專利名稱：一種數(shù)控機床伺服系統(tǒng)摩擦誤差補償方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)控機床技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種數(shù)控機床誤差補償方法，尤其是一種針對數(shù)控機床伺服系統(tǒng)摩擦誤差補償方法。該摩擦誤差補償方法具有高精度、智能化等優(yōu)點
背景技術(shù)：
摩擦是引起高速、高精度數(shù)控機床動態(tài)誤差主要因素之一，且不利于運動控制精度的提高。數(shù)控機床摩擦特征在低速時表現(xiàn)為強烈的非線性，主要表現(xiàn)為在速度過零時，非線性的摩擦力的作用使得數(shù)控系統(tǒng)無法通過自身控制器來完全消除由摩擦帶來的不利影響。由于摩擦誤差嚴重地限制數(shù)控機床輪廓精度的提高，因此，關(guān)于伺服系統(tǒng)摩擦誤差高精度、智能補償一直是高速、高精度數(shù)控技術(shù)研究的熱點和難點。傳統(tǒng)數(shù)控機床伺服系統(tǒng)摩擦誤差補償主要依靠調(diào)試人員工程調(diào)試經(jīng)驗且耗時、費力，無法達到最優(yōu)摩擦誤差補償效果。由于數(shù)控機床伺服系統(tǒng)摩擦特性具有時變特征，為了保持數(shù)控機床加工精度，需要調(diào)試人員不斷調(diào)整相關(guān)摩擦誤差補償參數(shù)導致需要耗費大量人力、生產(chǎn)時間，從而不利于數(shù)控機床生產(chǎn)效率的提高。高精度智能摩擦補償方法更為實際可行有效，可以達到很高的摩擦誤差補償精度且無需人工調(diào)試經(jīng)驗，能夠智能匹配最優(yōu)摩擦誤差補償參數(shù)，從而節(jié)省調(diào)試時間、提高數(shù)控機床生產(chǎn)效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種數(shù)控機床伺服系統(tǒng)摩擦誤差補償方法，該方法采用摩擦誤差學習模式與摩擦誤差補償模式。在摩擦誤差學習模式下，可自動對數(shù)控機床摩擦補償特性參數(shù)進行學習，在摩擦誤差補償模式下，可自動實現(xiàn)數(shù)控機床不同工況下的高精度摩擦補償，從而達到提高數(shù)控機床生產(chǎn)效率及加工精度的目的。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來解決的本發(fā)明種數(shù)控機床伺服系統(tǒng)摩擦誤差補償方法，包括以下步驟I)首先依據(jù)數(shù)控機床用戶需求，讀取摩擦誤差補償模塊相關(guān)設(shè)置參數(shù)；2)根據(jù)輸入的參數(shù)，摩擦誤差補償模塊進行模塊工作模式選擇；摩擦誤差補償模塊，通過模塊工作模式選擇，工作在摩擦誤差補償模式或摩擦誤差學習模式下，其中摩擦誤差學習模式下，摩擦誤差補償模塊通過粗學習器、精學習器、智能函數(shù)生成器來生成精學習摩擦補償量函數(shù)；在摩擦誤差補償模式下，摩擦誤差補償模塊通過精學習摩擦補償量函數(shù)、摩擦補償器、反向點判別器、摩擦補償效果評價器實現(xiàn)數(shù)控機床高精度摩擦補償；3)設(shè)置摩擦誤差補償模塊工作模式為摩擦誤差補償模式，當數(shù)控機床運動時，精學習摩擦補償量函數(shù)生成精摩擦補償量，摩擦補償器依據(jù)反向點判別器的輸出結(jié)果，實現(xiàn)數(shù)控機床的高精度摩擦補償，在此過程中，摩擦補償效果評價器對摩擦補償效果進行評價；4)若摩擦補償效果不滿足要求，根據(jù)實際摩擦補償效果要求，重新設(shè)置摩擦誤差補償模塊相關(guān)參數(shù)并將摩擦誤差補償模塊工作模式設(shè)置為摩擦誤差學習模式；
