本發(fā)明屬于數(shù)控技術(shù)相關(guān)，更具體地，涉及一種考慮系統(tǒng)延時(shí)的進(jìn)給系統(tǒng)前饋方法及設(shè)備。

背景技術(shù)：

1、數(shù)控機(jī)床是一種高效率、高精度、高自動(dòng)化的加工設(shè)備，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、醫(yī)療器械、工程機(jī)械等重大技術(shù)領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，工業(yè)設(shè)計(jì)水平日趨成熟，零部件加工的精度要求不斷提高，這對(duì)數(shù)控機(jī)床在位置跟蹤誤差控制、動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能提升等方面提出了苛刻的要求。

2、目前，在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域，前饋控制方法已被廣泛應(yīng)用。前饋控制是一種基于對(duì)系統(tǒng)模型的預(yù)測(cè)來補(bǔ)償系統(tǒng)誤差的控制策略，通過在驅(qū)動(dòng)控制環(huán)節(jié)中施加前饋控制，可以在系統(tǒng)出現(xiàn)誤差前主動(dòng)對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，降低機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的位置跟蹤誤差，從而提高機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能，提高加工精度、加工效率和穩(wěn)定性。

3、當(dāng)前滾珠絲杠傳動(dòng)類型的機(jī)床應(yīng)用最為廣泛，針對(duì)此類型的機(jī)床，常用的前饋控制方法為基于指令的速度前饋、加速度前饋方法：通過在速度環(huán)施加速度前饋，可有效降低機(jī)床穩(wěn)速段運(yùn)行的位置跟蹤誤差；通過在電流環(huán)施加慣性力前饋，可改善機(jī)床變速段運(yùn)行的位置跟蹤誤差。

4、數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)是由數(shù)控系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)組成，其中數(shù)控系統(tǒng)端負(fù)責(zé)軌跡規(guī)劃、輸出指令；伺服控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)控制、信號(hào)；機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成運(yùn)動(dòng)。為完成整個(gè)控制過程，上述各系統(tǒng)間也存在數(shù)據(jù)的傳輸與通訊，具體如：數(shù)控系統(tǒng)輸出位置指令和前饋指令，經(jīng)過總線傳輸至伺服驅(qū)動(dòng)器；伺服驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行控制，以驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)；同時(shí)電機(jī)編碼器、位置光柵尺等測(cè)量裝置的信號(hào)會(huì)反饋至伺服驅(qū)動(dòng)器參與閉環(huán)控制，同時(shí)反饋信號(hào)也會(huì)經(jīng)過總線傳輸至數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行分析和運(yùn)算。

5、上述的數(shù)據(jù)傳輸過程將不可避免的導(dǎo)致不同控制信號(hào)之間的時(shí)序偏差，而在微米級(jí)的跟隨精度控制水平下，信號(hào)時(shí)序的偏差會(huì)顯著影響前饋控制的準(zhǔn)確性，導(dǎo)致位置跟蹤誤差降低效果差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種考慮系統(tǒng)延時(shí)的進(jìn)給系統(tǒng)前饋方法及設(shè)備，其旨在解決信號(hào)時(shí)序的偏差顯著影響前饋控制的準(zhǔn)確性而導(dǎo)致跟蹤誤差降低效果差的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種考慮系統(tǒng)延時(shí)的進(jìn)給系統(tǒng)前饋方法，該方法包括以下步驟：

3、(1)給機(jī)床輸入含有勻變速段及反向段的位置指令信號(hào)；

4、(2)開啟速度加速度前饋功能，采集并記錄此時(shí)勻變速段的位置跟蹤誤差數(shù)據(jù)e1；

5、(3)根據(jù)系統(tǒng)中存在的延時(shí)環(huán)節(jié)對(duì)速度前饋量與速度反饋量之間的相位差來進(jìn)行速度前饋量時(shí)間偏移參數(shù)的調(diào)整，并采集及記錄當(dāng)前勻變速段的位置跟蹤誤差數(shù)據(jù)e2；

6、(4)對(duì)比位置跟蹤誤差數(shù)據(jù)e1及位置跟蹤誤差數(shù)據(jù)e2，并判斷位置跟蹤誤差數(shù)據(jù)e2是否近0，如果是，則結(jié)束并得到使勻變速跟蹤誤差近0的最佳速度前饋量時(shí)間偏移參數(shù)；否則，根據(jù)得到的對(duì)比結(jié)果繼續(xù)調(diào)整速度前饋量時(shí)間偏移參數(shù)，直至勻變速跟蹤誤差近0。

7、進(jìn)一步地，調(diào)整速度前饋量時(shí)間偏移參數(shù)為正值，速度前饋量時(shí)間偏移參數(shù)調(diào)試范圍是從1開始，依次增加，增加的范圍按照勻變速段的位置跟蹤誤差情況而定。

8、進(jìn)一步地，當(dāng)位置跟蹤誤差數(shù)據(jù)e2比位置跟蹤誤差數(shù)據(jù)e1更加靠近0，但是仍然不在0附近，需要進(jìn)一步增加速度前饋量時(shí)間偏移參數(shù)。

