CN109100987B - 一种应用于数控机床的自主调整伺服参数的智能方法 - Google Patents

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Abstract

一种应用于数控机床的自主调整伺服参数的智能方法，先采集各进给轴的速度指令序列，构建小频段内的速度指令序列，提取各个小频段内的最大幅值频率，以速度指令序列的时刻和最大幅值频率建立二维时频数组；然后构建各进给轴的伺服参数组，提取伺服特性参数，构建伺服参数组、伺服带宽的映射；再依次构建速度指令衰减量序列求解方程、各进给轴的跟随误差序列求解方程、联动轨迹误差序列求解方程、伺服特性动态匹配判据方程；然后对各进给轴的速度指令序列的各个采样位置进行搜索，获得各进给轴伺服带宽序列，将其转变为各进给轴伺服参数组时变序列，数控机床根据此自主调整各进给轴伺服参数；本发明可保证高进给速度下的复杂曲面零件轮廓精度。

Description

一种应用于数控机床的自主调整伺服参数的智能方法
技术领域
本发明属于数控机床技术领域，具体涉及一种应用于数控机床的自主调整伺服参数的智能方法。
背景技术
数控机床是一种装有数控***的自动化机床，数控***对加工G代码进行插补计算，向各个进给轴输出速度指令序列；各进给轴伺服进给***接收这些速度指令序列，驱动各进给轴联动，加工出所需要的零件。
数控机床联动精度是数控机床各进给轴联动过程中联动轨迹的精度，与切削过程中的刀具变形、振动等因素共同影响加工后的零件轮廓精度。为了保证加工零件的轮廓精度，需首先保证数控机床联动精度。联动精度由数控***插补后输出给各进给轴的速度指令序列和各进给轴伺服***自身的伺服特性共同决定。目前针对速度指令和伺服特性的优化，国内外已经开展了大量的工作，形成了指令轨迹平滑、零相差跟踪控制器(ZPETC)、速度及力矩前馈、模态滤波器、滑模控制器、交叉耦合控制器(CCC)、多轴伺服特性匹配等技术并应用于数控机床，显著提高了数控机床联动精度以及零件轮廓精度。
但是，在高进给速度下以及复杂曲面零件加工场合，由于目前的数控机床只能被动执行零件加工代码，不能根据加工过程中工况及参数变化，对自身进行调整，往往无法保证零件轮廓精度要求；只能通过降低进给速度，以牺牲加工效率的方式满足零件轮廓精度要求。
发明内容
为了克服上述现有数控机床的缺点，本发明的目的在于提供一种应用于数控机床的自主调整伺服参数的智能方法，能够根据复杂曲面零件轮廓精度和加工效率要求自主调整数控机床各进给轴的伺服参数，使加工过程中各进给轴伺服特性动态匹配，保证高进给速度下的复杂曲面零件轮廓精度。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种应用于数控机床的自主调整伺服参数的智能方法，包括以下步骤：
步骤1)，在数控***中运行待加工复杂曲面零件G代码，采集数控***插补后输出给各进给轴的速度指令序列；
步骤2)，对各进给轴的速度指令序列进行时频分析，将其变换到若干小频段内，构建小频段内的速度指令序列；
步骤3)，对各个小频段内的速度指令序列进行频谱分析，提取各个小频段内的最大幅值频率；
步骤4)，以步骤1)中速度指令序列的时刻和步骤3)中最大幅值频率为维度建立二维时频数组；
步骤5)，分析数控机床各进给轴的伺服***，将速度前馈控制器、力矩前馈控制器、陷波滤波器、模态滤波器的开启或关闭设置为开关量，将速度前馈控制器系数、力矩前馈控制器系数、陷波滤波器滤波频率、模态滤波器滤波频率、位置环增益、速度环增益及速度环积分时间常数设置为可调变量，基于上述变量，构建各进给轴的伺服参数组；
步骤6)，辨识不同伺服参数组下的幅频和相频曲线，提取伺服特性参数：伺服带宽、谐振频率与峰值、幅值剪切量和相位滞后量参数；
