CN113938061A - 一种降低直线进给系统速度波动的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超精密加工技术领域，具体涉及一种降低直线进给系统速度波动的方法。本发明采用双电机六次谐波转矩差半周期奇数倍控制，有效降低了直线进给系统速度波动，与对电机结构设计进行改进的方法相比，有效降低了电机设计和制造成本，与通过特殊的控制方法如自适应滑膜控制、鲁棒控制、比例‑积分‑谐振控制、转矩脉动辨识与补偿方法等相比，控制方法更简单，控制参数更易调整，系统可靠性更高，降低进给系统速度波动的效果更加明显。本发明解决了超精密加工过程中由于进给系统本身输出转矩谐波引起进给系统速度波动导致工件表面加工质量差的难题，能够实现超精密加工过程中的高精度直线运动，显著提高工件的加工质量。
Description
技术领域
本发明涉及超精密加工技术领域，具体涉及一种降低直线进给系统速度波动的方法。
背景技术
随着工业技术的更新迭代，精密与超精密加工技术的迅速发展对产品零部件的加工精度要求越来越高。伺服进给系统由伺服驱动器、永磁同步电机和机械传动装置组成，驱动工作台移动，进给系统本身有一些降低精度的内部因素，如电机结构和驱动电路的非线性引起的电机转矩的多谐波成分造成的转矩波动，会导致直线进给系统速度和位移的波动，严重影响工件表面的加工精度。
在发明专利CN104714485B：《一种微型高精度微量进给伺服系统及控制方法》中，发明了滚珠丝杠副的丝杠和螺母的差速双驱动进给的方案；在发明专利CN112077638B：《一种集成液体静压螺母主驱动型丝杠副直线进给单元》中，发明了液体静压螺母的驱动的直线进给单元。
目前，在抑制转矩波动引起进给系统速度波动的相关技术中，采取的主要措施及存在的主要问题如下：
1、从电机本身结构设计出发，对电机结构设计进行改进，如电机斜槽或斜极、使用分数槽绕组、优化绕组分布等，然而对电机结构设计进行改进将使电机设计和制造更加复杂，增加电机设计制造成本。
2、通过特殊的控制方法来抑制转矩波动，如自适应滑膜控制、鲁棒控制、比例-积分-谐振控制、转矩脉动辨识与补偿方法等，然而，这类控制方法的算法实现较为复杂，特殊控制算法的控制精度取决于控制模型的精度，系统可靠性比较低。
由于超精密加工过程中由于进给系统本身输出转矩谐波引起进给系统速度波动导致工件表面加工质量差。因此，需要对降低直线进给系统速度波动的方法进行改进。
发明内容
针对上述技术背景提到的不足，本发明的目的在于提供一种降低直线进给系统速度波动的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
本发明提出了一种降低直线进给系统速度波动的新方法。
本发明的控制对象是采用一个电机带动丝杠和一个电机带动螺母双电机控制的直线进给机构，所述双电机控制的直线进给机构的丝杠和螺母副可以是滚珠丝杠副、滑动丝杠副或者液体静压丝杠副。
本发明提出的一种降低直线进给系统速度波动的新方法包括以下步骤：对所述双驱动直线进给系统的丝杠电机和螺母电机进行电机输出转矩的推导和计算，分析所述电机输出转矩的谐波分量；对所述双驱动直线进给系统进行动力学建模，包括转动部分和滑动导轨处的摩擦建模；根据所述建立的双驱动直线进给系统动力学模型，设计所述双驱动直线进给系统的双电机控制策略；结合所述电机输出转矩的谐波分量、双电机控制策略进行谐波的差半周期奇数倍控制。
作为进一步的实现方式，所述双驱动直线进给系统选用的两个电机的电磁性能参数必须相同，包括定转子结构、绕组参数等。
