一种滚珠丝杠进给驱动系统位置环增益优化取值方法技术方案

本发明专利技术公开了一种滚珠丝杠进给驱动系统位置环增益优化取值方法，包括：步骤一、基于状态空间法，建立进给驱动系统机械传动环节状态空间模型；步骤二、建立缩聚后的进给系统机械传动环节的状态空间模型；步骤三、建立基于机械传动环节状态空间缩聚模型的伺服系统位置环模型，构建系统模态频率、幅值响应激增值与位置环增益之间的约束关系式；步骤四、设定位置开环幅值裕量，通过上述约束关系式，对结构柔性与模态特性影响下的位置环增益参数进行优化取值。本发明专利技术将滚珠丝杠进给系统状态空间缩聚模型与位置环增益优化整定规则相结合，在便于对位置环增益解析推导的同时，实现了位置环增益优化取值，能够显著提高滚珠丝杠进给驱动系统运动响应性能。

Optimization method of position loop gain for ball screw feed drive system

The invention discloses a method for optimizing the gain of the position ring of the ball screw feed drive system, which includes: step 1, establishing the state space model of the mechanical drive link of the feed drive system based on the state space method; step 2, establishing the state space model of the condensed mechanical drive link of the feed system; step 3, establishing the state space model of the mechanical drive link of the feed system; The position loop model of servo system based on the state space condensation model of mechanical transmission link is established, and the constraints between the modal frequency, amplitude response surge increment and position loop gain are constructed. Step 4: Setting the position open-loop amplitude margin, through the above constraints, the position under the influence of structural flexibility and modal characteristics is determined. Ring gain parameters are optimized. The present invention combines the state space condensation model of the ball screw feed system with the optimization setting rule of the gain of the position ring, realizes the optimization value of the gain of the position ring while facilitating the analysis and derivation of the gain of the position ring, and can significantly improve the motion response performance of the ball screw feed drive system.