5)設(shè)置摩擦誤差補償模塊工作模式為摩擦誤差學習模式，數(shù)控機床按照正余弦粗學習運動軌跡程序進行運動，摩擦誤差補償模塊采集的相關(guān)運動信號，粗學習器進行相關(guān)計算從而得到與反向點加速度對應的最優(yōu)粗摩擦補償量數(shù)組；6)在最優(yōu)粗摩擦補償量數(shù)組的基礎(chǔ)上，數(shù)控機床按照正余弦精學習運動軌跡程序進行運動，摩擦誤差補償模塊采集相關(guān)運動信號，精學習器對最優(yōu)粗摩擦補償量數(shù)組進行相關(guān)計算從而得到與反向點加速度對應的最優(yōu)精摩擦補償量數(shù)組；7)將步驟6)中得到的最優(yōu)精摩擦補償量數(shù)組輸入到智能函數(shù)生成器中，通過相關(guān)智能算法自動生成精學習摩擦補償量函數(shù)，摩擦誤差學習模式結(jié)束；8)設(shè)置摩擦誤差補償模塊工作模式為摩擦誤差補償模式，當數(shù)控機床運動時，精學習摩擦補償量函數(shù)根據(jù)數(shù)控機床所處工況自動計算出精摩擦補償量；摩擦補償器依據(jù)反向點判別器輸出的相關(guān)信號，將精摩擦補償量脈沖加入到數(shù)控機床相應運動軸伺服控制器速度環(huán)速度指令中，從而實現(xiàn)對數(shù)控機床伺服系統(tǒng)摩擦誤差的高精度補償；9)若數(shù)控機床運動過程中，摩擦補償效果不滿足實際要求，則重復步驟4)至步驟8)，實現(xiàn)數(shù)控機床摩擦誤差高精度補償并滿足摩擦誤差補償效果要求；進一步的，上述步驟I)中，所述摩擦誤差補償模塊相關(guān)參數(shù)為最小加速度Accmin、最大加速度Accmax、加速度區(qū)間I特征值A(chǔ)ccl、加速度區(qū)間2特征值A(chǔ)cc2,上述加速度量均為反向點的加速度值、加速度區(qū)間I步長數(shù)Numl、加速度區(qū)間2步長數(shù)Num2、加速度區(qū)間3步長數(shù)Num3、粗學習運動循環(huán)次數(shù)Coase_num、精學習運動循環(huán)次數(shù)Fine_num、摩擦誤差補償模塊工作模式選擇參數(shù)Frilearn_flag、摩擦補償時間Fcompen_time、粗學習摩擦補償量初始值Fini_value、粗學習摩擦補償增量CoaFvalue_step、精學習摩擦補償增量FineFvalue_step,摩擦補償效果要求值Fricmd。上述步驟2)中，所述摩擦誤差補償模塊進行其工作模式選擇，如果摩擦誤差補償模塊工作模式選擇參數(shù)Frilearn_flag=0,則進入摩擦誤差補償模式,如果摩擦誤差補償模塊工作模式選擇參數(shù)Frilearn_flag=l,則進入摩擦誤差學習模式；上述步驟3)中，當數(shù)控機床運動時，精學習摩擦補償量函數(shù)依據(jù)機床運動軌跡處于反向點時的加速度值自動計算出精摩擦補償量。上述步驟5)中，數(shù)控機床按照正余弦粗學習運動軌跡程序進行運動時，粗學習器開始工作，反向點判別器依據(jù)摩擦誤差補償模塊采集的運動位置指令信號，進行反向點判別；當反向點判別器判斷出機床運動位置指令處于反向點時，粗摩擦補償發(fā)生器進行粗摩擦補償，摩擦補償效果評價器進行摩擦補償效果評價；當該反向點加速度下的粗摩擦補償?shù)拇螖?shù)達到粗學習運動循環(huán)次數(shù)時，粗學習加速度更新器將更新后的加速度值輸入到數(shù)控機床正余弦粗學習運動軌跡程序中，從而改變數(shù)控機床運動軌跡，當數(shù)控機床運動軌跡反向點加速度值大于Accmax時，由摩擦補償效果評價器得到最優(yōu)摩擦粗補償量數(shù)組，粗學習器結(jié)束工作。