作为进一步的实现方式，所述双驱动直线进给系统丝杠电机和螺母电机的等效转动惯量必须相等，所述丝杠电机的转动惯量包括丝杠电机轴、丝杠、丝杠支撑轴承，所述螺母电机的转动惯量包括螺母电机轴、丝杠螺母、螺母轴承。
作为进一步的实现方式，对所述双驱动直线进给系统的丝杠电机和螺母电机进行电机输出转矩的推导和计算，将受电机永磁体形状影响的空间方波气隙磁场进行傅里叶变换，分解为基波和3、5、7…次谐波，最后通过电磁场理论推导出，电机的输出转矩Te如式(1)所示。
式中，Tn是第n次谐波转矩的幅值，T0是电磁转矩的直流分量，Th是电机谐波分量，ωs是电机角速度，p是电机极对数。对所述电磁转矩分析知，电磁转矩除直流转矩T0外还包含6及6的倍数次谐波转矩，尤其是电机6次谐波转矩分量较大，所述谐波转矩的存在会引起速度波动。
作为进一步的实现方式，对所述双驱动直线进给系统的机械传动部分采用三自由度模型，对所述滑动导轨处的摩擦进行建模时，采用LuGre摩擦模型。
作为进一步的实现方式，对所述双驱动直线进给系统进行双电机控制时，丝杠电机和螺母电机采用相同的控制方法和控制参数。所述两电机均采用速度前馈控制，所述电机控制的位置环采用比例控制，所述电机控制的速度环采用比例积分控制。
作为进一步的实现方式，依据建立的所述机械传动部分的三自由度动力学模型整定两电机的控制参数，包括速度前馈积分增益、位置环比例增益、速度环比例增益、速度环积分增益等。
作为进一步的实现方式，结合所述电机输出转矩的谐波分量、双电机控制策略，对所述双驱动直线进给系统进行谐波的差半周期控制。所述双驱动直线进给系统进行谐波的差半周期奇数倍控制是指：当工作台所需要的转速为v时，设置丝杠电机和螺母电机转速方向叠加，两电机的转速均为v/2，但两电机启动时间不同，设置丝杠电机比螺母电机早启动△t，△t如式(2)所示
式中，
为6次转矩谐波的周期；p为电机极对数，v为工作台指令速度；N为整数，N＝0，1，2…。
作为进一步的实现方式，等丝杠电机和螺母电机同时启动稳定后，开始对零件进行加工。
本发明的有益效果：
本发明采用双电机六次谐波转矩差半周期奇数倍控制，有效降低了直线进给系统速度波动，与对电机结构设计进行改进的方法相比，有效降低了电机设计和制造成本，与通过特殊的控制方法如自适应滑膜控制、鲁棒控制、比例-积分-谐振控制、转矩脉动辨识与补偿方法等相比，控制方法更简单，控制参数更易调整，系统可靠性更高，降低进给系统速度波动的效果更加明显。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；
图1是降低直线进给系统速度波动的原理图；
图2是双驱动直线进给系统结构图；
图3是电机气隙磁场分布图；
图4是滚珠丝杠转动副为例的降低直线进给系统速度波动方法的机械传动系统三自由度动力学模型；
图5是以滚珠丝杠转动副为例提供的降低直线进给系统速度波动的控制仿真方案；
图6是滚珠丝杠转动副为例的降低直线进给系统速度波动的仿真结果图。
图中标号说明：
201—丝杠电机；202—联轴器；203—丝杠前端支撑轴承；204—螺母电机；205—丝杠螺母；206—螺母轴承；207—滑动丝杠；208—丝杠后端支撑轴承；209—导轨滑块；210—螺母轴承座；211—工作台；212—螺母电机座。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示为一种降低直线进给系统速度波动的原理及其实现方法图，包括双驱动直线进给系统、CNC指令分机、双电机前馈控制。
