与A轴回转轴线交点。

可选地，所述利用寻优算法结合第一加工精度评价指标和第一动精度评价指标确定所述各单轴的伺服系统参数，包括：

获取按所述设定圆形轨迹运动过程中O_A点到所述设定圆形轨迹的圆心的距离与所述设定圆形轨迹的半径的方差σ²作为第一加工精度评价指标，获取各单轴在圆度测试中的跟随误差最大值ε_max作为第一动精度评价指标，设置优化目标函数ρ＝σ²+λ·ε_max，利用所述优化目标函数构建适应度函数，采用遗传算法对所述匹配组合进行圆度测试伺服匹配，

其中，λ为权重系数；

其中，所述适应度函数为

其中，c是大于1的常数。

可选地，所述采用遗传算法对所述匹配组合进行圆度测试伺服匹配，包括：

根据所述匹配对象与匹配组合中另一单轴的初始值组成区间范围，通过在所述区间范围内进行搜索，获得适应度函数值最高的作为优化结果。

可选地，根据所述空间轨迹表达式的一阶导数、二阶导数，结合所述空间轨迹表达式获得在所述空间轨迹下各单轴最大速度与加速度与转动轴运动状态间的约束关系，通过调整转动轴的转速使得所规划的空间轨迹在数控机床允许的范围内。

本发明还提供一种AC型双摆头五轴联动机床多轴伺服匹配装置，所述机床包括三个平动轴以及A轴和C轴两个转动轴，A轴连接在C轴的下端，包括：

空间轨迹规划模块，用于规划在五轴联动机床的RTCP功能处于开启状态下多轴同时参与运动的空间轨迹；

匹配对象确定模块，用于分析各单轴在设定圆形轨迹下的动态响应状态，从处在低动态响应状态下的多个单轴中选取某一单轴作为匹配对象；

伺服匹配模块，用于将处在低动态响应状态下的其他各单轴分别与所述匹配对象组成匹配组合，对每一匹配组合进行在所述设定圆形轨迹下的圆度测试伺服匹配，

对于每一匹配组合，所述圆度测试伺服匹配是指保持所述匹配对象的伺服系统参数不变，改变所述匹配组合中的另一单轴的伺服系统参数，并按所述设定圆形轨迹运行，利用寻优算法结合第一加工精度评价指标和第一动精度评价指标确定所述另一单轴的伺服系统参数；

验证模块，用于利用圆度测试伺服匹配确定的各单轴的伺服系统参数，并保持未参与圆度测试伺服匹配的单轴的初始参数不变，在所述空间轨迹下运行，并通过第二动精度评价指标来判定是否满足要求，若不满足要求，则继续进行圆度测试伺服匹配，若满足要求，则停止匹配。

本发明具有以下有益效果：

1、基于圆度测试的方法来匹配伺服系统参数，复杂程度低，操作性强。

2、通过将处于低动态响应状态的单轴分别在设定圆形轨迹下匹配，采用遗传算法并结合第一加工精度评价指标和第一动精度评价指标确定单轴的伺服系统参数，提高了伺服系统参数。

3、通过规划的空间轨迹结合第二动精度评价指标进一步验证伺服系统参数，确保优化所得的伺服系统参数准确。

4、采用RTCP功能解决了五轴联动机床刀尖点位置精度难于测量的问题，使得实验数据易于采集分析。

5、通过选取合理的匹配对象，大幅降低了优化成本。

附图说明

通过结合下面附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。

图1是本发明实施例的AC型双摆头五轴联动机床多轴伺服匹配方法的流程示意图；

图2是某一AC型五轴联动铣床的三维原理图；

图3a是RTCP功能关闭时摆头与刀尖点运动状态示意图；

图3b是RTCP功能开启时摆头与刀尖点运动状态示意图；

图4a是本发明实施例的x、y匹配组合在伺服匹配前设定圆形轨迹与实际圆形轨迹的对比图；

图4b是本发明实施例的x、y匹配组合在伺服匹配后设定圆形轨迹与实际圆形轨迹的对比图；

图5a是本发明实施例的x、z匹配组合在伺服匹配前设定圆形轨迹与实际圆形轨迹的对比图；

图5b是本发明实施例的x、z匹配组合在伺服匹配后设定圆形轨迹与实际圆形轨迹的对比图。

具体实施方式

下面将参考附图来描述本发明所述的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。

伺服匹配：伺服匹配是指在保证各单轴伺服进给系统稳定可控的前提下，通过调整同时参与试件加工的各单轴伺服系统参数，使各单轴系统之间的动态响应特性更相配，从而提高工件的轮廓加工精度。此处调整各单轴伺服系统参数是指仅调整PID控制参数进行匹配，各单轴的其余参数保持不变。所述PID控制参数包括位置环比例增益、速度环比例增益。在匹配完成后，在机床后续的运行过程中各参数不再变动。