辨识信号采用伪随机序列和匀速运动位移相叠加的高带宽信号，根据谐振频率的分布将幅频和相频曲线划分为若干频率段；将各频率段内的幅频曲线和相频曲线分别拟合为幅值剪切量和相位滞后量与频率的函数；
步骤7)，构建伺服参数组与伺服带宽之间的映射；
步骤8)，基于步骤4)中的二维时频数组和步骤6)中的伺服特性参数，构建速度指令衰减量序列求解方程；
根据公式(1)建立速度指令衰减量序列求解方程，
Figure BDA0001775367670000031
式中，fi为最大幅值频率，
Figure BDA0001775367670000032
为最大幅值频率为fi的速度指令衰减量序列，
Figure BDA0001775367670000033
为最大幅值频率为fi的速度指令序列，ΔMi和ΔPi分别最大幅值频率fi处的幅值剪切量和相位滞后量，将各个最大幅值频率处的速度指令衰减量序列求和，构建速度指令衰减量序列求解方程；
步骤9)，基于速度指令衰减量序列求解方程求得的各进给轴的速度指令衰减量序列，构建各进给轴的跟随误差序列求解方程；
按照采样时间将各进给轴的速度指令序列划分到n个小时间段内，在tk-1～tk时间段内，将各进给轴的速度指令衰减量对时间求积分，如公式(2)所示，建立该时间段内跟随误差求解方程，
Figure BDA0001775367670000041
式中，e(k)为跟随误差，fs为伺服带宽，vf(k)为速度指令衰减量，
k＝1,2,…,n；
将tk时刻的跟随误差作为初始值，计算下一个时间段tk～tk+1的跟随误差，如公式(3)所示；依次计算各个时间段的跟随误差，建立跟随误差序列求解方程，
Figure BDA0001775367670000042
步骤10)，基于各进给轴的跟随误差序列求解方程求得各进给轴的跟随误差序列，构建联动轨迹误差序列求解方程；
将各进给轴合成指令轨迹到理想指令轨迹的最短距离设为联动轨迹误差，通过空间几何矢量法，建立各进给轴的跟随误差序列引起的联动轨迹误差序列求解方程，如公式(4)和(5)所示，
Figure BDA0001775367670000051
式中，
Figure BDA0001775367670000055
为X轴跟随误差序列中的第k个值，对应的伺服带宽为fsx(k)，其它两个直线轴Y、Z和旋转轴A、C的表示方法类同；
Figure BDA0001775367670000053
为联动轨迹误差序列沿X方向的分量的第k个值，对应的各进给轴伺服带宽分别为fsx(k)、fsy(k)、fsz(k)、fsa(k)、fsc(k)，其余两个方向的联动轨迹误差序列的分量表示方法类同；矩阵C为空间几何矢量变化矩阵，
Figure BDA0001775367670000052
式中，
Figure BDA0001775367670000054
是联动轨迹误差序列中的第k个值，对应的各进给轴伺服带宽分别为fsx(k)、fsy(k)、fsz(k)、fsa(k)、fsc(k)；
步骤11)，基于联动轨迹误差序列求解方程求得联动轨迹误差序列，以联动轨迹误差序列满足复杂曲面零件的轮廓精度要求为匹配条件，构建以各进给轴伺服带宽为变量的伺服特性动态匹配判据方程；
将公式5)中联动轨迹误差序列的所有值，均小于复杂曲面零件允许的轮廓误差设为伺服动态特性匹配判据方程，如公式(6)所示，表征在进给过程各个时刻，各进给轴伺服带宽应该满足的约束关系，
Figure BDA0001775367670000063
式中，εp为复杂曲面零件允许的轮廓误差；
步骤12)，根据步骤7)中伺服参数组与伺服带宽之间的映射，构建各进给轴伺服带宽搜索域，如公式(7)所示，
Figure BDA0001775367670000061