上述步驟6)中，數(shù)控機床按照正余弦精學習運動軌跡程序進行運動時，精學習器開始工作，反向點判別器依據(jù)摩擦補償誤差模塊采集運動位置指令信號，進行反向點判別；當反向點判別器判斷出機床運動位置指令處于反向點時，精摩擦補償發(fā)生器進行精摩擦補償，摩擦補償效果評價器進行摩擦補償效果評價；當該反向點加速度下的精摩擦補償?shù)拇螖?shù)達到精學習運動循環(huán)次數(shù)時，精學習加速度更新器將更新后的加速度值輸入到數(shù)控機床正余弦精學習運動軌跡程序中，從而改變數(shù)控機床運動軌跡，當數(shù)控機床運動軌跡反向點加速度值大于Accmax時，由摩擦補償效果評價器得到最優(yōu)精摩擦補償量數(shù)組，精學習器結(jié)束工作。上述步驟8)中，所述摩擦補償器依據(jù)反向點判別器輸出的相關(guān)信號，將精摩擦補償量生成具有正負號的精摩擦補償量脈沖并將該脈沖加入到數(shù)控機床相應運動軸伺服控制器速度環(huán)速度指令中，從而實現(xiàn)數(shù)控機床伺服系統(tǒng)摩擦誤差高精度補償。本發(fā)明具有以下有益效果(I)本發(fā)明采用數(shù)控機床摩擦誤差補償模塊運行相關(guān)智能算法，得到數(shù)控機床伺服系統(tǒng)在各工況下最優(yōu)精摩擦補償量脈沖，避免了依靠人工經(jīng)驗調(diào)試耗時且無法得到最佳摩擦補償參數(shù)等缺點，提高了摩擦誤差補償?shù)木取?2)本發(fā)明可依據(jù)用戶設(shè)置的相關(guān)摩擦誤差補償模塊參數(shù)，通過對有關(guān)數(shù)據(jù)的采集與計算，自動地執(zhí)行摩擦誤差學習模式或摩擦誤差補償模式，滿足了用戶對數(shù)控機床伺服系統(tǒng)摩擦誤差高精度補償?shù)男枨?。本發(fā)明采用的摩擦誤差補償方法具有摩擦誤差補償精度高、自動智能且無需用戶調(diào)試經(jīng)驗等優(yōu)點，可明顯提高數(shù)控機床加工精度及生產(chǎn)效率。


圖1是數(shù)控機床伺服系統(tǒng)摩擦誤差補償基本原理示意圖；圖2是數(shù)控機床正余弦粗學習及精學習運動軌跡示意圖；圖3是粗學習器及精學習器工作原理圖；圖4是智能函數(shù)生成器工作原理圖；圖5是數(shù)控機床摩擦誤差補償模塊工作原理示意圖；圖6是X軸精學習摩擦補償量函數(shù)曲線及最優(yōu)精摩擦補償量數(shù)組曲線對比圖；圖7是y軸精學習摩擦補償量函數(shù)曲線及最優(yōu)精摩擦補償量數(shù)組曲線對比圖；圖8是在F=1000mm/min，R=50mm，x/y軸聯(lián)動圓誤差軌跡，其中，圖8 (a)為未摩擦補償?shù)玫降膱A誤差結(jié)果，圖8 (b)為采用本發(fā)明模塊在摩擦誤差補償模式下的圓誤差結(jié)果；圖9是在F=2000mm/min, R=50mm, x/y軸聯(lián)動圓誤差軌跡,其中，圖9 Ca)為未采用本發(fā)明的摩擦誤差補償方法得到的圓誤差結(jié)果，圖9 (b)為采用本發(fā)明模塊在摩擦誤差補償模式下的圓誤差結(jié)果；圖10是在F=3000mm/min，R=50mm，x/y軸聯(lián)動圓誤差軌跡，其中，圖10 (a)為未摩擦補償?shù)玫降膱A誤差結(jié)果，圖10 (b)為采用本發(fā)明模塊在摩擦誤差補償模式下的圓誤差結(jié)果O