如图1所示，AC型双摆头五轴联动铣床的主要结构为x轴导轨与工作台均与床身固连，x方向两边导轨各有一驱动系统同时对y轴横梁及其上负载进行沿x方向的驱动，y轴、z轴、A轴及C轴上负载均由单一驱动系统进行驱动。

该装有AC双摆头的五轴联动铣床的三维原理图如图2所示。首先建立工件坐标系，以工作台中心点O_p作为坐标系原点，过该点竖直向上的工作平面法向量为z轴，过该点作y轴横梁平行向量为y轴，由右手定则确定x轴。考虑到工作台与床身固连，工件坐标系也作为该系统中的惯性坐标系。

然后分别建立x、y、z三个方向上的导轨—滑块坐标系。分别取x、y、z方向导轨中心轴线一端端点为坐标系原点O_x、O_y、O_z，三坐标系下的x、y、z正方向均与工件坐标系相同。

最后建立A、C两旋转轴坐标系。取摆头顶端平面中心点为坐标原点O_C，x、y、z正方向与工件坐标系相同；取C轴回转轴线与A轴回转轴线交点为A轴坐标系原点O_A，x正方向沿刀主轴轴线方向，y正方向沿A轴回转轴线方向，z正方向由右手定则确定。

RTCP功能关闭与开启时摆头与刀尖点运动状态如附图3所示。在RTCP功能开启后，当输入的工件坐标系下后置指令为(x',y',z',θ_a,θ_c)时，可得各单轴进给运动指令(x,y,z,θ_a,θ_c)的关系表达式为

其中，L₀为刀尖点到A轴回转轴线的距离；Δx₀,Δy₀以及Δz₀分别为因整体几何结构而存在的x、y、z三个方向上的位移增量常数总和。

鉴于机床结构及RTCP功能，本发明采用控制变量的思想，首先基于RTCP功能(旋转刀具中心点功能)，规划了一条多轴参与的，运动状态可控的三维空间轨迹；然后，通过综合考察误差累积以及电机性能与伺服性能相匹配两方面问题选取了合理的匹配对象，在伺服匹配过程中保持该匹配对象的伺服控制参数不变；接着通过圆度测试法进行两两轴间伺服匹配；最后基于规划的轨迹，对比优化前后机床动精度，以验证优化方法的有效性。本发明提出的具体优化方法流程图如附图4所示，其主要包括如下四个步骤：

S1)基于RTCP功能的轨迹规划：

通过式

可得，对A、C两轴的转动进行规划即可控制整个数控机床的位姿变化。考虑到AC型双摆头五轴联动铣床中A轴的转动范围为±90°，且避免转动轴运动中出现速度或加速度突变，采用正弦变化的方式规划转动轴的运动。同时，作为后续多轴运动伺服匹配的运动轨迹，在沿该轨迹运动时各单轴必须同时参与实际运动。综上，对A、C两轴转动进行“8”字形轨迹规划。

S2)选取匹配对象，构建匹配组合：

选取运动周期T，半径r的设定圆形轨迹，分析各平动轴在设定圆形轨迹下的动态响应状态，从处在低动态响应状态下的多个单轴中选取某一单轴作为匹配对象，将处在低动态响应状态下的其他各单轴分别与所述匹配对象组成匹配组合。

具体说，是通过式f_circle(Hz)＝v(mm/min)/60·2πr(mm)计算三平动轴在该设定圆形轨迹下的频率响应特性参数。通过考虑误差累积以及电机性能与伺服性能相匹配等各方面的问题，在处在低动态响应状态下的的各单轴中选取一轴作为匹配对象，将处在低动态响应状态下的其他各单轴与匹配对象分别构成匹配组合，以便对每个匹配组合分别进行圆度测试伺服匹配，不是处于低动态响应状态的单轴不进行圆度测试伺服匹配。

S3)基于设定圆形轨迹的多轴间伺服匹配：

对于每一匹配组合，所述圆度测试伺服匹配是指保持所述匹配对象的伺服系统参数不变，改变所述匹配组合中的另一单轴的伺服系统参数，并按所述圆形轨迹运行，利用寻优算法结合第一加工精度评价指标和第一动精度评价指标确定所述另一单轴的伺服系统参数；

