一种数控机床进给系统的摩擦力建模方法技术方案

本发明专利技术公开了一种数控机床进给系统的摩擦力建模方法，属于精密制造技术领域，其包括如下步骤：S1获得数控机床各个轴在空转状态时不同的转速以及各个不同转速对应的摩擦力大小；S2利用步骤S1获得的摩擦力大小，构建出传统摩擦力数学模型；S3获得数控机床各个轴在不同加速度下的临界转速；S4利用步骤S3获得的临界转速数据构建出各个轴的静摩擦力数学模型；S5将步骤S2获得的传统摩擦力数学模型与步骤S4获得的静摩擦力数学模型进行整合，以获得通用摩擦力模型。本发明专利技术的摩擦力建模方法不仅可以精确地描述数控机床各个轴在高速运行下所受的摩擦力，还能精确的描述数控机床各个轴在低速换向时所受的摩擦力。

A friction force modeling method for NC machine tool feed system

The invention discloses a friction modeling method of NC machine tool feed system, which belongs to the field of precision manufacturing technology, which comprises the following steps: S1 CNC machine tool friction force of each axis in the idle state of the different speed and different speed corresponding to the size of the S2 using S1 friction; steps obtained, constructed the traditional mathematical model of friction; S3 get the critical speed of each axis in the NC machine tool under different acceleration; critical speed data using S4 step S3 obtained to construct the mathematical model of static friction force of each axis; S5 will S4 the traditional friction mathematical model and step S2 obtained by the static friction force mathematical model of integration, in order to obtain the general friction model. Friction modeling method of the invention not only can accurately describe the friction force at high speed CNC machine tools each axis, friction precise description of each axis CNC machine tools under low-speed reversing can.