所述双驱动直线进给系统如图2所示，最左侧为丝杠电机201，丝杠电机201输出端连接有联轴器202，联轴器202远离丝杠电机201的一端设置有滑动丝杠207，滑动丝杠207远离联轴器202的一端设置有丝杠后端支撑轴承208，滑动丝杠207靠近联轴器202的一端附近设置有丝杠前端支撑轴承203，滑动丝杠207中部设置有丝杠螺母205，丝杠螺母205靠近丝杠后端支撑轴承208的一端的外侧面设置有螺母轴承206，丝杠螺母205靠近丝杠前端支撑轴承203一端的外侧面设置有螺母电机204，螺母轴承206下方设置有螺母轴承座210，螺母电机24下方设置有螺母电机座212，螺母电机座212侧方设置有工作台211，工作台211下方设置有导轨滑块209。
采用丝杠电机201和螺母电机204双电机控制，所述滑动丝杠207和丝杠螺母205组成丝杠螺母副，所述丝杠螺母副可以是滑动丝杠副、滚珠丝杠副、液体静压丝杠螺母副，所述丝杠螺母205的外端有螺母轴承206。
工作时，控制所述丝杠电机201和螺母电机204的转动方向，使所述滑动丝杠207和丝杠螺母205的转动方向向反，从而保证工作台211的进给速度是所述丝杠电机201和螺母电机204两电机速度驱动速度的和。
本实施例具体步骤如下：
(1)对所述双驱动直线进给系统的丝杠电机201和螺母电机204进行电机输出转矩的推导和计算，分析所述电机输出转矩的谐波分量。根据所述丝杠电机201和螺母电机204的电磁结构设计参数，如极对数p、磁链λ等，分析所述电机气隙磁场的分布情况，如图3所示，进一步推导所述丝杠电机201和螺母电机204的电磁转矩表达式Te
式中，Tn是第n次谐波转矩的幅值，T0是电磁转矩的直流分量，Th是电机谐波分量，ωs是电机电角速度，ωs＝pωr，ωr是电机角速，p是电机极对数。对所述电磁转矩分析知，电磁转矩除直流转矩T0外还包含6及6的倍数次谐波转矩，所述谐波转矩的存在会引起速度波动。
(2)对所述双驱动直线进给系统进行动力学建模。根据所述丝杠电机201和螺母电机204和速叠加驱动工作台211的驱动方式，建立所述双驱动直线进给系统机械传动部分的三自由度模型，如图4所示，图中，Tes，Ten分别为丝杠电机201和空心电机的电磁转矩，Bs，Bn分别为丝杠电机轴和空心电机轴的粘性阻尼，Js为等效到丝杠电机轴上的转动惯量，包括丝杠电机201、联轴器202、丝杠，Jn为等效到空心电机轴上的转动惯量，包括螺母电机204、电机连接法兰、丝杠螺母205，θs，θn分别为丝杠电机轴和空心电机轴的转角，Td为丝杠与螺母相互作用产生的输出力矩，工作台211的速度vt＝(θs+θn)×Rl，Rl为丝杠导程。工作台所受的摩擦力模型Ff采用稳态下的LuGre模型描述如下：
(3)根据建立的所述双驱动直线进给系统动力学模型，设计所述双驱动直线进给系统的双电机控制策略并进行控制器参数整定，如图1所示。所述电机控制采用速度前馈控制、位置速度控制，所述控制器包括速度前馈控制器、位置控制器、速度控制器，所述两电机的控制器各控制参数完全相同。
(4)结合所述电机输出转矩的谐波分量、双电机控制策略进行谐波的差半周期控制，通过在同一时间的段的所述丝杠电机201和螺母电机204的电磁转矩的6次谐波相差半个周期，在丝杠螺母副处和速叠加时可以完全抵消6次谐波转矩，达到降低速度波动的目的。所述双驱动直线进给系统进行谐波的差半周期控制是指：当工作台所需要的转速为v时，设置丝杠电机和螺母电机转速方向叠加，两电机的转速均为v/2，但两电机启动时间不同，设置丝杠电机比螺母电机早启动△t，
为6次转矩谐波的周期，N为整数，N＝0，1，2…。等丝杠电机和螺母电机都启动并达到稳定后，开始计时，并对零件进行加工。所述丝杠电机位移指令所述工作台的位移xt＝X1+X2，
与上述实施例相结合，以滚珠丝杠转动副为例提供的降低直线进给系统速度波动的控制仿真方案如图5所示。