步骤13)，根据各进给轴的伺服带宽搜索域确定各进给轴伺服带宽的搜索初始值，以步骤11)中的伺服特性动态匹配判据方程为收敛条件，对各进给轴的速度指令序列的各个采样位置进行搜索，获得各进给轴伺服带宽序列；
将各进给轴伺服带宽的最小值和最大值设为搜索初始值，如公式(8)所示，
Figure BDA0001775367670000062
公式(8)中，每个进给轴的伺服带宽具有两个边值，根据各进给轴伺服带宽边值的所有组合，构建32个数组，如式(9)所示，
Figure BDA0001775367670000071
采用公式(5)和(6)求解32个伺服带宽边值组合下的联动轨迹误差，以32个联动轨迹误差全部满足伺服特性动态匹配判据方程作为收敛条件；
当收敛条件不满足时，根据32个联动轨迹误差最小值对应的各进给轴伺服带宽，重新设置伺服带宽的边值；当联动轨迹误差最小值对应伺服带宽最大边值时，根据公式(10)重新设置伺服带宽最小边值；当联动轨迹误差最小值对应伺服带宽最小边值时，根据公式(11)重新设置伺服带宽最大边值，
Figure BDA0001775367670000072
Figure BDA0001775367670000073
采用上述搜索算法对各进给轴的速度指令序列的各个采样位置进行搜索，获得各进给轴伺服带宽序列；
步骤14)，基于步骤7)中伺服参数组与伺服带宽之间的映射，将步骤13)中各进给轴伺服带宽序列转变为各进给轴伺服参数组时变序列；
15)加工过程中，数控机床根据各进给轴伺服参数组时变序列自主调整各进给轴伺服参数。
本发明的有益效果为：
本发明通过自主调整伺服参数，根据复杂曲面零件轮廓精度和加工效率要求，实时计算数控机床各进给轴伺服参数组时变序列，并自主调整数控机床各进给轴的伺服参数。与现有数控机床内各进给轴的伺服参数固定不变相比，具有实时性、智能性，可保证高进给速度下的复杂曲面零件轮廓精度。
附图说明
图1为本发明方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细描述。
如图1所示，一种应用于数控机床的自主调整伺服参数的智能方法，包括以下步骤：
步骤1)，在数控***中运行待加工复杂曲面零件G代码，采集数控***插补后输出给各进给轴的速度指令序列；
步骤2)，采用小波变换对各进给轴速度指令序列进行时频分析，将其变换到若干小频段内，构建小频段内的速度指令序列；
步骤3)，采用离散傅里叶变换对各个小频段内的速度指令序列进行频谱分析，提取各个小频段内的最大幅值频率；
步骤4)，以步骤1)中速度指令序列的时刻和步骤3)中最大幅值频率为维度建立二维时频数组，二维时频数组中的元素表示频率为最大幅值频率的速度指令谐波在某时刻的幅值大小；
步骤5)，分析数控机床各进给轴的伺服***，将速度前馈控制器、力矩前馈控制器、陷波滤波器、模态滤波器的开启或关闭设置为开关量，将速度前馈控制器系数、力矩前馈控制器系数、陷波滤波器滤波频率、模态滤波器滤波频率、位置环增益、速度环增益及速度环积分时间常数设置为可调变量，基于上述变量，构建各进给轴的伺服参数组；
步骤6)，辨识不同伺服参数组下的幅频和相频曲线，提取伺服特性参数：伺服带宽、谐振频率与峰值、幅值剪切量和相位滞后量参数；
辨识信号采用伪随机序列和匀速运动位移相叠加的高带宽信号，以充分激励进给***的低、中、高阶模态；根据谐振频率的分布将幅频和相频曲线划分为若干频率段；将各频率段内的幅频曲线和相频曲线分别拟合为幅值剪切量和相位滞后量与频率的函数；
步骤7)，构建伺服参数组与伺服带宽之间的映射；
步骤8)，基于步骤4)中的二维时频数组和步骤6)中的伺服特性参数，构建速度指令衰减量序列求解方程；根据二维时频数组中各个最大幅值频率，分析相应频率处的幅值剪切量和相位滞后量，考虑幅值剪切量和相位滞后量对速度指令衰减量的影响，根据公式(1)建立速度指令衰减量序列求解方程，
Figure BDA0001775367670000101
