非圓曲面xy直驅(qū)加工廓形誤差交叉耦合控制系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及數(shù)控加工控制【技術(shù)領(lǐng)域】，提出了一種非圓曲面XY直驅(qū)加工廓形誤差交叉耦合控制系統(tǒng)及方法，包括：順次耦接的X軸指令接收單元、X軸位置控制器、X軸電機(jī)驅(qū)動單元和X軸傳感器，順次耦接的Y軸指令接收單元、Y軸位置控制器、Y軸電機(jī)驅(qū)動單元和Y軸傳感器，以及前饋交叉耦合控制器；其中，前饋交叉耦合控制器根據(jù)各軸的跟蹤誤差經(jīng)耦合計(jì)算后獲得廓形誤差，由前饋PID調(diào)節(jié)得出補(bǔ)償控制量，再按各軸耦合增益將補(bǔ)償量分別分配給各軸電機(jī)驅(qū)動單元以產(chǎn)生實(shí)時附加補(bǔ)償作用。本發(fā)明可根據(jù)X、Y軸的跟蹤誤差較準(zhǔn)確的計(jì)算復(fù)雜凹凸軌跡的廓形誤差并進(jìn)行反饋控制，大幅降低了非圓曲面XY直驅(qū)平的廓形誤差，是提高非圓曲面加工精度的有效方法。
【專利說明】非圓曲面XY直驅(qū)加工廓形誤差交叉耦合控制系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及數(shù)控加工控制【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種非圓曲面XY直驅(qū)加工廓形誤差交叉耦合控制系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著制造業(yè)對零件加工精度要求的日益提高，直接驅(qū)動技術(shù)越來越多的應(yīng)用于高檔數(shù)控機(jī)床上，大幅度提高了數(shù)控機(jī)床性能指標(biāo)。XY直驅(qū)加工平臺，由2臺永磁同步直線電機(jī)驅(qū)動軸向相互垂直的XY兩軸進(jìn)行平面精密運(yùn)動。具有立式銑削特征的XY 二維直線電機(jī)系統(tǒng)，以其快速的動態(tài)響應(yīng)、準(zhǔn)確的定位和可靠性廣泛應(yīng)用于自動化加工設(shè)備領(lǐng)域。由于直線電機(jī)取消了中間傳動環(huán)節(jié)，不含傳動誤差，因此，跟蹤誤差是XY直驅(qū)加工平臺廓形誤差形成的主要原因。加工軌跡變化、機(jī)械延遲、機(jī)床振動、負(fù)載變化及兩軸驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)不匹配等因素引起X、Y軸跟蹤誤差，很大程度上決定了輪廓加工精度?，F(xiàn)有研究采用交叉耦合輪廓誤差補(bǔ)償控制的方法，可以有效的補(bǔ)償廓形誤差。研究表明，相比先進(jìn)的單軸伺服控制器，基于時間的等態(tài)的交叉稱合(Cross-Couple Controller, CCC)是提高系統(tǒng)輪廓精度更有效的途徑。
[0003]XY平臺常規(guī)廓形誤差交叉耦合計(jì)算是現(xiàn)有技術(shù)中的基本方法。在此基礎(chǔ)之上，一些文獻(xiàn)針對XY直驅(qū)平臺廓形誤差交叉耦合控制器的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究，提出了等效誤差控制、重復(fù)跟蹤控制、差分進(jìn)化法、零相位自適應(yīng)魯邦控制等控制方法。但交叉耦合控制應(yīng)用在非圓廓形XY直驅(qū)加工方面仍然存在一些問題:首先，Χ、Y加工坐標(biāo)為刀具中心軌跡，并不是真正的切觸點(diǎn)，X軸、Y軸跟蹤誤差引起的加工坐標(biāo)誤差并不能直接等同廓形誤差，而且二者引起的廓形誤差還存在耦合；其次，對于相同的廓形軌跡，非圓零件XY加工可分為外表面輪廓與內(nèi)腔表面輪廓加工，二者之間廓形誤差交叉耦合計(jì)算必然存在一定差異，而且誤差的正負(fù)與廓形曲線的凹凸性有相關(guān)，誤差正負(fù)方向很難判定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004](一)本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題:
[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是如何有效對非圓曲面XY直驅(qū)加工的廓形誤差進(jìn)行控制。
[0006](二)技術(shù)方案
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，一方面，本發(fā)明提供了一種非圓曲面XY直驅(qū)加工廓形誤差交叉耦合控制系統(tǒng)，包括:順次耦接的X軸指令接收單元、X軸位置控制器、X軸電機(jī)驅(qū)動單元和X軸傳感器，順次耦接的Y軸指令接收單元、Y軸位置控制器、Y軸電機(jī)驅(qū)動單元和Y軸傳感器，以及前饋交叉耦合控制器；其中，各軸傳感器分別耦接各軸指令接收單元，反饋觀測到的各軸電機(jī)驅(qū)動 單元的位置驅(qū)動結(jié)果；各軸指令接收單元還分別與前饋交叉耦合控制器兩輸入端耦接，將指令位置與位置驅(qū)動結(jié)果進(jìn)行比較，得到各軸的位置跟蹤誤差；前饋交叉耦合控制器的兩輸出端分別耦接各軸電機(jī)驅(qū)動單元的輸入端；前饋交叉耦合控制器根據(jù)各軸的跟蹤誤差，經(jīng)耦合計(jì)算后獲得廓形誤差，由前饋PID調(diào)節(jié)得出補(bǔ)償控制量，隨后將各軸補(bǔ)償量按耦合增益分別分配給各軸電機(jī)驅(qū)動單元，用于調(diào)節(jié)各軸的控制信號以產(chǎn)生相應(yīng)的實(shí)時附加補(bǔ)償作用。
