X-c直驅(qū)磨削廓形誤差非線性耦合控制系統(tǒng)及方法
【專(zhuān)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X-C直驅(qū)磨削廓形誤差非線性耦合控制系統(tǒng)及方法，包括：CNC插補(bǔ)器，順次耦接的X軸電機(jī)控制單元、X軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、X軸直線電機(jī)和X軸直線光柵，順次耦接的C軸電機(jī)控制單元、C軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、C軸力矩電機(jī)和C軸圓光柵，以及非線性耦合控制器；其中，非線性耦合控制器根據(jù)各軸指令位置及反饋的位置結(jié)果得到各軸跟蹤誤差，經(jīng)耦合計(jì)算后獲得廓形誤差，隨后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(dòng)單元。本發(fā)明能夠根據(jù)平面曲線輪廓零件X-C磨削加工特點(diǎn)快速地計(jì)算廓形誤差并提供補(bǔ)償系數(shù)，可以有效提高X-C直驅(qū)平磨削臺(tái)的輪廓加工精度。
【專(zhuān)利說(shuō)明】X-C直驅(qū)磨削廓形誤差非線性耦合控制系統(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X-C直驅(qū)磨削廓形誤差非線性耦合控制系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]平面曲線回轉(zhuǎn)類(lèi)零件如凸輪、橢圓活塞、轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室等，其廓形精度要求很高，這些零件的磨削現(xiàn)有技術(shù)中普遍采用x、c兩軸聯(lián)動(dòng)加工。直驅(qū)電機(jī)取消了中間傳動(dòng)，具有高速高精等特點(diǎn)。X-C直驅(qū)磨削加工平臺(tái)，由直線電機(jī)及力矩電機(jī)構(gòu)成，加工對(duì)象一般為平面曲線回轉(zhuǎn)類(lèi)零件，刀具為砂輪。其中，X軸由直線電機(jī)帶動(dòng)砂輪架水平往復(fù)移動(dòng)，C軸由力矩電機(jī)帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)，X、C軸兩軸聯(lián)動(dòng)，完成零件的加工。
[0003]但是現(xiàn)有的由永磁同步直線電機(jī)(PMLSM)及永磁環(huán)形力矩電機(jī)(PMRTM)組成的X-C直驅(qū)磨削加工平臺(tái)，其加工軌跡變化、負(fù)載擾動(dòng)、機(jī)械延遲及兩軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)不匹配等因素極易引起X、C軸跟蹤誤差，很大程度上影響輪廓加工精度。研究表明，相比先進(jìn)的單軸伺服控制器，基于輪廓廓形誤差的多軸耦合控制是提高系統(tǒng)輪廓精度更有效的途徑。Yeh等首先提出了雙軸耦合控制策略，但其提出的控制方法并沒(méi)有考慮刀具半徑的存在使加工坐標(biāo)誤差并不能等同輪廓誤差，該方法并不能有效地適用于曲線輪廓加工廓形誤差控制。Lo等提出了加工坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方法來(lái)減小輪廓誤差，并設(shè)計(jì)了切向輪廓誤差控制器(tangential contouring controller, TCC),但其本質(zhì)為恒增益的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換補(bǔ)償，所建立的輪廓誤差無(wú)法適用于曲線輪廓補(bǔ)償。Su等在實(shí)時(shí)輪廓誤差計(jì)算法則的基礎(chǔ)上提出了基于摩擦前饋的改進(jìn)型X-Y平臺(tái)耦合控制方法，這種方法適用于曲線的輪廓誤差控制，但該方法不能有效減小跟蹤的位置誤差，改善輪廓誤差精度的效果并不理想。此外，一些文獻(xiàn)在X-Y直驅(qū)平臺(tái)的廓形誤差補(bǔ)償控制方面進(jìn)行了研究。SI in等設(shè)計(jì)了耦合魯棒控制器用于多軸非線性運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的輪廓誤差補(bǔ)償控制。一些研究人員采用了等效誤差、重復(fù)跟蹤控制等先進(jìn)的控制方法設(shè)計(jì)耦合控制器，以提高控制器的響應(yīng)能力，這些方法計(jì)算過(guò)程復(fù)雜、響應(yīng)速度慢，不適合數(shù)控系統(tǒng)使用。
[0004]上述研究都基于加工坐標(biāo)軌跡偏差等同于工件廓形偏差的前提，在曲線類(lèi)輪廓切點(diǎn)跟蹤磨削加工中，由于輪廓特征、砂輪半徑等因素，加工坐標(biāo)為砂輪中心軌跡，并不是真正的切觸點(diǎn)，加工坐標(biāo)誤差并不直接等同于廓形誤差。而且，研究?jī)?nèi)容大多集中于X-Y加工平臺(tái)的輪廓誤差控制，X-C平臺(tái)耦合控制相關(guān)研究較少；由于X-C加工平臺(tái)的誤差形成與X-Y平臺(tái)區(qū)別較大，現(xiàn)有技術(shù)的控制方式對(duì)于改進(jìn)X-C加工平臺(tái)廓形誤差效力有限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005](一)本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題:
[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是如何有效對(duì)X-C平臺(tái)磨削曲線輪廓加工廓形誤差進(jìn)行控制。
[0007](二)技術(shù)方案[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，一方面，本發(fā)明提供了一種X-C直驅(qū)磨削廓形誤差非線性耦合控制系統(tǒng)，包括:CNC插補(bǔ)器，順次稱(chēng)接的X軸電機(jī)控制單兀、X軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)單兀、X軸直線電機(jī)和X軸直線光柵，順次耦接的C軸電機(jī)控制單元、C軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、C軸力矩電機(jī)和C軸圓光柵，以及非線性耦合控制器；其中，CNC插補(bǔ)器的兩輸出端分別耦接各軸電機(jī)控制單元的輸入端，將X、C軸指令位置按等時(shí)間間隔直線插補(bǔ)生成，并傳遞給各軸電機(jī)控制單元；各軸光柵觀測(cè)各軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元的驅(qū)動(dòng)位置結(jié)果并分別反饋給各軸電機(jī)控制單元；各軸電機(jī)控制單元還分別與非線性耦合控制器的兩輸入端耦接，將位置結(jié)果反饋給非線性耦合控制器；非線性耦合控制器的兩輸出端分別耦接各軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元的輸入端；非線性耦合控制器根據(jù)各軸的指令位置及反饋的位置結(jié)果得到各軸的跟蹤誤差，經(jīng)耦合計(jì)算后獲得廓形誤差，隨后按各軸耦合增益將非線性控制器產(chǎn)生的補(bǔ)償量分別分配給各軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元，用于調(diào)節(jié)各軸的控制信號(hào)以產(chǎn)生相應(yīng)的實(shí)時(shí)附加補(bǔ)償作用。