式中，fi为最大幅值频率，
Figure BDA0001775367670000102
为最大幅值频率为fi的速度指令衰减量序列，
Figure BDA0001775367670000103
为最大幅值频率为fi的速度指令序列，ΔMi和ΔPi分别最大幅值频率fi处的幅值剪切量和相位滞后量，将各个最大幅值频率处的速度指令衰减量序列求和，构建速度指令衰减量序列求解方程；
(9)基于速度指令衰减量序列求解方程求得的各进给轴的速度指令衰减量序列，构建各进给轴的跟随误差序列求解方程；
按照采样时间将各进给轴的速度指令序列划分到n个小时间段内，在tk-1～tk时间段内，将各进给轴的速度指令衰减量对时间求积分，如公式(2)，建立该时间段内跟随误差求解方程，
Figure BDA0001775367670000104
式中，e(k)为跟随误差，fs为伺服带宽，vf(k)为速度指令衰减量，
k＝1,2,…,n；
将tk时刻的跟随误差作为初始值，计算下一个时间段tk～tk+1的跟随误差，如公式(3)所示；依次计算各个时间段的跟随误差，建立跟随误差序列求解方程，
Figure BDA0001775367670000111
(10)基于各进给轴的跟随误差序列求解方程求得的各进给轴的跟随误差序列，构建联动轨迹误差序列求解方程；
基于采集的各进给轴的速度指令序列，在机床坐标系中构建理想指令轨迹，针对复杂曲面零件加工中普遍采用的点铣削加工方式，建立各进给轴的跟随误差与联动轨迹误差之间的几何关系；
将各进给轴合成指令轨迹到理想指令轨迹的最短距离设为联动轨迹误差，通过空间几何矢量法，建立各进给轴的跟随误差序列引起的联动轨迹误差序列求解方程，如公式(4)和(5)所示，
Figure BDA0001775367670000112
式中，
Figure BDA0001775367670000114
为X轴跟随误差序列中的第k个值，对应的伺服带宽为fsx(k)，其它两个直线轴Y、Z和旋转轴A、C的表示方法类同；
Figure BDA0001775367670000115
为联动轨迹误差序列沿X方向的分量的第k个值，对应的各进给轴伺服带宽分别为fsx(k)、fsy(k)、fsz(k)、fsa(k)、fsc(k)，其余两个方向的联动轨迹误差序列的分量表示方法类同；矩阵C为空间几何矢量变化矩阵，
Figure BDA0001775367670000113
式中，
Figure BDA0001775367670000122
是联动轨迹误差序列中的第k个值，对应的各进给轴伺服带宽分别为fsx(k)、fsy(k)、fsz(k)、fsa(k)、fsc(k)；
步骤11)，基于联动轨迹误差序列求解方程求得联动轨迹误差序列，以联动轨迹误差序列满足复杂曲面零件的轮廓精度要求为匹配条件，构建以各进给轴伺服带宽为变量的伺服特性动态匹配判据方程；
将公式5)中联动轨迹误差序列的所有值，均小于复杂曲面零件允许的轮廓误差设为伺服动态特性匹配判据方程，如公式(6)所示，表征在进给过程各个时刻，各进给轴伺服带宽应该满足的约束关系，
Figure BDA0001775367670000123
式中，εp为复杂曲面零件允许的轮廓误差；
步骤12)，根据步骤7)中伺服参数组与伺服带宽之间的映射，构建各进给轴伺服带宽搜索域，如公式(7)所示，
Figure BDA0001775367670000121
步骤13)，根据各进给轴的伺服带宽搜索域，将各进给轴伺服带宽的最小值和最大值设为搜索初始值，如公式(8)所示，
Figure BDA0001775367670000131
公式(8)中，每个进给轴的伺服带宽具有两个边值，根据各进给轴伺服带宽边值的所有组合，构建32个数组，如式(9)所示，
Figure BDA0001775367670000132