与上述实施例相结合，以滚珠丝杠转动副为例提供的降低直线进给系统速度波动的仿真结果如图6所示，采用6次谐波差半周期奇数倍控制的和速双驱动进给系统与传统丝杠驱动进给系统相比可以消去电机6次谐波转矩对进给系统的影响，在不改变电机结构的情况下，明显降低直线进给系统的速度波动。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (8)
1.一种降低直线进给系统速度波动的方法，其特征在于，包括CNC指令分机、双驱动直线进给系统、双电机控制系统；所述CNC指令分机控制丝杠电机(201)比螺母电机(204)早启动6次谐波转矩半周期的奇数倍；所述双驱动直线进给系统采用丝杠电机(201)和螺母电机(204)等速度“和速”叠加驱动；所述双电机控制系统包括速度前馈控制、位置控制、速度控制。
2.根据权利要求1所述的一种降低直线进给系统速度波动的方法，其特征在于，所述CNC指令分机控制丝杠电机(201)比螺母电机(204)早启动6次谐波转矩半周期的奇数倍，6次谐波转矩半周期的奇数倍，记为△t，
式中，p为电机极对数，l为丝杠导程，v为工作台指令速度，N为整数，N＝0，1，2…。
3.根据权利要求1所述的一种降低直线进给系统速度波动的方法，其特征在于，所述双驱动直线进给系统的丝杠电机(201)和螺母电机(204)的电磁结构参数，包括电机极对数、定子槽数、定子绕组等要完全相同。
4.根据权利要求1所述的一种降低直线进给系统速度波动的方法，其特征在于，所述双驱动直线进给系统的丝杠电机(201)和螺母电机(204)的等效转动惯量要完全相等。
5.根据权利要求1所述的一种降低直线进给系统速度波动的方法，其特征在于，所述双驱动直线进给系统采用丝杠电机(201)和螺母电机(204)等速度“和速”叠加驱动，控制所述丝杠电机(201)和螺母电机(204)的旋转方向，使丝杠和螺母的旋转方向相反，保证丝杠转速和螺母转速能在滚珠丝杠副处进行“和速”叠加，驱动工作台运动。
6.根据权利要求1所述的一种降低直线进给系统速度波动的方法，其特征在于，所述CNC指令分机控制丝杠电机(201)和螺母电机(204)，驱动工作台运动。
7.根据权利要求1所述的一种降低直线进给系统速度波动的方法，其特征在于，所述双电机控制系统丝杠电机(201)和螺母电机(204)对应的控制参数要完全相同，包括速度前馈控制器参数、位置控制器参数、速度控制器参数。
8.根据权利1-7任一项所述的一种降低直线进给系统速度波动的方法，其特征在于，包含如下步骤：
S1、依据所述双驱动直线进给系统用到的丝杠电机(201)和螺母电机(204)的电磁结构参数，分析电机气隙磁场分布情况，推导电机的电磁转矩，分析所述电机输出转矩的谐波分量的分布情况，进一步分析电机输出转矩的谐波分量对进给系统速度波动的影响；
S2、对所述双驱动直线进给系统进行动力学建模，根据所述丝杠电机(201)和螺母电机(204)和速叠加驱动工作台的驱动方式，建立所述双驱动直线进给系统机械传动部分的三自由度动力学模型；
S3、根据建立的所述双驱动直线进给系统动力学模型，设计所述双驱动直线进给系统的双电机控制策略并进行控制器参数整定；
S4、结合所述电机输出转矩的谐波分量、双电机控制策略进行谐波的差半周期控制，通过在同一时间的段的所述丝杠电机(201)和螺母电机(204)的电磁转矩的6次谐波相差半个周期的奇数倍，在丝杠螺母副处和速叠加时可以完全消除6次谐波转矩对进给系统速度波动的影响，实现降低速度波动的目的。
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