【技术实现步骤摘要】
一种滚珠丝杠进给驱动系统位置环增益优化取值方法
本专利技术涉及机电系统伺服参数优化方法，具体涉及一种滚珠丝杠进给驱动系统位置环增益优化取值方法。
技术介绍
机床滚珠丝杠进给驱动系统是典型的机电系统，伺服控制和机械传动环节有着密切的联系。受到机械传动环节振动的影响，为避免整体伺服驱动的不稳定性，必须减小开环位置增益控制参数；而进给系统固有振动频率远远低于伺服控制回路自身的特征截至频率，受到机械传动环节的影响，控制信号只有在低于该振动频率的控制带宽内，才能无衰减无延迟传递，才能保证整体滚珠丝杠进给驱动系统跟随误差和轮廓误差的最小。可见机械传动环节结构柔性及模态特性对伺服参数与整体滚珠丝杠进给驱动系统的动态响应性能产生重要影响与制约。而位置环增益作为伺服系统的重要控制参数，其对系统响应、跟随误差及机械振动都具有非常重要的影响。因此，研究机械传动环节结构柔性与模态特性影响下的位置环增益整定优化，是提高滚珠丝杠进给驱动系统运动精度和稳定性的必不可少的环节。目前，基于整定规则，对滚珠丝杠进给驱动系统位置环增益优化值进行优化整定与解析推导时，为便于机械传动环节与伺服控制集成建模及解析推导，常将机械传动环节简化为具有某一等效转动惯量的刚体处理，其解析整定优化过程并未考虑机械传动环节的结构柔性与模态特性等对整体进给驱动系统动态性能及位置环增益参数最优值的影响。
技术实现思路
技术问题：针对现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种在机械传动结构柔性与模态特性影响下能够实现对位置环增益优化取值的滚珠丝杠进给驱动系统位置环增益优化取值方法。技术方案：一种滚珠丝杠进给驱动系统位置环增益优化取值方法，包括如下步骤：步骤一、基于状态空间法，建立进给驱动系统机械传动环节状态空间模型；步骤二、建立缩聚后的进给系统机械传动环节的状态空间模型；步骤三、建立基于机械传动环节状态空间缩聚模型的伺服系统位置环简化模型，构建系统模态频率、幅值响应激增值与位置环增益之间的约束关系式；步骤四、设定位置开环幅值裕量，通过上述系统模态频率、幅值响应激增值与位置环增益之间的约束关系式，对结构柔性与模态特性影响下的位置环增益参数进行优化取值。所述步骤一中，优选采用有限元方法构建机床进给驱动系统机械传动环节状态空间模型，具体步骤如下：(1.1)采用有限元方法构建机械传动环节结构动力学模型：首先对机械传动的主要功能结构部件进行划分和分析，对组成该机械传动环节的各部分进行结构简化和单元体选择；其次确定机械传动环节各部分的材料力学性能参数；对各机械单元体进行建模，并建立系统机械传动环节的有限元模型；(1.2)提取上述机械传动环节结构动力学模型的质量矩阵Mi、阻尼矩阵Ci、刚度矩阵Ki、载荷矢量Qi、位移矢量xi、速度矢量和加速度矢量并通过状态空间法，将质量矩阵Mi、阻尼矩阵Ci、刚度矩阵Ki、载荷矢量Qi、位移矢量xi、速度矢量和加速度矢量代入状态空间方程：其中，C＝[10]，D＝0，u＝Qi，得到系统机械传动环节的状态空间模型。所述步骤(1.2)中，质量矩阵Mi、阻尼矩阵Ci、刚度矩阵Ki、载荷矢量Qi、位移矢量xi、速度矢量和加速度矢量为基于有限元软件提取。进一步的，所述步骤三中，位置环简化模型包括五个传递函数环节：位置调节器环节、转速给定值延迟时间环节、转速调节器环节、速度环延迟时间环节和缩聚后的机械传动模块状态空间方程，所述速度环延迟时间环节包括电流环；该位置环简化模型以位置设定值xdes为输入，以位置实际值xact为输出，所输入的设定位置xdes依次通过位置调节器环节、转速给定值延迟时间环节、转速调节器环节、速度环延迟时间环节、缩聚后的机械传动模块状态空间方程，最后至实际位置xact输出，且所述实际位置xact与所输入的设定位置xdes之间具有反馈系数为1的反馈环节。该滚珠丝杠进给驱动系统采用经典级联式控制器，即位置环简化模型适用于经典级联控制器。其中，速度环延迟时间总和为速度环采样时间与电流环等效延迟时间的加权系数之和，计算公式为：其中，Tσn为速度环延迟时间总和，TATn为速度环采样时间，为电流环等效延迟时间，m3、m4分别为对应的加权系数。所述电流环等效延迟时间为电流环延迟时间的总和TσI与电流环调节回路采样时间TATI的加权系数差值，计算公式为：其中，TATI为电流环调节回路采样时间；TσI为电流环延迟时间总和，m1、m2分别为对应的加权系数。进一步优选的，所述步骤三中，系统模态频率f、幅值响应激增值HV与位置环增益KV之间的约束关系式为：其中，M为位置开环幅值裕量，TGn为转速给定值延迟时间，Tσx为位置环调节回路的延迟时间总和，KV为位置环增益，HV为速度环闭环幅值响应激增值，f为系统模态频率。所述位置环增益KV选取的原则为在位置环调节回路不出现超调的情况下尽可能选择取较大的数值。所述步骤四具体包括如下内容：(10.1)通过步骤三中基于滚珠丝杠进给系统状态空间缩聚模型的伺服系统位置环简化模型，计算速度环闭环幅值响应激增值HV；(10.2)根据实际要求设定位置开环幅值裕量M，并利用系统模态频率f、幅值响应激增值HV与位置环增益KV之间的约束关系式，画出不同HV取值下TGn/Tσx和KV/ω的关系曲线；其中，ω＝2πf，为系统的圆频率，TGn为转速给定值延迟时间，Tσx为位置环调节回路的延迟时间总和；(10.3)根据已知的TGn和Tσx数值，计算得到TGn/Tσx数值，根据不同HV取值下TGn/Tσx和KV/ω的关系曲线，得到对应于TGn/Tσx和HV下的KV/ω比值，并计算所允许的KV数值。有益效果和现有技术相比，本专利技术具有如下显著进步：将滚珠丝杠进给系统状态空间缩聚模型与位置环增益优化整定规则相结合，构建系统模态频率、幅值响应激增值与位置环增益之间的约束关系式，在便于对位置环增益解析推导的同时，实现了考虑机械传动结构柔性与模态特性影响下的位置环增益优化取值，能够显著提高滚珠丝杠进给驱动系统运动响应性能。相比于以往整定优化过程中借助经验反复调试可能导致的优化效果不佳、效率低下等问题，该方法效率更高，结果更加可靠。附图说明图1为本专利技术滚珠丝杠进给系统机械传动环节有限元模型；图2为本专利技术实施例的机械传动环节的一阶振型；图3为本专利技术实施例的机械传动环节的二阶振型；图4为本专利技术的基于缩聚后机械传动环节状态空间模型的位置环简化模型；图5为本专利技术实施例的速度环闭环幅值响应激增点；图6为不同的HV(HV为速度环闭环幅值响应激增值)取值下TGn/Tσx(Tσx为位置环调节回路的延迟时间总和)和KV/ω(ω为系统固有圆频率)的关系曲线；图7为本专利技术实施例的伺服参数优化前后滚珠丝杠进给驱动系统的阶跃响应曲线。具体实施方式以下结合附图，并以某机床滚珠丝杠进给驱动系统为例，对本专利技术中的关键技术和具体实现方法进行详细说明。本专利技术的一种滚珠丝杠进给驱动系统位置环增益优化取值方法，包括以下步骤：步骤一：基于状态空间法，建立进给驱动系统机械传动环节状态空间模型；进给驱动系统机械传动环节的结构动力学普遍方程可写为：式(1)中，xi、Mi、Ci、Ki、Qi分别为系统的位移矢量、速度矢量、加速度矢量、质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵、载荷矢量，其对应的滚珠丝杠进给系统机械传动环本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种滚珠丝杠进给驱动系统位置环增益优化取值方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、基于状态空间法，建立进给驱动系统机械传动环节状态空间模型；步骤二、建立缩聚后的进给系统机械传动环节的状态空间模型；步骤三、建立基于机械传动环节状态空间缩聚模型的伺服系统位置环简化模型，构建系统模态频率、幅值响应激增值与位置环增益之间的约束关系式；步骤四、设定位置开环幅值裕量，通过上述系统模态频率、幅值响应激增值与位置环增益之间的约束关系式，对结构柔性与模态特性影响下的位置环增益参数进行优化取值。