采用公式(5)和(6)求解32个伺服带宽边值组合下的联动轨迹误差，以32个联动轨迹误差全部满足伺服特性动态匹配判据方程作为收敛条件；
当收敛条件不满足时，根据32个联动轨迹误差最小值对应的各进给轴伺服带宽，重新设置伺服带宽的边值；当联动轨迹误差最小值对应伺服带宽最大边值时，根据公式(10)重新设置伺服带宽最小边值；当联动轨迹误差最小值对应伺服带宽最小边值时，根据公式(11)重新设置伺服带宽最大边值，
Figure BDA0001775367670000141
Figure BDA0001775367670000142
采用上述搜索算法对各进给轴的速度指令序列的各个采样位置进行搜索，获得各进给轴伺服带宽序列；
步骤14)，基于步骤7)中伺服参数组与伺服带宽之间的映射，将各进给轴伺服带宽序列转变为各进给轴伺服参数组时变序列；
步骤15)加工过程中，数控机床根据各进给轴伺服参数组时变序列自主调整各进给轴伺服参数。

Claims (1)

1.一种应用于数控机床的自主调整伺服参数的智能方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)，在数控***中运行待加工复杂曲面零件G代码，采集数控***插补后输出给各进给轴的速度指令序列；
步骤2)，对各进给轴的速度指令序列进行时频分析，将其变换到若干小频段内，构建小频段内的速度指令序列；
步骤3)，对各个小频段内的速度指令序列进行频谱分析，提取各个小频段内的最大幅值频率；
步骤4)，以步骤1)中速度指令序列的时刻和步骤3)中最大幅值频率为维度建立二维时频数组；
步骤5)，分析数控机床各进给轴的伺服***，将速度前馈控制器、力矩前馈控制器、陷波滤波器、模态滤波器的开启或关闭设置为开关量，将速度前馈控制器系数、力矩前馈控制器系数、陷波滤波器滤波频率、模态滤波器滤波频率、位置环增益、速度环增益及速度环积分时间常数设置为可调变量，基于上述变量，构建各进给轴的伺服参数组；
步骤6)，辨识不同伺服参数组下的幅频和相频曲线，提取伺服特性参数：伺服带宽、谐振频率与峰值、幅值剪切量和相位滞后量参数；
辨识信号采用伪随机序列和匀速运动位移相叠加的高带宽信号，根据谐振频率的分布将幅频和相频曲线划分为若干频率段；将各频率段内的幅频曲线和相频曲线分别拟合为幅值剪切量和相位滞后量与频率的函数；
步骤7)，构建伺服参数组与伺服带宽之间的映射；
步骤8)，基于步骤4)中的二维时频数组和步骤6)中的伺服特性参数，构建速度指令衰减量序列求解方程；
根据公式(1)建立速度指令衰减量序列求解方程，
Figure FDA0002136774760000021
式中，n为划分的小频段数目，i为每个小频段内频谱序列点对应的序号，t为时间间隔，fi为最大幅值频率，
Figure FDA0002136774760000022
为最大幅值频率为fi的速度指令衰减量序列，
Figure FDA0002136774760000023
为最大幅值频率为fi的速度指令序列，ΔMi和ΔPi分别最大幅值频率fi处的幅值剪切量和相位滞后量，将各个最大幅值频率处的速度指令衰减量序列求和，构建速度指令衰减量序列求解方程；
步骤9)，基于速度指令衰减量序列求解方程求得的各进给轴的速度指令衰减量序列，构建各进给轴的跟随误差序列求解方程；
按照采样时间将各进给轴的速度指令序列划分到n个小时间段内，在tk-1～tk时间段内，将各进给轴的速度指令衰减量对时间求积分，如公式(2)所示，建立该时间段内跟随误差求解方程，
Figure FDA0002136774760000031
式中，e(k)为跟随误差，fs为伺服带宽，vf(k)为速度指令衰减量，k＝1,2,…,n；
将tk时刻的跟随误差作为初始值，计算下一个时间段tk～tk+1的跟随误差，如公式(3)所示；依次计算各个时间段的跟随误差，建立跟随误差序列求解方程，