9、進(jìn)一步地，當(dāng)位置跟蹤誤差數(shù)據(jù)e2反向遠(yuǎn)離0位置，降低速度前饋量時(shí)間偏移參數(shù)的值。

10、進(jìn)一步地，在速度反饋回路上添加延時(shí)環(huán)節(jié)，該延時(shí)環(huán)節(jié)被近似為一階慣性環(huán)節(jié)；此時(shí)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

11、

12、系統(tǒng)的位置跟蹤誤差傳遞函數(shù)為當(dāng)前傳遞函數(shù)與1的差值，即1-g(s)：

13、

14、進(jìn)一步地，根據(jù)系統(tǒng)的位置跟蹤誤差傳遞函數(shù)，求得在機(jī)床運(yùn)動(dòng)時(shí)，由時(shí)間滯后引起的穩(wěn)態(tài)誤差表達(dá)式，系統(tǒng)在勻速運(yùn)動(dòng)、變速運(yùn)動(dòng)下的位置指令分別為：

15、

16、對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行拉氏變換得：

17、

18、根據(jù)拉氏變換得終值定理，求出在勻速運(yùn)動(dòng)和變速運(yùn)動(dòng)時(shí)由時(shí)間滯后引起的穩(wěn)態(tài)誤差表達(dá)式：

19、

20、變速段跟蹤誤差與滯后時(shí)間τ、加速度a成正比。

21、進(jìn)一步地，系統(tǒng)反饋通路與前饋通路同時(shí)存在延時(shí)環(huán)節(jié)時(shí)，速度前饋通路也增加了一階慣性環(huán)節(jié)求得前饋通路與反饋回路均存在延時(shí)環(huán)節(jié)時(shí)的位置跟蹤誤差表達(dá)式：

22、

23、式中，τv,τ分別為前饋通路和反饋回路的滯后時(shí)間。

24、進(jìn)一步地，系統(tǒng)前饋回路和反饋回路同時(shí)存在時(shí)間滯后時(shí)，對(duì)勻速段的跟蹤誤差沒有影響，變速段跟蹤誤差與τv,τ,a有關(guān)，當(dāng)τv＝τ時(shí)，變速段跟蹤誤差同樣不受時(shí)間滯后的影響。

25、本發(fā)明還提供了一種考慮系統(tǒng)延時(shí)的進(jìn)給系統(tǒng)前饋系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括存儲(chǔ)器及處理器，所述存儲(chǔ)器儲(chǔ)存有計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)執(zhí)行如上所述的考慮系統(tǒng)延時(shí)的進(jìn)給系統(tǒng)前饋方法。

26、本發(fā)明還提供了一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，所述計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)有機(jī)器可執(zhí)行指令，所述機(jī)器可執(zhí)行指令在被處理器調(diào)用和執(zhí)行時(shí)，所述機(jī)器可執(zhí)行指令促使所述處理器實(shí)現(xiàn)如上所述的考慮系統(tǒng)延時(shí)的進(jìn)給系統(tǒng)前饋方法。

27、總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的考慮系統(tǒng)延時(shí)的進(jìn)給系統(tǒng)前饋方法及設(shè)備主要具有以下有益效果：

28、1.本方法通過對(duì)延時(shí)環(huán)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)償，減小了前饋控制中各環(huán)節(jié)時(shí)序?qū)ξ恢酶櫿`差的影響，在傳統(tǒng)前饋方法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低了機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的位置跟蹤誤差，達(dá)到了微米級(jí)(5μm以內(nèi))的位置跟蹤誤差控制水平。

29、2.本發(fā)明對(duì)控制回路存在延時(shí)環(huán)節(jié)的情況進(jìn)行了分析，探究了系統(tǒng)反饋回路以及前饋通路存在延時(shí)環(huán)節(jié)時(shí)，對(duì)不同速度工況下(勻速運(yùn)動(dòng)，勻變速運(yùn)動(dòng))系統(tǒng)跟蹤誤差的影響，以及對(duì)控制系統(tǒng)中存在的簡單延時(shí)環(huán)節(jié)提出了補(bǔ)償方案，可以有效得補(bǔ)償時(shí)序偏差對(duì)位置跟蹤誤差的影響。

30、3.本發(fā)明通過對(duì)傳遞函數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)速度前饋量進(jìn)行時(shí)序上的處理，提升了前饋控制的準(zhǔn)確性，與傳統(tǒng)的速度加速度前饋方法相比，進(jìn)一步提升了機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，進(jìn)一步降低了機(jī)床進(jìn)給的位置跟蹤誤差，提升了機(jī)床的加工精度。

31、4.本發(fā)明涉及的參數(shù)更少，操作更簡單，實(shí)時(shí)性更強(qiáng)。

技術(shù)特征：

1.一種考慮系統(tǒng)延時(shí)的進(jìn)給系統(tǒng)前饋方法，其特征在于：該方法包括以下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的考慮系統(tǒng)延時(shí)的進(jìn)給系統(tǒng)前饋方法，其特征在于：調(diào)整速度前饋量時(shí)間偏移參數(shù)為正值，速度前饋量時(shí)間偏移參數(shù)調(diào)試范圍是從1開始，依次增加，增加的范圍按照勻變速段的位置跟蹤誤差情況而定。

