一种数控机床自学习修正误差系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种数控机床自学习修正误差系统及方法，属于伺服系统控制领域。本发明专利技术系统包括轨迹生成模块、位置环迭代学习控制器、第二控制器、电机及传动模块，所述轨迹生成模块的输出端与位置环迭代学习控制器的输入端相连，所述第二控制器的输入端与所述位置环迭代学习控制器的输出端相连，所述第二控制器输出端与电机及传动模块输入端相连;还包括外层自学习速度规划器，所述外层自学习速度规划器的输入端与电机及传动模块输出端相连，所述外层自学习速度规划器与轨迹生成模块相连。本发明专利技术的有益效果为：实现数控系统在重复加工中积累误差经验、自主修正误差的自学习功能，数控机床的加工过程变为自动学习的过程，大大提高了加工的成品率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及伺服系统控制领域，尤其涉及一种数控机床自学习修正误差的方法。
技术介绍
数控机床是现代装备制造业的基础，体现了一个国家的综合科技水平，对国家的航空航天、冶金、矿山、化工、船舶、交通运输、精密器械和医疗设备等各个行业的发展具有极为重要的作用。自1952年世界上第一台数控机床诞生以来，经过60多年的发展，数控机床在硬件软件方面的性能均得到全面提升。目前，数控系统已基本实现加工中的高速度高精度功能，并向着智能化的方向发展。作为数控系统核心的控制算法，目前国内外数控系统基本都是采用PID(比例(proportion)、积分(integration)、微分(differentiation))控制，该算法结构简单、鲁棒性强，因而得到广泛应用。作为数控机床的其中一个应用，随着智能手机等3C产品的需求逐渐上涨，手机零部件的需求量也越来越多，同一数控机床可能很长时间之内都在加工同一个零件。但目前零件制造使用的都是标准的数控机床，并没有考虑到同一零件的多批量生产问题，也就是说数控机床并没有利用已加工出的零件情况来指导后续的加工，仍然将大批量生产当作单件生产的机械重复，这样就很容易产生次品率，目前的成品率一般在80％以下。成品率的降低使得数控机床整体性能的要求增加，机床购置成本大幅度提高，减少了行业的利润率，不利于行业的发展。目前，典型数控系统结构如图1所示，1/(Js+B)为电机模型，w为电机输出角速度，θ为电机输出角度，rg为传动系数，x为系统实际输出。参考输入信号r在轨迹生成模块进行速度规划和插补，将得到的数字信号发送给控制器，控制器为三环控制结构，最内层为电流环，其次是速度环，最外层是位置环。三个控制器均采用PID控制算法。在同一轨迹的重复跟踪过程中，每次运行时的控制量均相同，不会因为运行次数而变化。
技术实现思路
为解决现有技术中不能根据前次加工误差信息自主学习的问题，本专利技术提供一种数控机床自学习修正误差系统，还提供了一种基于该系统的修正误差方法。本专利技术数控机床自学习修正误差系统包括轨迹生成模块、位置环迭代学习控制器、第二控制器、电机及传动模块，所述轨迹生成模块的输出端与位置环迭代学习控制器的输入端相连，所述第二控制器的输入端与所述位置环迭代学习控制器的输出端相连，所述第二控制器输出端与电机及传动模块输入端相连。本专利技术作进一步改进，还包括干扰观测器，所述干扰观测器的输入端分别与所述第二控制器的输出端及电机及传动模块输出端相连，所述干扰观测器的输出端与第二控制器的输出端相连。本专利技术作进一步改进，所述干扰观测器包括干扰输入单元、测量噪声输入单元、标称模型生成单元和低通滤波器，所述干扰输入单元输出端通过电机及传动模块与标称模型生成单元输入端相连，所述测量噪声输入单元输出端与标称模型生成单元输入端相连，所述标称模型生成单元输出端与第二控制器的输出端分别与低通滤波器的输入端相连，所述低通滤波器的输出端与第二控制器的输出端相连。本专利技术作进一步改进，还包括外层自学习速度规划器，所述外层自学习速度规划器的输入端与电机及传动模块输出端相连，所述外层自学习速度规划器与轨迹生成模块相连。本专利技术作进一步改进，所述位置环迭代学习控制器包括第一控制器、迭代学习控制器、存储器，所述轨迹生成模块的输出端与所述第一控制器输入端和存储器输入端相连，所述迭代学习控制器与存储器相连，所述迭代学习控制器输出端和第一控制器的输出端与第二控制器的输入端相连。本专利技术还提供了一种基于该系统的修正误差方法，包含如下步骤：A1：开始，轨迹生成模块给定期望轨迹及运行次数；A2：位置环迭代学习控制器进行迭代控制，输出位置控制量；A3：第二控制器输出速度和电流控制量；A4：电机及传动模块根据位置控制量、速度和电流控制量运行，输出轨迹；A5：判断是否到达给定运行次数，如果是，结束，如果否，返回执行步骤A2。本专利技术作进一步改进，还包括执行随机干扰抑制步骤B，在步骤A2执行后，判断是否存在随机干扰，如果是，利用干扰观测器对随机干扰和测量噪声进行滤除，然后执行步骤A3，如果否，执行步骤A3。本专利技术作进一步改进，还包括外层自学习速度规划步骤C：在步骤A4执行完毕后，判断运行一定次数后，输出轨迹与期望轨迹的误差是否减小到设定值，如果是，执行步骤A5，如果否，利用外层自学习速度规划器重新进行速度规划，然后返回执行步骤A1。本专利技术作进一步改进，所述速度规划的方法包括梯形速度规划法、S形速度规划法和正弦速度规划法。