具體實施例方式本發(fā)明的數(shù)控機床伺服控制系統(tǒng)摩擦誤差補償方法包括以下步驟I)首先依據(jù)用戶需求，需設(shè)置的摩擦誤差補償模塊的參數(shù)有最小加速度Accmin、最大加速度Accmax、加速度區(qū)間I特征值A(chǔ)ccl、加速度區(qū)間2特征值A(chǔ)cc2,上述加速度量均為反向點的加速度值、加速度區(qū)間I步長數(shù)Numl、加速度區(qū)間2步長數(shù)Num2、加速度區(qū)間3步長數(shù)Num3、粗學習運動循環(huán)次數(shù)Coase_num、精學習運動循環(huán)次數(shù)Fine_num、摩擦誤差補償模塊工作模式選擇參數(shù)Frilearn_flag、摩擦補償時間Fcompen_time、粗學習摩擦補償量初始值Fini_value、粗學習摩擦補償增量CoaFvalue_step、精學習摩擦補償增量FineFvalue_step,摩擦補償效果要求值Fricmd ；2)根據(jù)輸入的相關(guān)參數(shù)，摩擦誤差補償模塊進行摩擦誤差補償模塊工作模式選擇。如圖5所示,如果摩擦誤差補償模塊工作模式選擇參數(shù)Frilearn_flag=0,則進入摩擦誤差補償模式，如果摩擦誤差補償模塊工作模式選擇參數(shù)Frilearn_flag=l,則進入摩擦誤差學習模式；3)設(shè)置摩擦誤差補償模塊工作模式為摩擦誤差補償模式，即摩擦誤差補償模塊エ作模式選擇參數(shù)Frilearn_flag=0。當數(shù)控機床運動時,精學習摩擦補償量函數(shù),依據(jù)處于反向點時的加速度值，自動生成精摩擦補償量。摩擦補償器依據(jù)反向點判別器的輸出結(jié)果，實現(xiàn)數(shù)控機床的高精度摩擦補償，在此過程中，摩擦補償效果評價器對摩擦補償效果進行評價；4)若摩擦補償效果不滿足要求，即摩擦補償效果要求值Fricmd小于摩擦補償效果評價器函數(shù)值F，則需要根據(jù)實際摩擦補償效果要求，重新設(shè)置摩擦誤差補償模塊相關(guān)參數(shù)，并將摩擦誤差補償模塊工作模式設(shè)置為摩擦誤差學習模式即設(shè)置Frilearn_flag=l ；5)粗學習器工作開始，數(shù)控機床按照特定的正余弦粗學習運動軌跡程序進行運動。該數(shù)控機床運動軌跡為正余弦位置軌跡如圖2所示，該軌跡加速度幅值等于其反向點處的加速度值即等效走圓位置軌跡時的向心加速度值。其證明過程如下式(I) 一(8)所示。同時，摩擦誤差補償模塊采集運動位置指令信號及機床工作臺實際運動位置信號；設(shè)數(shù)控機床X軸其位置軌跡為正弦曲線，表達式為
權(quán)利要求
1.一種數(shù)控機床伺服系統(tǒng)摩擦誤差補償方法，其特征在于，包括以下步驟 1)首先依據(jù)數(shù)控機床用戶需求，讀取摩擦誤差補償模塊相關(guān)設(shè)置參數(shù)； 2)根據(jù)輸入的參數(shù)，摩擦誤差補償模塊進行模塊工作模式選擇；摩擦誤差補償模塊，通過模塊工作模式選擇，工作在摩擦誤差補償模式或摩擦誤差學習模式下，其中摩擦誤差學習模式下，摩擦誤差補償模塊通過粗學習器、精學習器、智能函數(shù)生成器來生成精學習摩擦補償量函數(shù)；在摩擦誤差補償模式下，摩擦誤差補償模塊通過精學習摩擦補償量函數(shù)、摩擦補償器、反向點判別器、摩擦補償效果評價器實現(xiàn)數(shù)控機床高精度摩擦補償； 3)設(shè)置摩擦誤差補償模塊工作模式為摩擦誤差補償模式，當數(shù)控機床運動時，精學習摩擦補償量函數(shù)生成精摩擦補償量，摩擦補償器依據(jù)反向點判別器的輸出結(jié)果，實現(xiàn)數(shù)控機床的高精度摩擦補償，在此過程中，摩擦補償效果評價器對摩擦補償效果進行評價； 