3.如權(quán)利要求1所述的考慮系統(tǒng)延時(shí)的進(jìn)給系統(tǒng)前饋方法，其特征在于：當(dāng)位置跟蹤誤差數(shù)據(jù)e2比位置跟蹤誤差數(shù)據(jù)e1更加靠近0，但是仍然不在0附近，需要進(jìn)一步增加速度前饋量時(shí)間偏移參數(shù)。

4.如權(quán)利要求1所述的考慮系統(tǒng)延時(shí)的進(jìn)給系統(tǒng)前饋方法，其特征在于：當(dāng)位置跟蹤誤差數(shù)據(jù)e2反向遠(yuǎn)離0位置，降低速度前饋量時(shí)間偏移參數(shù)的值。

5.如權(quán)利要求1所述的考慮系統(tǒng)延時(shí)的進(jìn)給系統(tǒng)前饋方法，其特征在于：在速度反饋回路上添加延時(shí)環(huán)節(jié)，該延時(shí)環(huán)節(jié)被近似為一階慣性環(huán)節(jié)；此時(shí)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

6.如權(quán)利要求5所述的考慮系統(tǒng)延時(shí)的進(jìn)給系統(tǒng)前饋方法，其特征在于：根據(jù)系統(tǒng)的位置跟蹤誤差傳遞函數(shù)，求得在機(jī)床運(yùn)動(dòng)時(shí)，由時(shí)間滯后引起的穩(wěn)態(tài)誤差表達(dá)式，系統(tǒng)在勻速運(yùn)動(dòng)、變速運(yùn)動(dòng)下的位置指令分別為：

7.如權(quán)利要求1所述的考慮系統(tǒng)延時(shí)的進(jìn)給系統(tǒng)前饋方法，其特征在于：系統(tǒng)反饋通路與前饋通路同時(shí)存在延時(shí)環(huán)節(jié)時(shí)，速度前饋通路也增加了一階慣性環(huán)節(jié)求得前饋通路與反饋回路均存在延時(shí)環(huán)節(jié)時(shí)的位置跟蹤誤差表達(dá)式：

8.如權(quán)利要求7所述的考慮系統(tǒng)延時(shí)的進(jìn)給系統(tǒng)前饋方法，其特征在于：系統(tǒng)前饋回路和反饋回路同時(shí)存在時(shí)間滯后時(shí)，對(duì)勻速段的跟蹤誤差沒有影響，變速段跟蹤誤差與τv,τ,a有關(guān)，當(dāng)τv＝τ時(shí)，變速段跟蹤誤差同樣不受時(shí)間滯后的影響。

9.一種考慮系統(tǒng)延時(shí)的進(jìn)給系統(tǒng)前饋系統(tǒng)，其特征在于：所述系統(tǒng)包括存儲(chǔ)器及處理器，所述存儲(chǔ)器儲(chǔ)存有計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)執(zhí)行權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的考慮系統(tǒng)延時(shí)的進(jìn)給系統(tǒng)前饋方法。

10.一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其特征在于：所述計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)有機(jī)器可執(zhí)行指令，所述機(jī)器可執(zhí)行指令在被處理器調(diào)用和執(zhí)行時(shí)，所述機(jī)器可執(zhí)行指令促使所述處理器實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的考慮系統(tǒng)延時(shí)的進(jìn)給系統(tǒng)前饋方法。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于數(shù)控技術(shù)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，其公開了一種考慮系統(tǒng)延時(shí)的進(jìn)給系統(tǒng)前饋方法及設(shè)備，包括以下步驟：(1)給機(jī)床輸入含有勻變速段及反向段的位置指令信號(hào)；(2)采集并記錄此時(shí)勻變速段的位置跟蹤誤差數(shù)據(jù)e1；(3)根據(jù)系統(tǒng)中存在的延時(shí)環(huán)節(jié)對(duì)速度前饋量與速度反饋量之間的相位差來進(jìn)行速度前饋量時(shí)間偏移參數(shù)的調(diào)整，并采集及記錄當(dāng)前勻變速段的位置跟蹤誤差數(shù)據(jù)e2；(4)對(duì)比e1及e2，并判斷位置跟蹤誤差數(shù)據(jù)e2是否近0，如果是，則結(jié)束并得到使勻變速跟蹤誤差近0的最佳速度前饋量時(shí)間偏移參數(shù)；否則，根據(jù)得到的對(duì)比結(jié)果繼續(xù)調(diào)整速度前饋量時(shí)間偏移參數(shù)，直至勻變速跟蹤誤差近0。本發(fā)明提高了位置跟蹤誤差控制水平。

技術(shù)研發(fā)人員：張玉飛,楊建中,周會(huì)成,黃德海,尤哲涵,許光達(dá)
受保護(hù)的技術(shù)使用者：華中科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10