基于动刚度评价的直接进给轴伺服参数优化方法技术

本发明专利技术涉及一种基于动刚度评价的伺服参数优化方法及系统，具体对象为直接进给轴，其步骤包括：确认系统性能参数，保证驱动直线电机的伺服系统正常使能；逐步增大速度环增益，当进给轴发生共振啸叫时，读取速度环伯德图各超调点所在频段以及带宽数据；通过本发明专利技术提出的动刚度测量方法，计算得到动刚度频谱图，确定伺服系统共振频段，结合伯德图确定共振频段带宽，在伺服系统中设置相应的电子滤波器，对共振频段进行抑制。本发明专利技术提供的基于动刚度评价的伺服参数优化方法，能够有效地优化直接进给轴伺服参数。

【技术实现步骤摘要】
基于动刚度评价的直接进给轴伺服参数优化方法
本专利技术涉及一种动刚度的测试方法和伺服参数优化方法，尤其是一种直接进给轴的参数优化方法。
技术介绍
直线电机具有响应速度快、定位精度高、无行程限制、效率高等优点，在高速高精度运动中，直线电机驱动的进给轴不需要中间传动环节，是实现直接驱动技术的一种理想进给驱动机构。然而，这种直接驱动进给轴特有的“零传动”方式使负载变化、内部扰动和外部干扰不经过中间传递环节直接作用在工作平台上，阻碍了直线电机优点的进一步发挥，也给其伺服控制带来了很大的难度。通过对直接进给轴进行优化，进而提高其抗干扰性能的技术已得到了较大的关注，国外有学者探索了进给轴中各部件的匹配性；国内学者分析了进给轴不同条件下的运行工况；还有学者研究了进给轴有效的控制算法和控制参数。其中，合适的进给轴部件匹配性和经过优化设计的运行工况，可使进给轴工作避开共振频段，但是当进给轴投入使用后，已有部件或运行工况条件已基本确定，优化这两个条件已有较大难度。通过调整控制参数却可以较容易地改变进给轴的运行特性，这种方法具有成本低、效率高等优点。在数控系统中，调整控制参数主要通过反复调试速度环的增益或积分时间参数进而调整伯德图0dB频带宽度来实现。但是应用这种方法实现伺服参数优化时，存在多个方面的不足：当出现多个超调点时，经常无法准确判断进给轴的共振点；在未充分认识机床各部件机械特性的情况下，无法确定机械本身特性需要优化的工作频段；若没有足够的伺服参数优化经验或缺乏指导规则，改变伺服参数存在较大的盲目性。由于伺服动刚度可反映进给轴的伺服系统在宽频干扰下抵抗位置偏移的能力，若能把伺服动刚度引入作为伺服参数优化评价指标，在得知进给轴动刚度频谱图的条件下，对伺服参数进行优化，可使进给轴需要优化的工作频段、超调抑制等目标更加清晰，克服数控系统优化伺服参数的盲目性。本专利技术专利应用动刚度为评价指标，研究直接进给轴的伺服参数优化方法，给出伺服系统动刚度测量方案，建立直接进给轴伺服系统动刚度模型，确定动刚度影响因素，结合动刚度频谱分布，给出与数控系统调试匹配的伺服参数优化策略，为直接进给轴伺服参数优化自动化提供一种反馈方法。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行改进和完善，提供一种基于动刚度评价的直接进给轴伺服参数优化方法，该方法以使进给轴需要优化的工作频段、超调抑制等目标更加清晰，克服数控系统优化伺服参数的盲目性。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种基于动刚度评价的直接进给轴伺服参数优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：确认伺服系统性能参数，保证驱动直线电机的伺服系统正常工作，伺服性能参数包括系统周期、系统插补周期，保证静态时系统负载不超过40％；步骤2：建立伺服动刚度模型建立直接进给轴伺服系统数学模型，其中，伺服系统包括位置控制环、速度控制环、电流控