CN114029787B - 一种半闭环控制方式下数控机床进给系统弹性变形补偿方法 - Google Patents

一种半闭环控制方式下数控机床进给系统弹性变形补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种半闭环控制方式下数控机床进给系统弹性变形补偿方法，本发明针对半闭环控制方式下数控机床弹性变形误差不利于运动静度的问题，提出采用弹性变形补偿方法来实现对半闭环控制方式弹性变形误差抑制。该方法结合数控机床产品与部件信息，通过采集位置指令信号、伺服电机力矩电压指令信号，基于推导出的半闭环数控机床进给系统弹性变形预测式，实现对半闭环控制方式下数控机床进给系统弹性变形补偿，从而可有效评估弹性变形误差及其对运行精度的影响，对于提高半闭环控制方式下的数控机床运行精度具有重要意义与应用价值。

Description

一种半闭环控制方式下数控机床进给系统弹性变形补偿方法
技术领域
本发明属于数控机床领域，具体涉及一种半闭环控制方式下数控机床进给系统弹性变形补偿方法。
背景技术
数控机床以采用的控制方式分为半闭环和全闭环。与全闭环控制方式下的数控机床相比，半闭环控制方式下的数控机床虽然其运行精度低于全闭环控制方式下的数控机床，但其未安装反馈工作台实际位置的高精度光栅尺，控制系统也未包含机械传动机构，因而具有成本低，使用稳定可靠，在中、低端市场，年均采购量与市场保有量占有绝对优势。
半闭环控制方式数控机床进给系统由于存在弹性变形环节，使其运动过程中存在弹性变形产生的运动误差，由于半闭环控制方式下数控机床未安装反馈工作台实际位置的光栅尺，因而无法对进给系统弹性变形抑制。半闭环控制方式数控机床进给系统存在弹性变形产生的运动误差会严重影响数控机床进给系统运动精度，非常不利于运动精度的控制。通过对半闭环控制方式下数控机床进给系统弹性变形补偿可以有效提升数控机床进给系统运动精度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中半闭环控制方式下数控机床进给系统弹性变形误差严重影响机床运动精度的问题，提供一种半闭环控制方式下数控机床进给系统弹性变形补偿方法，结合数控机床产品与部件信息，通过采集位置指令信号及力矩指令电压，基于推导出的弹性变形预测式，通过对半闭环控制方式下数控机床进给系统弹性变形补偿，实现数控机床进给系统运动精度的提高。
为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：
S1，数控机床在半闭环控制方式下工作时，数控机床的进给系统依据位置指令进行精密运动；
S2，进给系统采集运动过程中位置指令、伺服电机编码器输出转角和伺服电机力矩指令电压；
S3，依据数控机床产品与部件信息，获取数控机床的进给系统的传动系数、力矩常数与系统刚度；
S4，通过伺服电机编码器输出转角和传动系数，得到伺服电机等效位置输出；
S5，通过伺服电机力矩指令电压和力矩常数，得到伺服电机指令力矩输出；
S6，通过位置指令和伺服电机等效位置输出，得到半闭环控制方式下跟随误差；
S7，通过伺服电机指令力矩输出、位置指令系统刚度、伺服电机转子惯量和传动系数，结合弹性变形预测式，得到弹性变形预测值；
S8，将弹性变形预测值负反馈到进给系统位置的环指令处以实现对弹性变形的补偿。
半闭环控制方式为将伺服电机编码器输出的位置信息作为系统的位置反馈信号。
S7中，弹性变形预测式基于进给系统动力学与换向过程运动学，通过数学推导建立，得到弹性变形预测值。
S8中，将弹性变形预测值负反馈到进给系统位置的环指令处，对弹性变形的补偿，使伺服进给系统工作台由弹性变形造成的误差得到抑制。
与现有技术相比，本发明结合数控机床产品与部件信息，通过采集位置指令信号、伺服电机力矩电压指令信号，基于推导出的半闭环数控机床进给系统弹性变形预测式，实现对半闭环控制方式下数控机床进给系统弹性变形补偿，从而可有效评估弹性变形误差及其对运行精度的影响，对于提高半闭环控制方式下的数控机床运行精度具有重要意义与应用价值。
附图说明
图1为半闭环控制方式下进给系统弹性变形补偿实现框图；
图2为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1，本发明所采用的主要参数有：位置指令Xr、伺服电机等效位置输出Xm、跟随误差Err、位置环控制增益Kp、速度环比例增益Kvp、速度环积分增益Kvi、速度前馈增益Kfv、加速度前馈增益Kfa、力矩常数Kt、伺服电机力矩指令电压um、伺服电机指令力矩Tm输出、负载驱动力矩Tl、伺服电机转子惯量Jm、伺服电机转子角速度ωm、伺服电机编码器输出转角θm、变形量Δθ、系统刚度Ke、工作台等效惯量Jl、工作台等效角速度ωl、进给系统工作台等效转角θl、传动系数rg、摩擦力矩Tf、工作台等效位置输出Xl、弹性变形预测值ΔErr_s。
参见图1和图2，本发明包括以下步骤：
步骤一，首先设置数控机床进给系统控制方式为半闭环，此时伺服电机编码器输出转角信号θm作为反馈位置信号；
步骤二，数控机床进给系统按照位置指令Xr进行运动，在运动过程中采集位置指令Xr、伺服电机编码器输出转角θm及伺服电机力矩指令电压um，一般取采样周期为0.001s；
步骤三，依据数控机床产品与部件信息，获取数控机床进给系统的传动系数rg、力矩常数Kt与系统刚度Ke；
步骤四，由采集获取的伺服电机编码器输出转角θm、传动系数rg，可得伺服电机等效位置输出Xm可表示为：
Xm(t)＝θm(t)rg (1)
步骤五，由运动过程中采集的位置指令Xr及由式(1)计算得到的伺服电机等效位置输出Xm，获得半闭环控制方式下跟随误差Err，可表示为：
Err(t)＝Xr(t)-Xm(t) (2)
步骤六，由采集获取的伺服电机力矩指令电压um、力矩常数Kt，可得伺服电机指令力矩输出Tm可表示为：
Tm(t)＝um(t)Kt (3)
步骤七，在运动过程中，进给系统工作台等效位置输出Xl可表示为：
Xl(t)＝θl(t)rg (4)
式中：θl为进给系统工作台等效转角；由于进给系统各传动部件并非刚体，因而会产生变形量Δθ，结合进给系统动力学模型，变形量Δθ可表示为：
Figure GDA0003407819560000041
式中：Tt为负载驱动力矩；Jm为伺服电机转子惯量；由变形量Δθ造成的弹性变形预测值ΔErr_s(t)可表示为：
ΔErr_s(t)＝Δθ(t)rg (6)
结合式(5)，求得弹性变形预测值ΔErr_s(t)可表示为：
Figure GDA0003407819560000042
由于采集伺服电机编码器输出转角θm过程中，编码器输出转角θm采集过程中会受到外界干扰不利影响，为了减少外界干扰影响，考虑到半闭环控制方式下进给系统编码器输出转角θm近似与位置指令Xr等效转角θr近似相等即θm≈θr。位置指令Xr等效转角θr可表示为：
Figure GDA0003407819560000043
结合式(8)，求得弹性变形预测值ΔErr_s(t)可表示为：
Figure GDA0003407819560000051
上式即为建立的弹性变形预测式。由获得的半闭环控制方式下伺服电机指令力矩输出Tm、位置指令Xr、系统刚度Ke、伺服电机转子惯量Jm、传动系数rg，代入到弹性变形预测式中，求得弹性变形预测值ΔErr_s。
步骤八，将得到的弹性变形预测值ΔErr_s负反馈到进给系统位置环指令处，通过半闭环控制方式，使半闭环控制方式下跟随误差Err中包含对弹性变形误差补偿量，从而实现对弹性变形的抑制。
本发明可对弹性变形进行预测与补偿，对于提高半闭环控制方式下的数控机床运行精度具有重要意义与应用价值。

