一种随动与轮廓误差自适应实时补偿方法技术

一种随动与轮廓误差自适应实时补偿方法，属于精密高效智能化数控加工技术领域，涉及数控参数曲线插补加工过程中一种基于进给系统在线辨识的随动误差自适应补偿方法及一种基于高精度轮廓误差实时估计的轮廓误差补偿方法。该方法采用最小二乘法对数控进给系统进行在线辨识，根据辨识结果自适应补偿随动误差，再根据实际刀位点计算轮廓误差估计值，并对轮廓误差进行进一步直接补偿，实现随动与轮廓精度的同步提高。该补偿方法可提高数控机床单轴跟踪精度及多轴联动加工轮廓精度，误差抑制效果好，适应性强，对提高数控机床加工精度、实现复杂曲面类零件的精密高效加工具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于精密高效智能化数控加工
，涉及一种参数曲线插补加工过程中用于提高加工精度的随动与轮廓误差自适应实时补偿方法。
技术介绍
随着具有变曲率几何特征的复杂曲面类零件在航空航天、能源动力、汽车模具等重大高端装备领域中应用范围越来越广，对其加工精度和加工效率提出了更高要求。参数曲线插补技术因与传统直线、圆弧插补相比具有加工精度和效率更高、加工质量更好等优势，故而在复杂曲面零件加工领域得到了广泛应用。然而，在复杂曲面零件的参数曲线插补数控加工中，由于数控进给系统存在伺服滞后、动态失匹及外部扰动等原因，会导致采用高进给速度加工时产生较大的单轴运动随动误差及多轴联动轮廓误差，难以满足复杂曲面类零件加工精度与加工效率的双重严苛要求。因此，研究随动与轮廓误差的降低方法，提高数控机床进给伺服系统轮廓跟踪精度，对实现复杂曲面类零件的精密高效加工、推动航空航天等重大工程领域的发展具有重大意义。对现有技术文献总结发现，文献“Zerophaseerrortrackingalgorithmfordigitalcontrol”，Tomizuka等，JournalofDynamicSystems,Measurement,andControl，1987，109:65-68，该文献通过数字进给控制系统进行零、极点配置，给出一种零相位误差跟踪控制方法。该方法在控制系统参数不变的情况下可以有效降低随动误差，然而，当进给系统受到外界干扰，如切削力、工作台载荷发生变化的情况下，零相位误差跟踪控制器的效果则会急剧变差。文献“AnalysisandDesignofIntegratedControlforMulti-AxisMotionSystems”，Yeh等，IEEETransactionsonControlSystemsTechnology，2003，11(3):375-382，该文献提出一种基于可变增益的多轴交叉耦合控制器，基于轮廓误差实时估计值调整控制器增益，用于抑制轮廓误差。然而当各运动轴随动误差较大时，现有的轮廓误差估计方法难以保证其估计精度，影响轮廓控制效果，此外，由于交叉耦合控制器增益时变，系统的稳定性难以得到有效保障。
技术实现思路
本专利技术旨在克服现有技术缺陷，专利技术一种随动与轮廓误差自适应实时补偿方法，该方法根据数控进给系统实际输入与输出关系对系统模型进行在线辨识，利用辨识结果，以实际输出与理想输入值相等为目标，进行随动误差自适应补偿，并利用高精度轮廓误差估计算法对轮廓误差进行进一步直接补偿。本专利技术可有效提高误差补偿效果对数控进给伺服系统参数受外界扰动发生变化的适应能力，进而保证单轴跟踪精度及多轴联动加工轮廓精度。本专利技术的技术方案是一种随动与轮廓误差自适应实时补偿方法，其特性在于，该方法采用最小二乘法对数控进给系统进行在线辨识，根据辨识结果自适应补偿随动误差，再根据实际刀位点计算轮廓误差估计值，并对轮廓误差进行进一步直接补偿，实现随动与轮廓精度的同步提高；方法的具体步骤如下：1)进给系统参数在线辨识数控进给系统z域传递函数G(z)的一般表达式为：G(z)=b1z-1+b2z-2+...+bnz-n1+a1z-1+a2z-2+...