[发明专利]一种考虑滚珠丝杠进给系统高阶动态特性的高精运动控制方法

说明书

本发明公开了一种考虑滚珠丝杠进给系统高阶动态特性的高精运动控制方法，该方法基于滚珠丝杠进给系统模态分析，利用零极点对消原理设计了高阶模态滤波控制器，并在基础上优化控制参数后，采用零相差跟随控制算法消除系统相位滞后，实现了考虑滚珠丝杠进给系统的高阶特性的高精运动控制。通过本发明针对滚珠丝杠进给系统的高阶模态设计模态滤波控制器，可以削弱进给系统高阶动态特性对系统带宽的限制作用，降低进给系统的跟随误差，消除进给系统的稳态位移波动和残余振动，提高进给系统的跟随精度和运动平稳性。

技术领域

本发明属于滚珠丝杠进给系统运动控制技术领域，涉及一种考虑滚珠丝杠进给系统高阶动态特性的高精运动控制方法。

背景技术

高速机床滚珠丝杠进给系统是在伺服输入力、切削力激励下的具有多阶高频共振频率的动力学系统，其动态特性具有高阶的特点。高阶动态特性来自丝杠扭转柔性、轴向柔性以及结合部的柔性，高速下进给系统的柔性对运动精度的影响突显，其影响表现为降低进给系统的跟随特性，限制稳态性能的提高以及产生显著的位移波动误差。传统的PID级联控制是根据误差进行控制，随着速度的提高，控制效果得不到保证，致使跟随误差随着速度的增加不断增大。高阶动态特性的存在使得高速下传统PID级联控制对运动精度的控制更加困难，因此高阶动态特性的控制成为高速高精数控机床的主要关键技术。

滚珠丝杠进给系统的高阶动态特性是限制高速机床高精加工的主要因素之一。在已有的控制算法中，系统建模以双惯量模型为基础，将系统等效为二阶系统，虽然也能得到较好的控制效果，但是随着进给速度的提高，指令中的高频成分的幅值增大，控制效果下降。为实现滚珠丝杠进给系统的高精运动控制，需要应采用高阶动力学模型进行描述、分析，在此基础上实现针对进给系统的高阶动态特性进行优化设计与高性能控制，因此提出一种考虑滚珠丝杠进给系统高阶动态特性的高精运动控制方法，并将其应用于数控机床，具有非常重要的意义。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种考虑滚珠丝杠进给系统高阶动态特性的高精运动控制方法，实现高速下单轴进给系统的高精运动控制。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种考虑滚珠丝杠进给系统高阶动态特性的高精运动控制方法，包括以下操作：

S1)利用集中参数法，针对滚珠丝杠进给系统建立高阶多刚体动力学模型，求得滚珠丝杠进进给系统的电机处力入速度出的频响传递函数(1)式和原点频响特性曲线，并进行模态分析，确定各阶模态参数及高阶模态；

S2)根据S1中得到的各阶模态参数和频响传递函数，求得进给系统模态叠加式如下：

式中：G为传递函数；s为复变数；J为进给系统的等效惯量；k_i为第i阶模态刚度；ω_i为第i阶固有频率；ζ_i为第i阶模态阻尼比；

求解式(2)的零极点图，判断出靠近单位圆成对出现的零极点为高阶模态对应的极点；

S3)设计高阶模态滤波控制器，使高阶模态滤波控制器与进给系统高阶模态的零极点对消，以消除高阶模态对进给系统带宽的限制作用，求得高阶模态滤波控制器的传递函数H(z)如式(3)所示：

式中：n₁为要滤除的模态个数，r_zi、r_pi为第i个零点和极点的在零极点图中半径值，z为复变量，a为调节因子；

S4)将高阶模态滤波控制器H(z)嵌入到进给系统的PID控制中：嵌入到速度环控制器与被控对象之间；