【技术实现步骤摘要】
一种数控机床进给系统的摩擦力建模方法
本专利技术属于精密制造
，更具体地，是涉及一种数控机床加工过程中各个进给轴摩擦力建模方法。
技术介绍
随着制造业的迅速发展，加工零件愈来愈趋向精密化和复杂化，对数控机床在精密制造领域中的加工要求也逐渐向高精度方向不断发展。所谓高精度，一般指的是高轮廓控制精度。数控机床的加工精度水平直接反映了国家装备制造的技术水平。由于数控机床在加工零件过程中各个进给轴存在摩擦力，且摩擦力是影响数控机床加工精度的一个重要因素，因此为了提高数控机床的加工精度，降低或者消除摩擦力的影响是必有选项,而精确的摩擦力数学模型是抑制甚至是消除摩擦力不良影响的前提条件。现有的传统摩擦力模型虽然可以较为准确的描述摩擦力的Stribeck现象，但是由于摩擦力本身特性很复杂，尤其是摩擦力在低速换向条件下的高度非线性特性，传统的摩擦力模型无法精确地描述低速换向时的摩擦力特性。因此，如何抑制摩擦力对数控机床加工精度的不良影响，如何建立可以精确描述低速换向时的摩擦力模型，是当前亟待解决的一大难题。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于数控机床(CNC)进给系统的摩擦力建模方法，其为一种更加精确的摩擦力建模方法，不仅可以精确地描述数控机床各个轴在高速运行下所受的摩擦力，还能精确的描述数控机床各个轴在低速换向时所受的摩擦力。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种数控机床进给系统的摩擦力建模方法，其包括如下步骤：S1：获得数控机床各个轴在空转状态时不同的转速以及各个不同转速对应的摩擦力大小；S2：利用步骤S1获得的摩擦力大小，再结合运用数值方法构建出传统摩擦力数学模型；S3：获得数控机床各个轴在不同加速度下的临界转速；S4：利用步骤S3获得的临界转速数据构建出各个轴的静摩擦力数学模型；S5：将步骤S2获得的传统摩擦力数学模型与步骤S4获得的静摩擦力数学模型进行整合，以获得通用摩擦力模型。进一步的，步骤S1中，使数控机床各个轴在不同的速度范围内做往复运动，以获得数控机床各个轴在空转状态时不同的转速下对应的摩擦力大小，为了辨识出边界摩擦和部分流体摩擦的特性，在低速区间选取转速ω＝±0.1,±0.2,±0.3,±0.5,±0.7,±1,±3±5±10rad/s作为测试用速度，同时在高速区间选取转速ω＝±25,±50,±75,±100rad/s作为测试用速度。进一步的，步骤S2中，传统摩擦力的数学模型如下式表示：式中，ω表示转速，和表示静摩擦力矩，和表示库伦摩擦力矩，和表示黏性摩擦力矩，和表示转速常量，其中正负号±表示速度的方向，e表示自然对数。进一步的，步骤S3中，获得数控机床各个轴在不同加速度下的临界转速，首先确定“临界位移xbreak”的大小，临界位移xbreak如下所示：其中，Fc和σo分别是机床轴所受的摩擦力和刚度，工况确定后，Fc和σo是确定不变的，同时，也可以用加速度和时间来表示临界位移xbreak如下：其中，tbreak是转动轴在挣脱位移区间所用时间(最大挣脱位移即为临界位移)，Tv＝0是速度等于0时的时刻，a(τ)是实时加速度τ为时间变量因子，是平均加速度，将速度等于0时候的加速度a0等效为平均加速度，即则获得下式：其中，vbreak为临界速度，通过测量不同加速度下的临界速度，得到加速度与临界速度的关系，即可获得临界位移的大小，为了获得加速度与临界速度的关系，在不同加速度下测量对应的临界速度，获得加速度与临界速度平方的关系曲线，进而获得临界位移的大小，把获得的临界位移代入下式中，获得不同加速度下实时的临界速度。进一步的，步骤S4中，利用获得的临界速度数据构建出各个轴的静摩擦力数学模型，具体如下，静摩擦力F(x)大小由下式获得：F(x)＝-kx其中，k为相互接触表面的等效刚度，x为位移，位移x采用下式表示：其中，v为参考速度，通过对参考轨迹的一次微分(差分)获得，a0为速度等于0时候的加速度，转动轴中一般用转速变量，且摩擦力矩与摩擦力成正比，令比例因子为λ，则式变换为：其中，rg为滚珠丝杆的传动比，令则式变换为下式：T(ω)＝κω2通过把求得的“临界速度”vbreak代入式求得临界摩擦力矩Tbreak，然后根据T(ω)＝κω2，获得参数κ的大小，最终获得静摩擦力的数学模型。进一步的，步骤S5中，将传统摩擦力数学模型与静摩擦力数学模型进行整合，以获得通用摩擦力模型具体为，通用摩擦力数学模型如下，式中，ω表示转速，和表示静摩擦力矩，和表示库伦摩擦力矩，和表示黏性摩擦力矩，和表示转速常量，和表示临界转速，κ+和κ-表示静摩擦力常量，其中正负号±表示速度的方向，e表示自然对数。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)本专利技术建立了一种基于数控机床各轴转速的通用摩擦力数学模型，本专利技术的通用摩擦力模型不仅抑制了高速情况下摩擦力对数控机床加工的影响，还有效处理了低速情况下的非线性摩擦力对数控机床的不良作用。(2)本专利技术简单易行，可以准确、可靠抑制摩擦力对数控机床加工零件时的影响，且具备通用性，适用于各种类型的数控加工机床(中心)，对于提高数控机床的加工精度具有很好的应用价值。附图说明图1为本专利技术实施例中数控机床(CNC)进给系统的摩擦力数学模型建模流程图；图2为本专利技术实施例中传统摩擦力模型的Stribeck-Curve曲线图；图3为本专利技术实施例中临界速度与加速度关系示意图；图4为本专利技术提出的通用摩擦力模型的Stribeck-Curve曲线图；图5为本专利技术实施例中实验验证效果图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。图1为本专利技术实施例中数控机床(CNC)进给系统的摩擦力数学模型建模流程图，如图1所示，本专利技术构建数控机床进给系统摩擦力数学模型的方法包括以下步骤：S1：获得数控机床各个轴在空转状态下的转速以及对应的摩擦力大小，具体的，如图2所示，传统摩擦力模型分为四个区域，随着速度的增加依次为：静摩擦力，边界润滑，部分流体润滑和全流体润滑。其中，在部分流体润滑区间，摩擦力的大小随着速度的增加而减小的这一现象称为Stribeck现象。需要强调的是，传统摩擦力模型并没有实质上描述静摩擦力的特性。传统摩擦力的数学模型由下式(1)表示：式(1)中，ω表示转速，和表示静摩擦力矩，和表示库伦摩擦力矩(也叫动摩擦力矩)，和表示黏性摩擦力矩，和表示转速常量，其中正负号±表示速度的方向，e表示自然对数。摩擦力矩T和摩擦力Ff是正比的关系：T＝μ*Ff(2)式(2)中，μ是摩擦力转换为摩擦力矩的系数，确定条件下其为一个常值。由于滚珠丝杆传动系统中多用摩擦力矩来表示，且摩擦力矩同样可以辨识得到，因此此处用摩擦力矩来表示摩擦力的大小。为了获得构建摩擦力的数学模型所需的数据，要使数控机床各个轴在不同的速度范围内做往复运动。为了准确的辨识出边界摩擦和部分流体摩擦的特性，在低速区间选取速度ω＝±0.1,±0.2,±0.3,±0本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种数控机床进给系统的摩擦力建模方法，其特征在于，其包括如下步骤：S1：获得数控机床各个轴在空转状态时不同的转速以及各个不同转速对应的摩擦力大小；S2：利用步骤S1获得的摩擦力大小和转速，构建出传统摩擦力数学模型；S3：获得数控机床各个轴在不同加速度下的临界转速；S4：利用步骤S3获得的临界转速构建出各个轴的静摩擦力数学模型；S5：将步骤S2获得的传统摩擦力数学模型与步骤S4获得的静摩擦力数学模型进行整合，以获得通用摩擦力模型。