选取实际运动过程中O_A点到圆心距离与理论圆半径的方差σ²作为评价机床整体轮廓加工精度的第一加工精度评价指标；同时为维持各单轴跟随性能在一定水平，选取各单轴在圆度测试中的跟随误差最大值ε_max作为评价机床各单轴动精度的第一动精度评价指标，具体说，可以使用机床在圆度测试下运动时的刀尖点位置变化大小的方差作为机床各单轴动精度评价指标。根据这两个评价指标构建优化目标函数ρ＝σ²+λ·ε_max，利用所述优化目标函数构建适应度函数，例如，x轴是匹配对象，x轴和y轴是一个匹配组合，x轴和z轴是一个匹配组合，采用遗传算法分别对x，y轴间控制参数K_pp、K_pv以及x，z轴间控制参数K_pp、K_pv进行匹配。

其中，λ为权重系数，为常数，其具体大小在综合考虑实际工作情况下机床单轴跟随性能要求以及机床整体轮廓加工精度要求后选定。

S4)验证基于所述空间轨迹的多轴伺服匹配优化效果：

经过伺服匹配后可以确定匹配组合中的另一单轴的伺服系统参数，保持匹配对象以及不是匹配组合中的单轴的参数为初始参数，将各参数代入步骤1中的空间“8”字形空间轨迹表达式中，可得到运动状态可控的具体的“8”字形运动轨迹。以在运动开始前与刀尖点重合的点O′到O_A的距离与L₀的方差作为第二动精度评价指标。该距离是指O_A点到O′的距离，理论上该距离在运动过程中始终等于L₀，但由于各种误差存在导致并不一致。该指标在RTCP功能下易于通过将R-TEST检测仪传感器安装于刀尖点处从而直接测量获得。将刀具绕中心点旋转(rotation tool center point,RTCP)功能应用于数控机床运动误差检测，既可以大大减小旋转轴运动导致的离散化误差与非线性误差，提高刀尖点实际运动轨迹与理想轨迹的重合度；又极大地简化数控机床运动时刀尖点空间位置测量工作，刀尖点在运动过程中理想状态应为相对工件坐标系静止，因而其实际运动中刀尖点的运动即为出现的运动误差，作为第二动精度评价指标。

利用以上参数在SIMULINK中进行仿真，得到优化前后精度变化，如果精度无法满足第二动精度评价指标的要求，则返回步骤3继续进行匹配，如果精度满足要求，则匹配结束。

下面以一具体实施例对本发明所述方法进行说明：

本实施例中AC型五轴联动铣床结构参数及伺服系统参数初始值如表1所示。

表1五轴机床伺服进给系统初始参数

本发明方法的具体实施步骤如下：

1)基于RTCP功能的轨迹规划：

基于旋转轴的“8”字形轨迹表达式为

点O_A在空间中一个完整周期内运动形成的理想轨迹如附图5所示。

对上式求导得

v_x、v_y、v_z分别是x轴、y轴、z轴的速度。

分析该式可得各平动轴速度与A、C两轴角速度约束关系为

|v|≤L₀·max{|ω_amax|,|ω_cmax|}

再次求导得

a_x、a_y、a_z分别是x轴、y轴、z轴的加速度。

分析该式可得各平动轴加速度与A、C两轴角速度、角加速度的约束关系为

|a|≤L₀·[max{|α_amax|,|α_cmax|}+ω_amax ²+ω_cmax ²]

对前述的“8”字形轨迹，对式

求导可得

将该式代入式

|v|≤L₀·max{|ω_amax|,|ω_cmax|}；|a|≤L₀·[max{|α_amax|,|α_cmax|}+ω_amax ²+ω_cmax ²]

可得在该空间轨迹下各单轴最大速度与加速度与转动轴运动状态间的约束关系。通过调整轨迹定义公式中参数ω的值就可以限制平动轴的速度、加速度在运行过程中的最大值。通过这种约束关系，可以方便地得到所设计的空间轨迹运动状态在数控机床允许的范围内，保证编程轨迹与数控机床实际驱动轨迹一致。

2)选取匹配对象，构建匹配组合：

考虑到涉及的AC型五轴联动铣床的平动轴采用的是西门子1FT7某型电机，其额定转速为3000r/min；旋转轴采用的是西门子1FT7某型电机，其额定转速为4500r/min，根据上述的基于转动轴的“8”字形轨迹规划下，转动轴运动周期与平动轴额定最大速度之间的具体数值关系，为与后续在特定轨迹下多轴联动时运动速度相匹配(简单来说是转动轴运动周期过小会导致平动轴运动速度超限)。圆形轨迹参数选取优选满足以下两点：