【技术特征摘要】
1.一种滚珠丝杠进给驱动系统位置环增益优化取值方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、基于状态空间法，建立进给驱动系统机械传动环节状态空间模型；步骤二、建立缩聚后的进给系统机械传动环节的状态空间模型；步骤三、建立基于机械传动环节状态空间缩聚模型的伺服系统位置环简化模型，构建系统模态频率、幅值响应激增值与位置环增益之间的约束关系式；步骤四、设定位置开环幅值裕量，通过上述系统模态频率、幅值响应激增值与位置环增益之间的约束关系式，对结构柔性与模态特性影响下的位置环增益参数进行优化取值。2.根据权利要求1所述的滚珠丝杠进给驱动系统位置环增益优化取值方法，其特征在于，所述步骤一中，采用有限元方法构建机床进给驱动系统机械传动环节状态空间模型，具体步骤如下：(1.1)采用有限元方法构建机械传动环节结构动力学模型：首先对机械传动的主要功能结构部件进行划分和分析，对组成该机械传动环节的各部分进行结构简化和单元体选择；其次确定机械传动环节各部分的材料力学性能参数；对各机械单元体进行建模，并建立系统机械传动环节的有限元模型；(1.2)提取上述机械传动环节结构动力学模型的质量矩阵Mi、阻尼矩阵Ci、刚度矩阵Ki、载荷矢量Qi、位移矢量xi、速度矢量和加速度矢量并通过状态空间法，将质量矩阵Mi、阻尼矩阵Ci、刚度矩阵Ki、载荷矢量Qi、位移矢量xi、速度矢量和加速度矢量代入状态空间方程：其中，C＝[10]，D＝0，u＝Qi，得到系统机械传动环节的状态空间模型。3.根据权利要求2所述的滚珠丝杠进给驱动系统位置环增益优化取值方法，其特征在于，所述步骤(1.2)中，基于有限元软件提取机械传动环节结构动力学模建的质量矩阵Mi、阻尼矩阵Ci、刚度矩阵Ki、载荷矢量Qi、位移矢量xi、速度矢量和加速度矢量4.根据权利要求1所述的滚珠丝杠进给驱动系统位置环增益优化取值方法，其特征在于，所述步骤三中，位置环简化模型包括五个传递函数环节：位置调节器环节、转速给定值延迟时间环节、转速调节器环节、速度环延迟时间环节和缩聚后的机械传动模块状态空间方程，所述速度环延迟时间环节含电流环；该位置环简化模型以位置设定值xdes为输入，以位置实际值xact为输出，所输入的设定位置依次通过位置调节器环节、转速给定值延迟时间环节、转速调节器环节、速度环延迟时间环节、缩聚后的机械传动模块状态空间方程，最后至实际位置...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨勇，沈晔湖，李华，殷振，
申请(专利权)人：苏州科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32