制环、矢量变换环节、电流控制电压型逆变器以及相应的反馈元件；步骤3：通过速度控制环逐步增大伺服系统的速度环增益，当进给轴发生共振啸叫时，读取速度环伯德图各超调点所在频段以及带宽数据；步骤4：通过动刚度测量和计算得到动刚度频谱图其中，动刚度测量系统包括：直接进给轴、激振锤、加速度传感器、激光干涉仪、数据采集板卡、计算机动刚度测试系统，激振锤与数据采集板卡信号输入端连接，信号采集板卡输出端与计算机连接，激光干涉仪安装于试验平台上，信号输出端与计算机相连；测量及计算方法是，用激振锤敲击直接进给轴产生激励脉冲，然后用数据采集板卡采集激振信号，激光干涉仪采集位移响应信号，再将采集到的激励力信号和位移响应信号传输到计算机，由计算机将采集到的时域信号转至频率，最后经计算机处理输出所测动刚度频谱图，确定伺服系统共振频段。步骤5：结合伯德图确定共振频段带宽，在伺服系统中设置相应的电子滤波器，对共振频段进行抑制；步骤6：重复第三步骤、第四步骤和第五步骤，继续增大速度环增益，针对需要优化的频段，调整伺服参数，增加进给轴无超调频段宽度；在超调频段的幅值不超过3dB的条件下，实现进给轴在工作频段的0dB频段带宽得到优化调整，获得其宽度最大值，也使首个超调点所处频率值最高。上述动刚度测量中，为减小位移信号的中间环节的衰减和阿贝误差，测量点安装于工作台位移方向中间处，且紧贴工作平台。本专利技术的有益效果：1)在测量直接进给轴动刚度的过程中，直接将激振锤测得的驱动力信号和激光干涉仪测得的响应位移时域信号通过傅里叶变换直接转换到频域，提供了一种简单、方便且有效地测量直接进给轴动刚度的方法。2)通过测得的直接进给轴动刚度频谱图，提供了一种快速确定直接进给伺服系统共振点和共振频段的方法。3)本专利技术提供的参数优化方法，增加了直接进给轴无超调频段，提高了其抗干扰性能。附图说明图1是动刚度测量平台结构示意图；图2是本专利技术实施例一中动刚度测试系统；图3是本专利技术实施例一中试验例动刚度频谱图；图4是本专利技术实施例一中试验例速度环伯德图；图5是本专利技术实施例二中试验例应用伯德图和基于动刚度两种优化方法对比结果分析。具体实施方法为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将以实施例一和实施例二对本专利技术的技术方案进行清楚、完整的描述。本专利技术的实施例一提供一种直接进给轴的动刚度测量方案，其包括下列步骤：步骤1：搭建直接进给轴动刚度测量系统，如图1所示，激振锤给直接进给轴施加脉冲激励，其激励力信号由数据采集板卡采集；在激励力的作用下产生的位移响应和进给轴反馈有效的激励频段两种信号分别由激光干涉仪以及加速度传感器进行采集；测量平台将采集到的数据传输至计算机进行后期处理得到动刚度频谱图。在图1所示动刚度测试平台结构示意图的基础上，本实施例搭建了如图2所示动刚度测试系统，信号采集系统包括计算机和数据采集板卡，激振锤与数据采集板卡信号输入端连接，信号采集板卡输出端与计算机连接，激光干涉仪安装于试验平台上，信号输出端与计算机相连。步骤2：测量动刚度频谱图，在上述动刚度测试系统的基础上，测量动刚度频谱图：首先，在保证数控系统正常使能的情况下，用激振锤敲击直接进给轴产生激励脉冲，然后用数据采集板卡采集激振信号和加速度信号，激光干涉仪采集位移响应信号，再将采集到的激励力信号和位移响应信号传输到计算机，由计算机将采集到的时域信号转至频率，最后经计算机处理输出所测动刚度频谱图。测量中关键点包括激振的频率上限、激振位置、有效激振频段以及位移响应的测量位置。测量中需要的频率上限为1000Hz，根据脉冲宽度确定锤头垫材料为钢，脉冲宽度为0.289ms，频率上限为2KHz满足测量需求。