圆度测试时各平动轴的速度与“8”字形轨迹规划下的运动速度相差不大，即在做两种运动时各平动轴处于相同等级的动态响应状态下；

圆度测试以及后续“8”字形轨迹下运动时平动轴速度不超限。

本实施例中，“8”字形轨迹规划下的运动周期是30s，转动轴摆动幅值为pi/6，因此选取运动周期T＝30s，半径r＝250mm的圆轨迹进行圆度测试。首先通过式

f_circle(Hz)＝v(mm/min)/60·2πr(mm)

计算三平动轴在该圆轨迹下的频率响应特性参数。其中，f_circle是频率响应特性参数，各单轴速度v的计算，对于三平动轴，可以是通过r·2·2/(T/60)计算，本实施例计算得到2000，由此计算可得三平动轴频率响应特性参数为0.02，均小于0.5Hz，同为低动态响应状态，轴间可进行圆度测试匹配；A轴与C轴的频率响应特性参数是大于0.5Hz的，处于高动态响应状态，无法与x、y、z进行匹配。因此对x、y、z三平动轴轴间进行伺服匹配。判断A轴与C轴属于高动态响应状态的原因有两点：1)实际运动测试过程当中转动轴的动态响应特性要明显优于各平动轴；2)理论上之前的所述空间轨迹的规划是基于转动轴进行的，即伺服控制系统中会先直接给定转动轴位置指令，而在RTCP功能下各平动轴的位置指令需要系统内部函数进行计算得出，因此会有响应延迟。

在选取匹配对象时考虑到误差累积以及电机性能与伺服性能相匹配两方面问题：

1.y、z、A、C四轴系统结构均安装于x轴导轨上，机床实际运行过程中x轴动态性能如高速运动时的微振等将会影响到其余四轴的定位精度；

2.x方向负载最大，行程也较大，对于x、y、z、A、C五个轴若要达到相同的最大速度及运动精度，x轴所需要的成本更大。

综合考虑以上两方面问题，在保证机床运行平稳的条件下以最小的成本消耗实现相对较好的机床性能，选择x轴伺服系统为匹配对象，由此，x、y构成匹配组合，x、z构成匹配组合。

3)基于圆度测试法的多轴间伺服匹配：

确定优化值搜索的区间范围，根据表1中各单轴的初始PID参数确定，因为选择了x轴作为匹配对象，因此x轴的PID参数在匹配过程中保持不变，因此在y轴向x轴匹配时，区间范围就变成了y轴的初始参数到x轴的初始参数构成的范围。在z轴向x轴匹配时，区间范围就变成了z轴的初始参数到x轴的初始参数构成的范围。

由此，根据表1所得的y轴K_pp与K_pv优化值搜索范围以及z轴K_pp与K_pv优化值搜索范围分别为

y:K_pp∈[20.855,27.452]；K_pv∈[4.242,5.517]

z:K_pp∈[13.036,20.855]；K_pv∈[5.517,11.843]

适应度函数为

其中，c为大于1的常数。优化中取为100。λ取为1。遗传算法中各参数值设置如下：种群大小取为50，迭代次数100，交叉概率0.5，变异因子0.0001。

对于y轴与x轴的参数匹配，采用遗传算法进行参数优化的具体步骤如下：

1)以y轴的K_pp与K_pv两变量作为个体，随机生成初始种群；

2)将每个个体代入SIMULINK中进行仿真并通过适应度函数公式计算得到各个个体对应的适应度函数值；

3)在优化搜索范围内对种群进行选择、交叉和变异操作，得到新一代种群；

4)重复步骤2)与步骤3)，直至达到目标迭代次数。

5)从最终代种群中，选取适应度函数值最高的个体作为参数优化结果。

需要说明的是，此处的参数寻优算法可以是遗传算法，也可以是神经网络算法等。

进一步地，可以在SIMULINK中进行圆度测试仿真，优化后y轴伺服系统参数K_pp＝22.582，K_pv＝5.142，y轴的其他参数不变；z轴伺服系统参数K_pp＝17.056，K_pv＝10.043，z轴的其他参数不变；x轴与两旋转轴伺服系统参数不变，仿真结果如附图4a、4b，5a，5b所示。其中所述参数不变是指是指保持表1中给出的初始值，初始值是各机床在采用本方法优化前已经设定的参数值，因此初始值的设定方式以及说明并不包含在本优化方法中。