Claims (4)

1.一种半闭环控制方式下数控机床进给系统弹性变形补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，数控机床在半闭环控制方式下工作时，数控机床的进给系统依据位置指令进行精密运动；
S2，进给系统采集运动过程中位置指令、伺服电机编码器输出转角和伺服电机力矩指令电压；
S3，依据数控机床产品与部件信息，获取数控机床的进给系统的传动系数、力矩常数与系统刚度；
S4，通过伺服电机编码器输出转角和传动系数，得到伺服电机等效位置输出；
S5，通过伺服电机力矩指令电压和力矩常数，得到伺服电机指令力矩输出；
S6，通过位置指令和伺服电机等效位置输出，得到半闭环控制方式下跟随误差；
S7，通过伺服电机指令力矩输出、位置指令系统刚度、伺服电机转子惯量和传动系数，结合弹性变形预测式，得到弹性变形预测值；
在运动过程中，进给系统工作台等效位置输出Xl表示为：
Xl(t)＝θl(t)rg (1)
式中：θl为进给系统工作台等效转角；由于进给系统各传动部件并非刚体，因而会产生变形量Δθ，结合进给系统动力学模型，变形量Δθ表示为：
Figure FDA0003721590860000011
式中：Tt为负载驱动力矩；Jm为伺服电机转子惯量；由变形量Δθ造成的弹性变形预测值ΔErr_s(t)可表示为：
ΔErr_s(t)＝Δθ(t)rg (3)
结合式(5)，求得弹性变形预测值ΔErr_s(t)表示为：
Figure FDA0003721590860000021
考虑到半闭环控制方式下进给系统编码器输出转角θm近似与位置指令Xr等效转角θr近似相等即θm≈θr，位置指令Xr等效转角θr表示为：
Figure FDA0003721590860000022
结合式(8)，求得弹性变形预测值ΔErr_s(t)表示为：
Figure FDA0003721590860000023
S8，将弹性变形预测值负反馈到进给系统位置的环指令处以实现对弹性变形的补偿。
2.根据权利要求1所述的一种半闭环控制方式下数控机床进给系统弹性变形补偿方法，其特征在于，半闭环控制方式为将伺服电机编码器输出的位置信息作为系统的位置反馈信号。
3.根据权利要求1所述的一种半闭环控制方式下数控机床进给系统弹性变形补偿方法，其特征在于，S7中，弹性变形预测式基于进给系统动力学与换向过程运动学，通过数学推导建立，得到弹性变形预测值。
4.根据权利要求1所述的一种半闭环控制方式下数控机床进给系统弹性变形补偿方法，其特征在于，S8中，将弹性变形预测值负反馈到进给系统位置的环指令处，对弹性变形的补偿，使伺服进给系统工作台由弹性变形造成的误差得到抑制。
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