为减少激励在中间环节传递时产生的衰减，激振位置设置于工作平台与直接进给轴连接处。为检测直接进给轴所接收到激振的有效频段，在激振位置相对处安装加速度传感器，测得有效激振频段在1.5KHz以上，满足测量需要。使用激光干涉仪高频采集直接进给轴的位移响应，为减小位移响应在中间环节的衰减以及在测量过程产生的阿贝误差，测量点设置于工作平台在位移方向上的正中位置。利用FFT将脉冲激励与位移响应转换至频域，由于脉冲信号为非平稳信号，使用FFT所得到的频谱无法反应信号瞬间频率的真值，所以在满足采样定理的前提下，需要将采样频率提高大于一倍，使脉冲信号平稳化。本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于动刚度评价的直接进给轴伺服参数优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：确认伺服系统性能参数，保证驱动直线电机的伺服系统正常工作，伺服性能参数包括系统周期、系统插补周期，保证静态时系统负载不超过40%；步骤2：建立伺服动刚度模型建立直接进给轴伺服系统数学模型，其中，伺服系统包括位置控制环、速度控制环、电流控制环、矢量变换环节、电流控制电压型逆变器以及相应的反馈元件；步骤3：通过速度控制环逐步增大伺服系统的速度环增益，当进给轴发生共振啸叫时，读取速度环伯德图各超调点所在频段以及带宽数据；步骤4：通过动刚度测量和计算得到动刚度频谱图其中，动刚度测量系统包括：直接进给轴、激振锤、加速度传感器、激光干涉仪、数据采集板卡、计算机动刚度测试系统，激振锤与数据采集板卡信号输入端连接，信号采集板卡输出端与计算机连接，激光干涉仪安装于试验平台上，信号输出端与计算机相连；其测量及计算方法为，使用激振锤敲击直接进给轴产生激励脉冲，然后用数据采集板卡采集激振信号，激光干涉仪采集位移响应信号，再将采集到的激励力信号和位移响应信号传输到计算机，由计算机将采集到的时域信号转至频率，最后经计算机处理输出所测动刚度频谱图，确定伺服系统共振频段；步骤5：结合伯德图确定共振频段带宽，在伺服系统中设置相应的电子滤波器，对共振频段进行抑制；步骤6：重复第三步骤、第四步骤和第五步骤，继续增大速度环增益，针对需要优化的频段，调整伺服参数，增加进给轴无超调频段宽度；在超调频段的幅值不超过3dB的条件下，实现进给轴在工作频段的0dB频段带宽得到优化调整，获得其宽度最大值，也使首个超调点所处频率值最高。...

【技术特征摘要】
1.一种基于动刚度评价的直接进给轴伺服参数优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：确认伺服系统性能参数，保证驱动直线电机的伺服系统正常工作，伺服性能参数包括系统周期、系统插补周期，保证静态时系统负载不超过40%；步骤2：建立伺服动刚度模型建立直接进给轴伺服系统数学模型，其中，伺服系统包括位置控制环、速度控制环、电流控制环、矢量变换环节、电流控制电压型逆变器以及相应的反馈元件；步骤3：通过速度控制环逐步增大伺服系统的速度环增益，当进给轴发生共振啸叫时，读取速度环伯德图各超调点所在频段以及带宽数据；步骤4：通过动刚度测量和计算得到动刚度频谱图其中，动刚度测量系统包括：直接进给轴、激振锤、加速度传感器、激光干涉仪、数据采集板卡、计算机动刚度测试系统，激振锤与数据采集板卡信号输入端连接，数据采集板卡输出端与计算机连接，激光干涉仪安装于试验平台上，信号输出端与计算机相连；其测量及计算方...

【专利技术属性】
技术研发人员：林献坤，李裴祥，李田田，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海;31