【技术特征摘要】
1.一种数控机床进给系统的摩擦力建模方法，其特征在于，其包括如下步骤：S1：获得数控机床各个轴在空转状态时不同的转速以及各个不同转速对应的摩擦力大小；S2：利用步骤S1获得的摩擦力大小和转速，构建出传统摩擦力数学模型；S3：获得数控机床各个轴在不同加速度下的临界转速；S4：利用步骤S3获得的临界转速构建出各个轴的静摩擦力数学模型；S5：将步骤S2获得的传统摩擦力数学模型与步骤S4获得的静摩擦力数学模型进行整合，以获得通用摩擦力模型。2.如权利要求1所述的一种数控机床进给系统的摩擦力建模方法，其特征在于，步骤S1中，使数控机床各个轴在不同的速度范围内做往复运动，以获得数控机床各个轴在空转状态时不同的转速下对应的摩擦力大小，为了辨识出边界摩擦和部分流体摩擦的特性，在低速区间选取转速ω＝±0.1,±0.2,±0.3,±0.5,±0.7,±1,±3±5±10rad/s作为测试用速度，在高速区间选取转速ω＝±25,±50,±75,±100rad/s作为测试用速度。3.如权利要求2所述的一种数控机床进给系统的摩擦力建模方法，其特征在于，步骤S2中，传统摩擦力的数学模型如下式表示：式中，ω表示转速，和表示静摩擦力矩，和表示库伦摩擦力矩，和表示黏性摩擦力矩，和表示转速常量，其中正负号±表示速度的方向，e表示自然对数。4.如权利要求3所述的一种数控机床进给系统的摩擦力建模方法，其特征在于，步骤S3中，获得数控机床各个轴在不同加速度下的临界转速，首先确定“临界位移xbreak”的大小，临界位移xbreak如下所示：其中，Fc和σo分别是机床轴所受的摩擦力和刚度，工况确定后，Fc和σo是确定不变的，用加速度和时间来表示临界位移xbreak如下：其中，tbreak是转动轴在挣脱位移区间所用时间，最大挣脱位移即为临界位移，Tv＝0是速度等于0时的时刻，a(τ)是实时加速度，τ为时间变量因子，是平均加速度，t为时刻，由于将速度等于0时候的加速度a0等效为平均加速度，即则获得下式：其中，vbreak为临界速度，通...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨明，杨吉祥，丁汉，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42