CN114019907A - 一种消除直线进给伺服系统自激振动的实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种消除直线进给伺服系统自激振动的实现方法，涉及超精密加工技术领域，本发明包括以下步骤：步骤一，计算电机电磁转矩谐波频率；步骤二，测试双直驱直线进给系统的固有频率；步骤三，计算转矩谐波激发进给系统振动的振动速度点；步骤四，双直驱直线进给系统的动力学建模；步骤五，双直驱直线进给系统的控制系统设计；步骤六，依据工作台的指令速度是否等于转矩谐波激发进给系统振动的振动速度，确定驱动方式、丝杠电机和螺母电机的指令速度分配比。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

一种消除直线进给伺服系统自激振动的实现方法
技术领域
本发明属于超精密加工技术领域，具体涉及一种消除直线进给伺服系统自激振动的实现方法。
背景技术
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等，尤其是电机转矩谐波频率等于进给系统固有频率时，会激发进给系统共振，进给系统振动时，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，在抑制电机转矩谐波激发进给系统振动的相关技术中，采取的主要措施及存在的主要问题如下：
1、从调整工作台的转速的出发，加工零件时，调整工作台的转速，避开电机转矩谐波频率与进给系统固有频率相等的特定速度点，但这种方式会造成工作台进给速度不连续，在一些特定的速度点不能加工零部件。
2、通过特殊的控制方法来抑制特定速度点处的振动，在电机转矩谐波频率与进给系统固有频率相等的特定速度点处，运用振动抑制控制算法来抑制振动对进给系统的影响，如自适应滑膜控制、比例-积分-谐振控制、振动补偿等，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。
因此，需要对电机转矩谐波频率激发进给系统振动的问题进一步研究，提出一种消除直线进给伺服系统自激振动的实现方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种消除直线进给伺服系统自激振动的实现方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种消除直线进给伺服系统自激振动的实现方法，包括以下步骤：
步骤一：电机输出转矩谐波分析，依据电机的电磁结构参数，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，计算电机谐波转矩对应的频率，采用丝杠电机和螺母电机双直驱直线进给系统；
步骤二：测试双直驱直线进给系统的固有频率，对双直驱直线进给系统的机械部分进行振动测试实验，用LMS振动测试仪测试双直驱直线进给系统的固有频率；
步骤三：计算转矩谐波激发进给系统振动的特定速度点，由步骤一得到电磁转矩和步骤二测得的双直驱直线进给系统的固有频率，计算转矩谐波激发进给系统振动的特定电机指令速度点。
步骤四：双直驱直线进给系统的动力学建模，依据双驱动直线进给系统的驱动方式，建立双驱动直线进给系统机械传动部分的三自由度模型；
步骤五：双电机控制系统设计与控制参数调整，根据步骤四建立的双直驱直线进给系统动力学模型，设计双驱动直线进给系统的双电机控制系统；
步骤六：依据进给工作台的指令速度选择驱动方式和速度分配方式。
作为本发明进一步的方案，所述步骤四中，双驱动直线进给系统的驱动方式采用丝杠电机和螺母电机“和速”叠加驱动的驱动方式。
作为本发明进一步的方案，所述电机均采用位置环、速度环、电流环，三环PID控制方式。
作为本发明进一步的方案，依据进给工作台的指令速度选择驱动方式和速度分配方式时的判定标准：
若工作台的指令速度不等于电机的转矩谐波激发进给系统振动的特定速度点，则丝杠电机和螺母电机的电机转矩谐波不会激发进给系统共振，采用丝杠电机单独驱动，螺母电机锁死的驱动方式；
若工作台的指令速度等于丝杠电机和螺母电机的转矩谐波激发进给系统振动的特定速度点，则丝杠电机和螺母电机的电机转矩谐波会激发进给系统共振，此时采用丝杠电机和螺母电机“和速”叠加驱动的驱动方式，两电机的转速在丝杠螺母副处合成后驱动工作台运动，通过CNC指令分机控制丝杠电机和螺母电机的速度指令分配比为3:2，以此避开转矩谐波激发进给系统振动的特定速度点。
本发明的有益效果：本发明基于双直驱直线进给系统，结合电机输出转矩谐波分析和振动测试实验，依据进给工作台的指令速度选择驱动方式和速度分配方式，与传统的丝杠驱动的直线进给系统相比，采用该方法避开了电机转矩谐波频率等于进给系统的固有频率的特定振动速度点，有效避免了转矩谐波激发进给系统振动的问题，提高了零部件的加工精度。
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为本发明的流程图，
图2为本发明提供的双驱动直线进给系统结构图；
图3为本发明提供的电机气隙磁场分布图；
图4为本发明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方法的机械传动系统三自由度动力学模型示意图
图5为本发明以滚珠丝杠转动副为例提供的一种避免直线进给伺服系统自激振动的方法的控制仿真方案；
图中：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所示为一种避免直线进给伺服系统自激振动的方法的流程图，包括双驱动直线进给系统、CNC指令分机、双电机位置环、速度环、电流环三环控制系统。
所述双驱动直线进给系统如图2所示，采用丝杠电机201和螺母电机204双电机控制，所述丝杠207和螺母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，使所述丝杠207和螺母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：
步骤一：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。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
Figure BDA0003320138380000051
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。
进一步的，由所述转矩谐波的表达式计算两电机转矩谐波频率fnh为
Figure BDA0003320138380000052
式中，v为电机指令速度，l为丝杠导程，n为电机转矩谐波次数，n＝6，12，18…。
步骤二：测试双直驱直线进给系统的固有频率