+anz-n---(1)]]>其中，n为系统阶次，a1,a2,…,an和b1,b2,…,bn为系统参数；设进给系统第k个采样周期的输入理想刀位点与输出实际刀位点分别为r(k)和p(k)，则第k个采样周期的输出实际刀位点p(k+1)为：p(k+1)=-Σi=1naip(k-i+1)+Σi=1nbir(k-i+1)---(2)]]>据此，采用矩形窗最小二乘法对系统参数进行递推辨识，取辨识样本数据量为m，m＞2n，所辨识出的参数值计算为：ψk=ψk-1+λ((HkTHk)-1HkTYk-ψk-1)---(3)]]>其中，ψk＝[a1,k,a2,k,…,an,k,b1,k,b2,k,…,bn,k]T为第k个采样周期内辨识出的系统参数值，λ∈(0,1)为阻尼系数，引入该阻尼系数可避免两个采样周期内辨识的参数值产生大幅度突变，Hk和Yk分别为：Hk=-p(k-m+n)...-p(k-m+1)r(k-m+n)...r(k-m+1)-p(k-m+n+1)...-p(k-m+2)r(k-m+n+1)...r(k-m+2)..................-p(k-1)...-p(k-n)r(k-1)...r(k-n)---(4)]]>Yk=p(k-m+n+1)p(k-m+n+2)...p(k)---(5)]]>在X轴进给系统参数辨识器中，将第k-m+1到第k个理想刀位点的X坐标rx(k-m+1),…,rx(k)及实际刀位点的X坐标px(k-m+1),…,px(k)代入公式(3)，得到X轴进给系统参数辨识值ψx,k＝[ax1,k,ax2,k,…,axn,k,bx1,k,bx2,k,…,bxn,k]T；在Y轴进给系统参数辨识器中，将第k-m+1到第k个理想刀位点的Y坐标ry(k-m+1),…,ry(k)及实际刀位点的Y坐标py(k-m+1),…,py(k)代入公式(3)，得到Y轴进给系统参数辨识值ψy,k＝[ay1,k,ay2,k,…,ayn,k,by1,k,by2,k,…,byn,k]T；在Z轴进给系统参数辨识器中，将第k-m+1到第k个理想刀位点的Z坐标rz(k-m+1),…,rz(k)及实际刀位点的Z坐标pz(k-m+1),…,pz(k)代入公式(3)，得到Z轴进给系统参数辨识值ψz,k＝[ax1,k,az2,k,…,azn,k,bz1,k,bz2,k,…,bzn,k]T；2)随动误差自适应补偿设第k个采样周期随动误差补偿量为Δr(k)，为保证下一时刻系统输出实际刀位点与输入理想刀位点相等(p(k+1)＝r(k+1))，在公式(2)中利用r(k)+Δr(k)代替r(k)、r(k+1)代替p(k+1)，得Δr(k)为：Δr(k)=r(k+1)+Σi=1nai,kp(k-i+1)-Σi=2nbi,kr(k-i+1)b1,k-r(k)---(6)]]>鉴于在每个采样周期内经过随动误差补偿后，可在理论上实现系统输出实际刀位点与输入理想刀位点相等，故式(6)中p(k-i+1)可由r(k-i+1)代替，从而避免利用反馈信号计算时存在噪声干扰的问题；补偿后的输入刀位点rc(k)为：rc(k)=r(k)+Δr(k)=r(k+1)+Σi=1nai,kr(k-i+1)-Σi=2nbi,kr(k-i+1)b1,k---(7)]]>在X轴随动误差补偿器中，利用X轴进给系统参数辨识器输出的X轴进给系统参数辨识值axi,k、bxi,k代替公式(7)中的ai,k和bi,k，利用理想刀位点的X坐标rx(k)代替公式(7)中的r(k)，得到补偿后的刀位点X坐标rc,x(k)；在Y轴随动误差补偿器中，利用Y轴进给系统参数辨识器输出的Y轴进给系统参数辨识值ayi,k、byi,k代替公式(7)中的ai,k和bi,k，利用理想刀位点的Y坐标ry(k)代替公式(7)中的r(k)，得到补偿后的刀位点Y坐标rc本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种随动与轮廓误差自适应实时补偿方法，其特性在于，该方法采用最小二乘法对数控进给系统进行在线辨识，根据辨识结果自适应补偿随动误差，再根据实际刀位点计算轮廓误差估计值，并对轮廓误差进行进一步直接补偿，实现随动与轮廓精度的同步提高；方法的具体步骤如下：1)进给系统参数在线辨识数控进给系统z域传递函数G(z)的一般表达式为：G(z)=b1z-1+b2z-2+...