所述速度规划的原理为：根据输入的实际轨迹与期望轨迹的误差项，确定一个速度规划的优化机制，将超过一定值的误差控制在合适的范围内，在适当区域可作加速处理，实现机床运行时的误差可控和效率最优。本专利技术作进一步改进，在步骤A2中，位置环迭代学习控制器中的迭代学习控制器为闭环PD型迭代控制器，所述控制信号的表达式为：其中，k表示系统运行次数，uk表示第k次运行时系统的控制量输出；uk+1表示第k+1次运行时系统的控制量输出；Γp表示比例项学习增益，Γd表示微分项学习增益，ek+1表示第k+1次运行时系统的误差信号，所述迭代控制的方法包括如下步骤：A21：开始，比例项学习增益和微分项学习增益设定为一较大定值；A22：迭代开始；A23：判断实际输出轨迹与期望轨迹之间的误差是否小于第一设定值，如果是，执行步骤A24，如果否，返回执行步骤A22；A24：比例项学习增益和微分项学习增益设定为一较小定值；A25：继续迭代；A26：判断实际输出轨迹与期望轨迹之间的误差是否小于第二设定值，如果是，停止迭代，控制量保持不变，结束，如果否，返回执行步骤A25。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：内层的位置环迭代学习控制器为控制器方面的学习控制，是实时控制，在施加重复性位置指令时，使输出跟随输入，以输出轨迹与期望轨迹的偏差修正不理想的控制信号，产生新的控制信号，使得系统的跟踪性能得以提升，具有记忆系统与经验修正功能，有效减小了输出轨迹与期望轨迹的误差；通过设计迭代学习控制器，干扰观测器以及变增益条件补偿策略，实现了对期望轨迹的跟踪及加工过程中干扰的抑制；外层自学习速度规划器为规划层面的学习控制，当发现局部误差过大或误差小但速度过小时，启用外层自学习，跟踪误差对轨迹重新进行速度规划，是非实时的过程，有效解决了内层学习控制效果不理想的问题。通过本专利技术的方法，实现数控系统在重复加工中积累误差经验、自主修正误差的自学习功能，数控机床的加工过程变为自动学习的过程，大大提高了加工的成品率。附图说明图1为现有技术数控系统结构示意图；图2为本专利技术结构示意图；图3为本专利技术前三次输出轨迹与期望轨迹示意图；图4为输出轨迹与期望轨迹的均方根误差与迭代次数关系示意图；图5为干扰观测器原理图；图6为本专利技术方法流程图；图7为本专利技术一实施例方法流程图；图8为迭代控制的方法流程图；图9为梯形速度规划法方法流程图；图10为梯形速度规划法速度与时间关系示意图；图11X,Y平台加工不同区域具有相同几何特性段工件示意图；图12为正八边形跟踪误差示意图；图13为同一工件置于X,Y平台不同位置加工示意图；图14为轨迹规划闭环流程图；图15为外层自学习速度规划器修改性能参数流程图；图16为拐弯时间为0.02时规划轨迹与实际轨迹对比图；图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种数控机床自学习修正误差系统，其特征在于：包括轨迹生成模块、位置环迭代学习控制器、第二控制器、电机及传动模块，所述轨迹生成模块的输出端与位置环迭代学习控制器的输入端相连，所述第二控制器的输入端与所述位置环迭代学习控制器的输出端相连，所述第二控制器输出端与电机及传动模块输入端相连。

【技术特征摘要】
1.一种数控机床自学习修正误差系统，其特征在于：包括轨迹生成模块、位置环迭代学习控制器、第二控制器、电机及传动模块，所述轨迹生成模块的输出端与位置环迭代学习控制器的输入端相连，所述第二控制器的输入端与所述位置环迭代学习控制器的输出端相连，所述第二控制器输出端与电机及传动模块输入端相连。2.根据权利要求1所述的数控机床自学习修正误差系统，其特征在于：还包括干扰观测器，所述干扰观测器的输入端分别与所述第二控制器的输出端及电机及传动模块输出端相连，所述干扰观测器的输出端与第二控制器的输出端相连。3.根据权利要求2所述的数控机床自学习修正误差系统，其特征在于：所述干扰观测器包括干扰输入单元、测量噪声输入单元、标称模型生成单元和低通滤波器，所述干扰输入单元输出端通过电机及传动模块与标称模型生成单元输入端相连，所述测量噪声输入单元输出端与标称模型生成单元输入端相连，所述标称模型生成单元输出端与第二控制器的输出端分别与低通滤波器的输入端相连，所述低通滤波器的输出端与第二控制器的输出端相连。4.根据权利要求1-3任一项所述的数控机床自学习修正误差系统，其特征在于：还包括外层自学习速度规划器，所述外层自学习速度规划器的输入端与电机及传动模块输出端相连，所述外层自学习速度规划器与轨迹生成模块相连。5.根据权利要求1所述的数控机床自学习修正误差系统，其特征在于：所述位置环迭代学习控制器包括第一控制器、迭代学习控制器、存储器，所述轨迹生成模块的输出端与所述第一控制器输入端相连，所述迭代学习控制器与存储器相连，所述迭代学习控制器输出端和第一控制器的输出端与第二控制器的输入端相连。6.一种基于权利要求1-5任一项所述数控机床自学习修正误差系统的修正误差方法，其特征在于包含如下步骤：A1：开始，轨迹生成模块给定期望轨迹及运行次数；A2：位置环迭代学习控制器进行迭代控制，输出位置控制量；A3：第二控制器输出速度和电流控制量；A4：...

【专利技术属性】
技术研发人员：李建刚，孟亭亭，郑德鹏，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44