[发明专利]一种数控机床进给系统的摩擦力建模方法

说明书

技术领域

本发明属于精密制造技术领域，更具体地，是涉及一种数控机床加工过程中各个进给轴摩擦力建模方法。

背景技术

随着制造业的迅速发展，加工零件愈来愈趋向精密化和复杂化，对数控机床在精密制造领域中的加工要求也逐渐向高精度方向不断发展。所谓高精度，一般指的是高轮廓控制精度。数控机床的加工精度水平直接反映了国家装备制造的技术水平。由于数控机床在加工零件过程中各个进给轴存在摩擦力，且摩擦力是影响数控机床加工精度的一个重要因素，因此为了提高数控机床的加工精度，降低或者消除摩擦力的影响是必有选项,而精确的摩擦力数学模型是抑制甚至是消除摩擦力不良影响的前提条件。

现有的传统摩擦力模型虽然可以较为准确的描述摩擦力的Stribeck现象，但是由于摩擦力本身特性很复杂，尤其是摩擦力在低速换向条件下的高度非线性特性，传统的摩擦力模型无法精确地描述低速换向时的摩擦力特性。

因此，如何抑制摩擦力对数控机床加工精度的不良影响，如何建立可以精确描述低速换向时的摩擦力模型，是当前亟待解决的一大难题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于数控机床(CNC)进给系统的摩擦力建模方法，其为一种更加精确的摩擦力建模方法，不仅可以精确地描述数控机床各个轴在高速运行下所受的摩擦力，还能精确的描述数控机床各个轴在低速换向时所受的摩擦力。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种数控机床进给系统的摩擦力建模方法，其包括如下步骤：

S1：获得数控机床各个轴在空转状态时不同的转速以及各个不同转速对应的摩擦力大小；

S2：利用步骤S1获得的摩擦力大小，再结合运用数值方法构建出传统摩擦力数学模型；

S3：获得数控机床各个轴在不同加速度下的临界转速；

S4：利用步骤S3获得的临界转速数据构建出各个轴的静摩擦力数学模型；

S5：将步骤S2获得的传统摩擦力数学模型与步骤S4获得的静摩擦力数学模型进行整合，以获得通用摩擦力模型。

进一步的，步骤S1中，使数控机床各个轴在不同的速度范围内做往复运动，以获得数控机床各个轴在空转状态时不同的转速下对应的摩擦力大小，

为了辨识出边界摩擦和部分流体摩擦的特性，在低速区间选取转速ω＝±0.1,±0.2,±0.3,±0.5,±0.7,±1,±3±5±10rad/s作为测试用速度，同时在高速区间选取转速ω＝±25,±50,±75,±100rad/s作为测试用速度。

进一步的，步骤S2中，传统摩擦力的数学模型如下式表示：

式中，ω表示转速，和表示静摩擦力矩，和表示库伦摩擦力矩，和表示黏性摩擦力矩，和表示转速常量，其中正负号±表示速度的方向，e表示自然对数。

进一步的，步骤S3中，获得数控机床各个轴在不同加速度下的临界转速，首先确定“临界位移x_break”的大小，临界位移x_break如下所示：

其中，F_c和σ_o分别是机床轴所受的摩擦力和刚度，工况确定后，F_c和σ_o是确定不变的，同时，也可以用加速度和时间来表示临界位移x_break如下：

其中，t_break是转动轴在挣脱位移区间所用时间(最大挣脱位移即为临界位移)，T_v＝0是速度等于0时的时刻，a(τ)是实时加速度τ为时间变量因子，是平均加速度，

将速度等于0时候的加速度a₀等效为平均加速度，即则获得下式：

其中，v_break为临界速度，通过测量不同加速度下的临界速度，得到加速度与临界速度的关系，即可获得临界位移的大小，

为了获得加速度与临界速度的关系，在不同加速度下测量对应的临界速度，获得加速度与临界速度平方的关系曲线，进而获得临界位移的大小，把获得的临界位移代入下式中，

获得不同加速度下实时的临界速度。

进一步的，步骤S4中，利用获得的临界速度数据构建出各个轴的静摩擦力数学模型，具体如下，静摩擦力F(x)大小由下式获得：

F(x)＝-kx

其中，k为相互接触表面的等效刚度，x为位移，位移x采用下式表示：