+bnz-n1+a1z-1+a2z-2+...+anz-n---(1)]]>其中，n为系统阶次，a1,a2,…,an和b1,b2,…,bn为系统参数；设进给系统第k个采样周期的输入理想刀位点与输出实际刀位点分别为r(k)和p(k)，则第k个采样周期的输出实际刀位点p(k+1)为：p(k+1)=-Σi=1naip(k-i+1)+Σi=1nbir(k-i+1)---(2)]]>据此，采用矩形窗最小二乘法对系统参数进行递推辨识，取辨识样本数据量为m，m＞2n，所辨识出的参数值计算为：ψk=ψk-1+λ((HkTHk)-1HkTYk-ψk-1)---(3)]]>其中，ψk＝[a1,k,a2,k,…,an,k,b1,k,b2,k,…,bn,k]T为第k个采样周期内辨识出的系统参数值，λ∈(0,1)为阻尼系数，引入该阻尼系数可避免两个采样周期内辨识的参数值产生大幅度突变，Hk和Yk分别为：Hk=-p(k-m+n)...-p(k-m+1)r(k-m+n)...r(k-m+1)-p(k-m+n+1)...-p(k-m+2)r(k-m+n+1)...r(k-m+2)..................-p(k-1)...-p(k-n)r(k-1)...r(k-n)---(4)]]>Yk=p(k-m+n+1)p(k-m+n+2)...p(k)---(5)]]>在X轴进给系统参数辨识器中，将第k‑m+1到第k个理想刀位点的X坐标rx(k‑m+1),…,rx(k)及实际刀位点的X坐标px(k‑m+1),…,px(k)代入公式(3)，得到X轴进给系统参数辨识值ψx,k＝[ax1,k,ax2,k,…,axn,k,bx1,k,bx2,k,…,bxn,k]T；在Y轴进给系统参数辨识器中，将第k‑m+1到第k个理想刀位点的Y坐标ry(k‑m+1),…,ry(k)及实际刀位点的Y坐标py(k‑m+1),…,py(k)代入公式(3)，得到Y轴进给系统参数辨识值ψy,k＝[ay1,k,ay2,k,…,ayn,k,by1,k,by2,k,…,byn,k]T；在Z轴进给系统参数辨识器中，将第k‑m+1到第k个理想刀位点的Z坐标rz(k‑m+1),…,rz(k)及实际刀位点的Z坐标pz(k‑m+1),…,pz(k)代入公式(3)，得到Z轴进给系统参数辨识值ψz,k＝[ax1,k,az2,k,…,azn,k,bz1,k,bz2,k,…,bzn,k]T；2)随动误差自适应补偿设第k个采样周期随动误差补偿量为Δr(k)，为保证下一时刻系统输出实际刀位点与输入理想刀位点相等(p(k+1)＝r(k+1))，在公式(2)中利用r(k)+Δr(k)代替r(k)、r(k+1)代替p(k+1)，得Δr(k)为：Δr(k)=r(k+1)+Σi=1nai,kp(k-i+1)-Σi=2nbi,kr(k-i+1)b1,k-r(k)---(6)]]>鉴于在每个采样周期内经过随动误差补偿后，可在理论上实现系统输出实际刀位点与输入理想刀位点相等，故式(6)中p(k‑i+1)可由r(k‑i+1)代替，从而避免利用反馈信号计算时存在噪声干扰的问题；补偿后的输入刀位点rc(k)为：rc(k)=r(k)+Δr(k)=r(k+1)+Σi=1nai,kr(k-i+1)-Σi=2nbi,kr(k-i+1)b1,k---(7)]]>在X轴随动误差补偿器中，利用X轴进给系统参数辨识器输出的X轴进给系统参数辨识值axi,k、bxi,k代替公式(7)中的ai,k和bi,k，利用理想刀位点的X坐标rx(k)代替公式(7)中的r(k)，得到补偿后的刀位点X坐标rc,x(k)；在Y轴随动误差补偿器中，利用Y轴进给系统参数辨识器输出的Y轴进给系统参数辨识值ayi,k、byi,k代替公式(7)中的ai,k和bi,k，利用理想刀位点的Y坐标ry(k)代替公式(7)中的r(k)，得到补偿后的刀位点Y坐标rc,y(k)；在Z轴随动误差补偿器中，利用Z轴进给系统参数辨识器输出的Z轴进给系统参数辨识值azi,k、bzi,k代替公式(7)中的ai,k和bi,k，利用理想刀位点的Z坐标rz(k)代替公式(7)中的r(k)，得到补偿后的刀位点Z坐标rc,z(k)；利...