[0009]優(yōu)選地，所述系統(tǒng)中:各軸的電機(jī)控制單元均為PID控制器，非線性耦合控制器為非線性PID控制器。
[0010]優(yōu)選地，所述系統(tǒng)中:各軸的光柵除反饋各軸驅(qū)動(dòng)位置結(jié)果外，還反饋對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)的信號(hào)。
[0011]優(yōu)選地，所述系統(tǒng)中:X軸的耦合增益Gx、C軸的耦合增益Ge分別為:
[0012]
【權(quán)利要求】
1.一種X-C直驅(qū)磨削廓形誤差非線性耦合控制系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括:CNC插補(bǔ)器，順次耦接的X軸電機(jī)控制單元、X軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、X軸直線電機(jī)和X軸直線光柵，順次耦接的C軸電機(jī)控制單元、C軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、C軸力矩電機(jī)和C軸圓光柵，以及非線性耦合控制器；其中， CNC插補(bǔ)器的兩輸出端分別耦接各軸電機(jī)控制單元的輸入端，將X、C軸指令位置按等時(shí)間間隔直線插補(bǔ)生成，并傳遞給各軸電機(jī)控制單元； 各軸光柵觀測(cè)各軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元的驅(qū)動(dòng)位置結(jié)果并分別反饋給各軸電機(jī)控制單元；各軸電機(jī)控制單元還分別與非線性耦合控制器的兩輸入端耦接，將位置結(jié)果反饋給非線性耦合控制器；非線性耦合控制器的兩輸出端分別耦接各軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元的輸入端； 非線性耦合控制器根據(jù)各軸的指令位置及反饋的位置結(jié)果得到各軸的跟蹤誤差，經(jīng)耦合計(jì)算后獲得廓形誤差，隨后按各軸耦合增益將非線性控制器產(chǎn)生的補(bǔ)償量分別分配給各軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元，用于調(diào)節(jié)各軸的控制信號(hào)以產(chǎn)生相應(yīng)的實(shí)時(shí)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:各軸的電機(jī)控制單元均為PID控制器，非線性耦合控制器為非線性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:各軸的光柵除反饋各軸驅(qū)動(dòng)位置結(jié)果外，還反饋對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)的信號(hào)。
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:X軸的耦合增益Gx、C軸的耦合增益Ge分別為:

5.如權(quán)利要求1或4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)中:非線性耦合控制器中的比例Kp、積分Ki和微分Kd各參數(shù)設(shè)置為在不同響應(yīng)區(qū)域隨時(shí)間進(jìn)行相應(yīng)的變化。
6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)中:所述各參數(shù)的變化趨勢(shì)采用雙曲函數(shù)及e指數(shù)函數(shù)來(lái)設(shè)置體現(xiàn)。
7.—種X-C直驅(qū)磨削廓形誤差非線性耦合控制方法，其特征在于，所述方法包括步驟: 各軸電機(jī)控制單元分別接收CNC插補(bǔ)器產(chǎn)生的X、C軸指令位置信號(hào)并產(chǎn)生控制信號(hào)，，電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元依照控制信號(hào)各自驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行初加工； 各軸光柵觀測(cè)各軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元的驅(qū)動(dòng)位置結(jié)果并分別反饋給各軸的電機(jī)控制單元; 非線性耦合控制器根據(jù)各軸的指令位置及反饋的位置結(jié)果得到各軸的跟蹤誤差，經(jīng)綜合后獲得廓形誤差； 根據(jù)廓形誤差按各軸耦合增益將非線性耦合控制產(chǎn)生的補(bǔ)償量分別分配給各軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元，用于調(diào)節(jié)各軸的控制信號(hào)以產(chǎn)生相應(yīng)的實(shí)時(shí)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:X軸的耦合增益Gx、C軸的耦合增益Ge分別為:
9.如權(quán)利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述方法中還包括步驟:將非線性耦合控制器中的比例Kp、積分Ki和微分Kd各參數(shù)設(shè)置為在不同響應(yīng)區(qū)域隨時(shí)間進(jìn)行相應(yīng)的變化。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述各參數(shù)的變化趨勢(shì)采用雙曲函數(shù)及e指數(shù)函數(shù)來(lái)設(shè)置體現(xiàn)。
【文檔編號(hào)】G05B19/404GK103869751SQ201410069033
【公開(kāi)日】2014年6月18日 申請(qǐng)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(yíng), 韓秋實(shí), 楊慶東, 李啟光 申請(qǐng)人:北京信息科技大學(xué)