4)若摩擦補償效果不滿足要求，根據(jù)實際摩擦補償效果要求，重新設(shè)置摩擦誤差補償模塊相關(guān)參數(shù)并將摩擦誤差補償模塊工作模式設(shè)置為摩擦誤差學習模式； 5)設(shè)置摩擦誤差補償模塊工作模式為摩擦誤差學習模式，數(shù)控機床按照正余弦粗學習運動軌跡程序進行運動，摩擦誤差補償模塊采集的相關(guān)運動信號，粗學習器進行相關(guān)計算從而得到與反向點加速度對應的最優(yōu)粗摩擦補償量數(shù)組； 6)在最優(yōu)粗摩擦補償量數(shù)組的基礎(chǔ)上，數(shù)控機床按照正余弦精學習運動軌跡程序進行運動，摩擦誤差補償模塊采集相關(guān)運動信號，精學習器對最優(yōu)粗摩擦補償量數(shù)組進行相關(guān)計算從而得到與反向點加速度對應的最優(yōu)精摩擦補償量數(shù)組； 7)將步驟6)中得到的最優(yōu)精摩擦補償量數(shù)組輸入到智能函數(shù)生成器中，通過相關(guān)智能算法自動生成精學習摩擦補償量函數(shù)，摩擦誤差學習模式結(jié)束； 8)設(shè)置摩擦誤差補償模塊工作模式為摩擦誤差補償模式，當數(shù)控機床運動時，精學習摩擦補償量函數(shù)根據(jù)數(shù)控機床所處工況自動計算出精摩擦補償量；摩擦補償器依據(jù)反向點判別器輸出的相關(guān)信號，將精摩擦補償量脈沖加入到數(shù)控機床相應運動軸伺服控制器速度環(huán)速度指令中，從而實現(xiàn)對數(shù)控機床伺服系統(tǒng)摩擦誤差的高精度補償； 9)若數(shù)控機床運動過程中，摩擦補償效果不滿足實際要求，則重復步驟4)至步驟8)，實現(xiàn)數(shù)控機床摩擦誤差高精度補償并滿足摩擦誤差補償效果要求。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)控機床伺服系統(tǒng)摩擦誤差補償方法，其特征在于步驟I)中，所述摩擦誤差補償模塊相關(guān)參數(shù)為最小加速度Accmin、最大加速度Accmax、加速度區(qū)間I特征值A(chǔ)ccl、加速度區(qū)間2特征值A(chǔ)cc2，上述加速度量均為反向點的加速度值、加速度區(qū)間I步長數(shù)Numl、加速度區(qū)間2步長數(shù)Num2、加速度區(qū)間3步長數(shù)Num3、粗學習運動循環(huán)次數(shù)Coase_num、精學習運動循環(huán)次數(shù)Fine_num、摩擦誤差補償模塊工作模式選擇參數(shù)Frilearn_flag、摩擦補償時間Fcompen_time、粗學習摩擦補償量初始值Fini_value、粗學習摩擦補償增量CoaFvalue_step、精學習摩擦補償增量FineFvalue_step,摩擦補償效果要求值Fricmd。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)控機床伺服系統(tǒng)摩擦誤差補償方法，其特征在于步驟2)中，所述摩擦誤差補償模塊進行其工作模式選擇，如果摩擦誤差補償模塊工作模式選擇參數(shù)Frilearn_flag=0,則進入摩擦誤差補償模式,如果摩擦誤差補償模塊工作模式選擇參數(shù)Frilearn_flag=l,貝U進入摩擦誤差學習模式。