对双直驱直线进给系统的机械部分2，进行振动测试实验，用LMS振动测试仪测双直驱直线进给系统2的固有频率，所述双直驱直线进给系统2的固有频率记为f0。
步骤三：计算转矩谐波激发进给系统振动的特定速度点
由步骤一得到所述电磁转矩的第n次谐波转矩频率fnh和步骤二所述实验测试测得的双直驱直线进给系统的固有频率f0，令fnh＝f0，即
Figure BDA0003320138380000061
求得转矩谐波激发进给系统振动的特定电机指令速度点为
Figure BDA0003320138380000062
即当电机指令速度为f0l/(np)时，对应的电机转矩谐波频率等于进给系统的固有频率，会激发进给系统产生振动。
步骤四：双直驱直线进给系统的动力学建模
对所述双驱动直线进给系统进行动力学建模。控制所述丝杠电机201和螺母电机204的旋转方向，使丝杠207和螺母205的旋转方向相反，保证丝杠207转速和螺母205转速能在滚珠丝杠副处进行“和速”叠加，驱动工作台211运动。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、联轴器、丝杠，Jn为等效到空心电机轴上的转动惯量，包括螺母电机、电机连接法兰、丝杠螺母，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：
Figure BDA0003320138380000063
步骤五：双电机控制系统设计与控制参数调整
根据步骤四建立的所述双直驱直线进给系统动力学模型，设计双驱动直线进给系统的双电机控制系统，如图3所示。所述双电机控制系统中的控制器采用电流环、速度环、位置环三环PID控制。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。所述两电机控制器包括电流控制器、速度控制器和位置控制器。
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电流环、速度环、位置环的控制参数。
步骤六：依据进给工作台的指令速度选择驱动方式和速度分配方式
对零部件进行加工时，判定工作台211的指令速度vt是否等于丝杠电机201和螺母电机204的转矩谐波激发进给系统振动的特定速度点f0l/(np)，当工作台211的指令速度时
Figure BDA0003320138380000071
丝杠电机201和螺母电机204的电机转矩谐波不会激发进给系统共振，采用丝杠电机201单独驱动，螺母电机204锁死，此时，双驱动直线进给系统变为传统的丝杠驱动直线进给系统。
当工作台211的指令速度
Figure BDA0003320138380000072
时，采用丝杠电机201和螺母电机204“和速”叠加驱动的驱动方式。
进一步的，采用丝杠电机201和螺母电机204“和速”叠加驱动时，丝杠电机201和螺母电机204同时启动，丝杠电机201和螺母电机204的旋转方向要使丝杠207和螺母205的旋转方向相反，保证丝杠转速207和螺母转速205能在滚珠丝杠副处进行“和速”叠加，驱动工作台211运动。
进一步的，选择丝杠电机201和螺母电机204“和速”叠加驱动的驱动方式驱动时，通过CNC指令分机控制丝杠电机201和螺母电机204的速度指令分配比为3:2，即选择丝杠电机201指令速度为
Figure BDA0003320138380000073
螺母电机204的指令速度为
Figure BDA0003320138380000074
两电机的转速在丝杠螺母副处合成后驱动工作台211的指令速度为
Figure BDA0003320138380000075
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或者位置关系为为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，因此不能理解为对本发明的限制。
对于本领域技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型。因此，从任意一处来说，都应将实施例看作是指导性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所有的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种消除直线进给伺服系统自激振动的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：电机输出转矩谐波分析，依据电机的电磁结构参数，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，计算电机谐波转矩对应的频率，采用丝杠电机和螺母电机双直驱直线进给系统；
步骤二：测试双直驱直线进给系统的固有频率，对双直驱直线进给系统的机械部分进行振动测试实验，用LMS振动测试仪测试双直驱直线进给系统的固有频率；
步骤三：计算转矩谐波激发进给系统振动的特定速度点，由步骤一得到电磁转矩和步骤二测得的双直驱直线进给系统的固有频率，计算转矩谐波激发进给系统振动的特定电机指令速度点。
步骤四：双直驱直线进给系统的动力学建模，依据双驱动直线进给系统的驱动方式，建立双驱动直线进给系统机械传动部分的三自由度模型；
步骤五：双电机控制系统设计与控制参数调整，根据步骤四建立的双直驱直线进给系统动力学模型，设计双驱动直线进给系统的双电机控制系统；
步骤六：依据进给工作台的指令速度选择驱动方式和速度分配方式。
2.根据权利要求1所述的一种消除直线进给伺服系统自激振动的实现方法，其特征在于，所述步骤四中，双驱动直线进给系统的驱动方式采用丝杠电机和螺母电机“和速”叠加驱动的驱动方式。
3.根据权利要求1所述的一种消除直线进给伺服系统自激振动的实现方法，其特征在于，所述电机均采用位置环、速度环、电流环，三环PID控制方式。
4.根据权利要求1所述的一种消除直线进给伺服系统自激振动的实现方法，其特征在于，依据进给工作台的指令速度选择驱动方式和速度分配方式时的判定标准：
若工作台的指令速度不等于电机的转矩谐波激发进给系统振动的特定速度点，则丝杠电机和螺母电机的电机转矩谐波不会激发进给系统共振，采用丝杠电机单独驱动，螺母电机锁死的驱动方式；
若工作台的指令速度等于丝杠电机和螺母电机的转矩谐波激发进给系统振动的特定速度点，则丝杠电机和螺母电机的电机转矩谐波会激发进给系统共振，此时采用丝杠电机和螺母电机“和速”叠加驱动的驱动方式，两电机的转速在丝杠螺母副处合成后驱动工作台运动，通过CNC指令分机控制丝杠电机和螺母电机的速度指令分配比为3:2，以此避开转矩谐波激发进给系统振动的特定速度点。
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