[发明专利]一种应用于数控机床的自主调整伺服参数的智能方法

摘要

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。

主权项

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)，在数控系统中运行待加工复杂曲面零件G代码，采集数控系统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系统，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，式中，f_i为最大幅值频率，为最大幅值频率为f_i的速度指令衰减量序列，为最大幅值频率为f_i的速度指令序列，ΔM_i和ΔP_i分别最大幅值频率f_i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，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，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，式中，为X轴跟随误差序列中的第k个值，对应的伺服带宽为f_sx(k)，其它两个直线轴Y、Z和旋转轴A、C的表示方法类同；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f_sx(k)、f_sy(k)、f_sz(k)、f_sa(k)、f_sc(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，式中，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f_sx(k)、f_sy(k)、f_sz(k)、f_sa(k)、f_sc(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，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，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，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，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，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。