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)控機床伺服系統(tǒng)摩擦誤差補償方法，其特征在于步驟3)中，當數(shù)控機床運動時，精學習摩擦補償量函數(shù)依據(jù)機床運動軌跡處于反向點時的加速度值自動計算出精摩擦補償量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述數(shù)控機床伺服系統(tǒng)摩擦誤差補償方法，其特征在于步驟5)中，數(shù)控機床按照正余弦粗學習運動軌跡程序進行運動時，粗學習器開始工作，反向點判別器依據(jù)摩擦誤差補償模塊采集的運動位置指令信號，進行反向點判別；當反向點判別器判斷出機床運動位置指令處于反向點時，粗摩擦補償發(fā)生器進行粗摩擦補償，摩擦補償效果評價器進行摩擦補償效果評價；當該反向點加速度下的粗摩擦補償?shù)拇螖?shù)達到粗學習運動循環(huán)次數(shù)時，粗學習加速度更新器將更新后的加速度值輸入到數(shù)控機床正余弦粗學習運動軌跡程序中，從而改變數(shù)控機床運動軌跡，當數(shù)控機床運動軌跡反向點加速度值大于Accmax時，由摩擦補償效果評價器得到最優(yōu)摩擦粗補償量數(shù)組，粗學習器結(jié)束工作。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述數(shù)控機床伺服系統(tǒng)摩擦誤差補償方法，其特征在于步驟6)中，數(shù)控機床按照正余弦精學習運動軌跡程序進行運動時，精學習器開始工作，反向點判別器依據(jù)摩擦補償誤差模塊采集運動位置指令信號，進行反向點判別；當反向點判別器判斷出機床運動位置指令處于反向點時，精摩擦補償發(fā)生器進行精摩擦補償，摩擦補償效果評價器進行摩擦補償效果評價；當該反向點加速度下的精摩擦補償?shù)拇螖?shù)達到精學習運動循環(huán)次數(shù)時，精學習加速度更新器將更新后的加速度值輸入到數(shù)控機床正余弦精學習運動軌跡程序中，從而改變數(shù)控機床運動軌跡，當數(shù)控機床運動軌跡反向點加速度值大于Accmax時，由摩擦補償效果評價器得到最優(yōu)精摩擦補償量數(shù)組，精學習器結(jié)束工作。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)控機床伺服系統(tǒng)摩擦誤差補償方法，其特征在于步驟8)中，所述摩擦補償器依據(jù)反向點判別器輸出的相關(guān)信號，將精摩擦補償量生成具有正負號的精摩擦補償量脈沖并將該脈沖加入到數(shù)控機床相應運動軸伺服控制器速度環(huán)速度指令中，從而實現(xiàn)數(shù)控機床伺服系統(tǒng)摩擦誤差高精度補償。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種數(shù)控機床伺服系統(tǒng)摩擦誤差補償方法。該模塊具有摩擦誤差學習模式與摩擦誤差補償模式。在摩擦誤差學習模式下，可自動對數(shù)控機床摩擦補償特性參數(shù)進行學習，在摩擦誤差補償模式下，可自動實現(xiàn)數(shù)控機床不同工況下的高精度摩擦誤差補償，本發(fā)明采用的摩擦誤差補償方法具有摩擦誤差補償精度高、自動智能且無需用戶調(diào)試經(jīng)驗、便于移植到不同的數(shù)控系統(tǒng)中等優(yōu)點，可明顯提高數(shù)控機床加工精度及生產(chǎn)效率。
文檔編號G05B19/404GK103048949SQ20121056365
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月22日
發(fā)明者馮斌, 梅雪松, 孫挪剛, 張東升, 牟恩旭 申請人:西安交通大學