【技术特征摘要】
1.一种随动与轮廓误差自适应实时补偿方法，其特性在于，该方法采用最小二乘法对数控进给系统进行在线辨识，根据辨识结果自适应补偿随动误差，再根据实际刀位点计算轮廓误差估计值，并对轮廓误差进行进一步直接补偿，实现随动与轮廓精度的同步提高；方法的具体步骤如下：1)进给系统参数在线辨识数控进给系统z域传递函数G(z)的一般表达式为：G(z)=b1z-1+b2z-2+...+bnz-n1+a1z-1+a2z-2+...+anz-n---(1)]]>其中，n为系统阶次，a1,a2,…,an和b1,b2,…,bn为系统参数；设进给系统第k个采样周期的输入理想刀位点与输出实际刀位点分别为r(k)和p(k)，则第k个采样周期的输出实际刀位点p(k+1)为：p(k+1)=-Σi=1naip(k-i+1)+Σi=1nbir(k-i+1)---(2)]]>据此，采用矩形窗最小二乘法对系统参数进行递推辨识，取辨识样本数据量为m，m＞2n，所辨识出的参数值计算为：ψk=ψk-1+λ((HkTHk)-1HkTYk-ψk-1)---(3)]]>其中，ψk＝[a1,k,a2,k,…,an,k,b1,k,b2,k,…,bn,k]T为第k个采样周期内辨识出的系统参数值，λ∈(0,1)为阻尼系数，引入该阻尼系数可避免两个采样周期内辨识的参数值产生大幅度突变，Hk和Yk分别为：Hk=-p(k-m+n)...-p(k-m+1)r(k-m+n)...r(k-m+1)-p(k-m+n+1)...-p(k-m+2)r(k-m+n+1)...r(k-m+2)..................-p(k-1)...-p(k-n)r(k-1)...r(k-n)---(4)]]>Yk=p(k-m+n+1)p(k-m+n+2)...p(k)---(5)]]>在X轴进给系统参数辨识器中，将第k-m+1到第k个理想刀位点的X坐标rx(k-m+1),…,rx(k)及实际刀位点的X坐标px(k-m+1),…,px(k)代入公式(3)，得到X轴进给系统参数辨识值ψx,k＝[ax1,k,ax2,k,…,axn,k,bx1,k,bx2,k,…,bxn,k]T；在Y轴进给系统参数辨识器中，将第k-m+1到第k个理想刀位点的Y坐标ry(k-m+1),…,ry(k)及实际刀位点的Y坐标py(k-m+1),…,py(k)代入公式(3)，得到Y轴进给系统参数辨识值ψy,k＝[ay1,k,ay2,k,…,ayn,k,by1,k,by2,k,…,byn,k]T；在Z轴进给系统参数辨识器中，将第k-m+1到第k个理想刀位点的Z坐标rz(k-m+1),…,rz(k)及实际刀位点的Z坐标pz(k-m+1),…,pz(k)代入公式(3)，得到Z轴进给系统参数辨识值ψz,k＝[ax1,k,az2,k,…,azn,k,bz1,k,bz2,k,…,bzn,k]T；2)随动误差自适应补偿设第k个采样周期随动误差补偿量为Δr(k)，为保证下一时刻系统输出实际刀位点与输入理想刀位点相等(p(k+1)＝r(k+1))，在公式(2)中利用r(k)+Δr(k)代替r(k)、r(k+1)代替p(k+1)，得Δr(k)为：Δr(k)=r(k+1)+Σi=1nai,kp(k-i+1)-Σi=2nbi,kr(k-i+1)b1,k-r(k)---(6)]]>鉴于在每个采样周期内经过随动误差补偿后，可在理论上实现系统输出实际刀位点与输入理想刀位点相...

【专利技术属性】
技术研发人员：马建伟，宋得宁，贾振元，高媛媛，刘振，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21