4)基于所述空间轨迹验证多轴伺服匹配优化效果：令ω＝π/15；根据机床刀具实际尺寸，令L0＝331.445mm。在SIMULINK中进行仿真，从仿真结果可得，经过以x轴伺服系统为匹配对象的x、y两轴伺服匹配以及x、z两轴伺服匹配后，机床多轴联动动精度明显提高。

通过与第二动精度评价指标对比，满足要求，则匹配结束。

至此，即完成了对于该AC型五轴联动铣床的基于RTCP功能的多轴轴间伺服匹配，优化了该机床的精度。

本发明还提供一种AC型双摆头五轴联动机床多轴伺服匹配装置，本发明的术语标AC型双摆头五轴联动机床多轴伺服匹配装置可以安装于电子设备中。所述电子设备可以包括处理器、存储器，还可以包括存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，例如AC型双摆头五轴联动机床多轴伺服匹配程序。其中，所述存储器至少包括一种类型的可读存储介质，所述可读存储介质包括闪存、移动硬盘、多媒体卡、卡型存储器(例如：SD或DX存储器等)、磁性存储器、磁盘、光盘等。所述处理器是所述电子设备的控制核心，利用各种接口和线路连接整个电子设备的各个部件，通过运行或执行存储在所述存储器内的程序或者模块，以及调用存储在所述存储器内的数据，以执行电子设备的各种功能和处理数据。

根据实现的功能，所述AC型双摆头五轴联动机床多轴伺服匹配装置可以包括空间轨迹规划模块、匹配对象确定模块、伺服匹配模块、验证模块，本发明所述模块是指一种能够被电子设备的处理器所执行，并且能够完成固定功能的一系列计算机程序段，其存储在电子设备的存储器中。

在本实施例中，关于各模块的功能如下：

空间轨迹规划模块，用于规划在五轴联动机床的RTCP功能处于开启状态下多轴同时参与运动的空间轨迹；

匹配对象确定模块，用于分析各单轴在设定圆形轨迹下的动态响应状态，从处在低动态响应状态下的多个单轴中选取某一单轴作为匹配对象；

伺服匹配模块，用于将处在低动态响应状态下的其他各单轴分别与所述匹配对象组成匹配组合，对每一匹配组合进行在所述设定圆形轨迹下的圆度测试伺服匹配，

对于每一匹配组合，所述圆度测试伺服匹配是指保持所述匹配对象的伺服系统参数不变，改变所述匹配组合中的另一单轴的伺服系统参数，并按所述设定圆形轨迹运行，利用寻优算法结合第一加工精度评价指标和第一动精度评价指标确定所述另一单轴的伺服系统参数；

验证模块，用于利用圆度测试伺服匹配确定的各单轴的伺服系统参数，并保持未参与圆度测试伺服匹配的单轴的初始参数不变，在所述空间轨迹下运行，并通过第二动精度评价指标来判定是否满足要求，若不满足要求，则继续进行圆度测试伺服匹配，若满足要求，则停止匹配。

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

Claims (9)

1.一种AC型双摆头五轴联动机床多轴伺服匹配方法，所述机床包括三个平动轴以及A轴和C轴两个转动轴，A轴连接在C轴的下端，其特征在于，包括以下步骤：

规划在五轴联动机床的RTCP功能处于开启状态下多轴同时参与运动的空间轨迹；

分析各单轴在设定圆形轨迹下的动态响应状态，从处在低动态响应状态下的多个单轴中选取某一单轴作为匹配对象；

将处在低动态响应状态下的其他各单轴分别与所述匹配对象组成匹配组合，对每一匹配组合进行在所述设定圆形轨迹下的圆度测试伺服匹配，

对于每一匹配组合，所述圆度测试伺服匹配是指保持所述匹配对象的伺服系统参数不变，改变所述匹配组合中的另一单轴的伺服系统参数，并按所述设定圆形轨迹运行，利用寻优算法结合第一加工精度评价指标和第一动精度评价指标确定所述另一单轴的伺服系统参数；

利用圆度测试伺服匹配确定的各单轴的伺服系统参数，并保持未参与圆度测试伺服匹配的单轴的初始参数不变，在所述空间轨迹下运行，并通过第二动精度评价指标来判定是否满足要求，若不满足要求，则继续进行圆度测试伺服匹配，若满足要求，则停止匹配。