Figure FDA0002136774760000032
步骤10)，基于各进给轴的跟随误差序列求解方程求得各进给轴的跟随误差序列，构建联动轨迹误差序列求解方程；
将各进给轴合成指令轨迹到理想指令轨迹的最短距离设为联动轨迹误差，通过空间几何矢量法，建立各进给轴的跟随误差序列引起的联动轨迹误差序列求解方程，如公式(4)和(5)所示，
Figure FDA0002136774760000033
式中，
Figure FDA0002136774760000034
为X轴跟随误差序列中的第k个值，对应的伺服带宽为fsx(k)，其它两个直线轴Y、Z和旋转轴A、C的表示方法类同；
Figure FDA0002136774760000035
为联动轨迹误差序列沿X方向的分量的第k个值，对应的各进给轴伺服带宽分别为fsx(k)、fsy(k)、fsz(k)、fsa(k)、fsc(k)，其余两个方向的联动轨迹误差序列的分量表示方法类同；矩阵C为空间几何矢量变化矩阵，
Figure FDA0002136774760000041
式中，
Figure FDA0002136774760000042
是联动轨迹误差序列中的第k个值，对应的各进给轴伺服带宽分别为fsx(k)、fsy(k)、fsz(k)、fsa(k)、fsc(k)；
步骤11)，基于联动轨迹误差序列求解方程求得联动轨迹误差序列，以联动轨迹误差序列满足复杂曲面零件的轮廓精度要求为匹配条件，构建以各进给轴伺服带宽为变量的伺服特性动态匹配判据方程；
将公式5)中联动轨迹误差序列的所有值，均小于复杂曲面零件允许的轮廓误差设为伺服动态特性匹配判据方程，如公式(6)所示，表征在进给过程各个时刻，各进给轴伺服带宽应该满足的约束关系，
Figure FDA0002136774760000043
式中，εp为复杂曲面零件允许的轮廓误差；
步骤12)，根据步骤7)中伺服参数组与伺服带宽之间的映射，构建各进给轴伺服带宽搜索域，如公式(7)所示，
Figure FDA0002136774760000044
步骤13)，根据各进给轴的伺服带宽搜索域确定各进给轴伺服带宽的搜索初始值，以步骤11)中的伺服特性动态匹配判据方程为收敛条件，对各进给轴的速度指令序列的各个采样位置进行搜索，获得各进给轴伺服带宽序列；
将各进给轴伺服带宽的最小值和最大值设为搜索初始值，如公式(8)所示，
Figure FDA0002136774760000051
公式(8)中，每个进给轴的伺服带宽具有两个边值，根据各进给轴伺服带宽边值的所有组合，构建32个数组，如式(9)所示，
Figure FDA0002136774760000052
采用公式(5)和(6)求解32个伺服带宽边值组合下的联动轨迹误差，以32个联动轨迹误差全部满足伺服特性动态匹配判据方程作为收敛条件；
当收敛条件不满足时，根据32个联动轨迹误差最小值对应的各进给轴伺服带宽，重新设置伺服带宽的边值；当联动轨迹误差最小值对应伺服带宽最大边值时，根据公式(10)重新设置伺服带宽最小边值；当联动轨迹误差最小值对应伺服带宽最小边值时，根据公式(11)重新设置伺服带宽最大边值，
Figure FDA0002136774760000061
Figure FDA0002136774760000062
采用上述搜索算法对各进给轴的速度指令序列的各个采样位置进行搜索，获得各进给轴伺服带宽序列；
步骤14)，基于步骤7)中伺服参数组与伺服带宽之间的映射，将步骤13)中各进给轴伺服带宽序列转变为各进给轴伺服参数组时变序列；
15)加工过程中，数控机床根据各进给轴伺服参数组时变序列自主调整各进给轴伺服参数。
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