[0008]優(yōu)選地，所述系統(tǒng)中:各軸的位置控制器均為PID控制器，前饋交叉耦合控制器為前饋PID控制器。
[0009]優(yōu)選地，所述系統(tǒng)中:各軸傳感器中采用直線光柵進(jìn)行觀測；傳感器除反饋各軸位置驅(qū)動結(jié)果外，還反饋對電機(jī)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)的信號。
[0010]優(yōu)選地，所述系統(tǒng)中:對各軸提供的耦合增益進(jìn)一步分為加工外表面輪廓的耦合增益和加工內(nèi)表面輪廓的耦合增益。
[0011]優(yōu)選地，所述系統(tǒng)中:加工外表面輪廓的X、Y軸耦合增益Gx。、GY。和加工
內(nèi)表面輪廓的X、Y軸耦合增益GX1、Gyi分別為
【權(quán)利要求】
1.一種非圓曲面XY直驅(qū)加工廓形誤差交叉耦合控制系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括:順次耦接的X軸指令接收單元、X軸位置控制器、X軸電機(jī)驅(qū)動單元和X軸傳感器，順次耦接的Y軸指令接收單元、Y軸位置控制器、Y軸電機(jī)驅(qū)動單元和Y軸傳感器，以及前饋交叉耦合控制器；其中， 各軸傳感器分別耦接各軸指令接收單元，反饋觀測到的各軸電機(jī)驅(qū)動單元的位置驅(qū)動結(jié)果; 各軸指令接收單元還分別與前饋交叉耦合控制器兩輸入端耦接，將指令位置與位置驅(qū)動結(jié)果進(jìn)行比較，得到各軸的位置跟蹤誤差； 前饋交叉耦合控制器的兩輸出端分別耦接各軸電機(jī)驅(qū)動單元的輸入端； 前饋交叉耦合控制器根據(jù)各軸的跟蹤誤差，經(jīng)耦合計(jì)算后獲得廓形誤差，由前饋PID調(diào)節(jié)得出補(bǔ)償控制量，隨后將各軸補(bǔ)償量按耦合增益分別分配給各軸電機(jī)驅(qū)動單元，用于調(diào)節(jié)各軸的控制信號以產(chǎn)生相應(yīng)的實(shí)時附加補(bǔ)償作用。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)中:各軸的位置控制器均為PID控制器，前饋交叉耦合控制器為前饋PID控制器。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)中:各軸傳感器中采用直線光柵進(jìn)行觀測；傳感器除反饋各軸位置驅(qū)動結(jié)果外，還反饋對電機(jī)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)的信號。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)中:對各軸提供的耦合增益進(jìn)一步分為加工外表面輪廓的耦合增益和加工內(nèi)表面輪廓的耦合增益。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)中:加工外表面輪廓的X、Y軸耦合增益Gx。、GY。和加工內(nèi)表面輪廓的X、Y軸耦合增益GX1、Gyi分別為
6.如權(quán)利要求1或5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)中:前饋交叉耦合控制器中對耦合形成的廓形誤差變化及誤差變化率進(jìn)行前饋調(diào)節(jié)控制，前饋控制輸出按各軸增益形成各軸廓型誤差補(bǔ)償量。
7.—種非圓曲面XY直驅(qū)加工廓形誤差交叉耦合控制方法，其特征在于，所述方法包括步驟: 分別接收X、Y軸位置指令信號，各軸位置控制器分別根據(jù)指令信號生成控制信號，電機(jī)驅(qū)動單元依照控制信號各自驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行初加工； 各軸傳感器觀測各軸電機(jī)驅(qū)動單元的驅(qū)動結(jié)果，與指令信號比較后形成各軸跟蹤誤差，并分別反饋給前饋交叉耦合控制器； 前饋補(bǔ)償控制器根據(jù)各軸的跟蹤誤差與耦合增益，耦合計(jì)算后獲得廓形誤差，經(jīng)前饋PID調(diào)節(jié)后成補(bǔ)償控制量； 補(bǔ)償控制量按各軸耦合增益分別分配給各軸電機(jī)驅(qū)動單元，用于調(diào)節(jié)各軸的控制信號以產(chǎn)生相應(yīng)的實(shí)時附加補(bǔ)償作用。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法中:在進(jìn)行外表面加工時對各軸提供的耦合增益為加工外表面輪廓的耦合增益；在進(jìn)行外表面加工時對各軸提供的耦合增益為加工內(nèi)表面輪廓的耦合增益。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法中:加工外表面輪廓的X、Y軸耦合增益Gx。、GY。和加工內(nèi)表面輪廓的X、Y軸耦合增益GX1、Gyi分別為
10.如權(quán)利要求7或9所述的方法，其特征在于，所述方法中還包括步驟:通過對耦合形成的廓形誤差變化及誤差變化率進(jìn)行前饋調(diào)節(jié)控制，前饋控制輸出按各軸增益形成各軸補(bǔ)償量。
【文檔編號】G05B19/19GK103869748SQ201410068757
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年2月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月27日
【發(fā)明者】彭寶營, 韓秋實(shí), 楊慶東, 李啟光 申請人:北京信息科技大學(xué)