2.如权利要求1所述的一种AC型双摆头五轴联动机床多轴伺服匹配方法，其特征在于：

所述空间轨迹为8字形轨迹。

3.如权利要求2所述的一种AC型双摆头五轴联动机床多轴伺服匹配方法，其特征在于：

所述处在低动态响应状态是指采用以下公式计算各单轴在所述设定圆形轨迹下的频率响应特性参数，并将各频率响应特性参数小于0.5的划分为低动态响应状态

f_circle＝v/60·2πr

其中，f_circle是频率响应特性参数；

r为设定圆形轨迹的半径；

v为设定圆形轨迹下的各单轴的转速。

4.如权利要求2所述的一种AC型双摆头五轴联动机床多轴伺服匹配方法，其特征在于：

所述8字形轨迹的空间轨迹的表达式为：

其中，θ_a为A轴转角；θ_c为C轴转角；A_a为A轴最大摆角；A_c为C轴最大摆角；ω_a为A轴角速度；ω_c为C轴角速度；t为时间。

5.如权利要求2所述的一种AC型双摆头五轴联动机床多轴伺服匹配方法，其特征在于：

所述第一加工精度评价指标是指O_A点到所述设定圆形轨迹的圆心的距离与所述设定圆形轨迹的半径的方差σ²，所述第一动精度评价指标是指各单轴在圆度测试伺服匹配中的跟随误差最大值ε_max，

其中，所述O_A点是指C轴回转轴线与A轴回转轴线交点。

6.如权利要求5所述的一种AC型双摆头五轴联动机床多轴伺服匹配方法，其特征在于：

所述利用寻优算法结合第一加工精度评价指标和第一动精度评价指标确定所述各单轴的伺服系统参数，包括：

获取按所述设定圆形轨迹运动过程中O_A点到所述设定圆形轨迹的圆心的距离与所述设定圆形轨迹的半径的方差σ²作为第一加工精度评价指标，获取各单轴在圆度测试中的跟随误差最大值ε_max作为第一动精度评价指标，设置优化目标函数ρ＝σ²+λ·ε_max，利用所述优化目标函数构建适应度函数，采用遗传算法对所述匹配组合进行圆度测试伺服匹配，

其中，λ为权重系数；

其中，所述适应度函数为

其中，c是大于1的常数。

7.如权利要求6所述的一种AC型双摆头五轴联动机床多轴伺服匹配方法，其特征在于：所述采用遗传算法对所述匹配组合进行圆度测试伺服匹配，包括：

根据所述匹配对象与匹配组合中另一单轴的初始值组成区间范围，通过在所述区间范围内进行搜索，获得适应度函数值最高的作为优化结果。

8.如权利要求4所述的一种AC型双摆头五轴联动机床多轴伺服匹配方法，其特征在于：

根据所述空间轨迹的表达式的一阶导数、二阶导数，结合所述空间轨迹的表达式获得在所述空间轨迹下各单轴最大速度与加速度与转动轴运动状态间的约束关系，通过调整转动轴的转速使得所规划的空间轨迹在数控机床允许的范围内。

9.一种AC型双摆头五轴联动机床多轴伺服匹配装置，所述机床包括三个平动轴以及A轴和C轴两个转动轴，A轴连接在C轴的下端，其特征在于，包括：

空间轨迹规划模块，用于规划在五轴联动机床的RTCP功能处于开启状态下多轴同时参与运动的空间轨迹；

匹配对象确定模块，用于分析各单轴在设定圆形轨迹下的动态响应状态，从处在低动态响应状态下的多个单轴中选取某一单轴作为匹配对象；

伺服匹配模块，用于将处在低动态响应状态下的其他各单轴分别与所述匹配对象组成匹配组合，对每一匹配组合进行在所述设定圆形轨迹下的圆度测试伺服匹配，

对于每一匹配组合，所述圆度测试伺服匹配是指保持所述匹配对象的伺服系统参数不变，改变所述匹配组合中的另一单轴的伺服系统参数，并按所述设定圆形轨迹运行，利用寻优算法结合第一加工精度评价指标和第一动精度评价指标确定所述另一单轴的伺服系统参数；

验证模块，用于利用圆度测试伺服匹配确定的各单轴的伺服系统参数，并保持未参与圆度测试伺服匹配的单轴的初始参数不变，在所述空间轨迹下运行，并通过第二动精度评价指标来判定是否满足要求，若不满足要求，则继续进行圆度测试伺服匹配，若满足要求，则停止匹配。

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