直线进给轴刀尖点相对于光栅检测点位置偏差估计方法技术

本发明专利技术公开了一种直线进给轴刀尖点相对于光栅检测点位置偏差估计方法，直线进给轴用以提供高精度的直线进给运动，是多轴数控机床重要组成部分，其控制精度直接影响机床加工精度。当机床直线进给轴上串联其它零部件时，直线进给轴光栅检测点至刀尖点间的柔性结合部如导轨滑块结合部、栓接结合部等，导致进给轴在运动过程中尖点在进给方向位移偏离光栅检测点位移，并造成机床加工精度降低的问题。为降低甚至消除上述偏差，本发明专利技术公开了一种直线进给轴刀尖点相对于光栅检测点位置偏差估计方法。可根据直线进给轴运动过程中的光栅数据估计刀尖点相对于光栅检测点位移偏差，为机床高精控制提供技术基础。

Estimation method for position error of linear feed axis tool tip relative to grating detection point

The invention discloses a method for estimating the position deviation of tool tip of linear feed shaft relative to grating detection point. The linear feed shaft is used to provide high-precision linear feed motion, and is an important component of multi-axis NC machine tool. Its control accuracy directly affects the processing accuracy of machine tool. When other parts are connected in series on the straight feed axle of machine tool, the flexible joint between the grating detection point of the straight feed axle and the tool tip, such as slider joint of guide rail and bolt joint, results in the displacement of the tip in the feed direction deviating from the grating detection point during the movement of the feed axle, and causes the problem of reducing the machining accuracy of machine tool. . In order to reduce or even eliminate the above deviation, the invention discloses a method for estimating the position deviation of the tool tip of a linear feed shaft relative to the grating detection point. The displacement deviation of tool tip relative to grating detection point can be estimated based on the grating data during the movement of linear feed axis, which provides a technical basis for high precision control of machine tools.

【技术实现步骤摘要】
直线进给轴刀尖点相对于光栅检测点位置偏差估计方法
本专利技术属于数控机床进给系统控制领域，涉及一种直线进给轴刀尖点相对于光栅检测点位置偏差估计方法。
技术介绍
数控机床广泛应用于冲压模具、轮船螺旋桨、飞机结构件、汽轮机叶片等复杂型面零件的加工及制造，是制造业的核心装备。提高数控机床的精度是机床设计及制造者不懈努力的目标。数控机床中，对于安装有其它进给轴、主轴或其他零部件的直线进给轴而言，进给轴光栅位置与刀尖位置在该轴进方向上存在柔性环节，如导轨滑块结合部、栓接结合部等。该直线进给轴在运动过程中，上述柔性环节在电机驱动力作用下产生弹性变形，引起进给轴运动部件产生倾斜、俯仰、偏摆等位移；导致刀尖点在被测实际位置偏离光栅检测点位置，形成位置偏差；并进一步造成机床加工精度降低。当前，机床进给轴控制器控制的主要目标是降低进给轴跟随误差，即降低插补指令至光栅检测点位移之间的偏差。而控制环外的位置偏差，即光栅检测点至刀尖点的位置偏差，通常认为该偏差很小而很少考虑。这在机床低速运动或执行缓变指令时是成立的。然而，当机床联动高速大曲率轨迹时，进给轴驱动力大幅增加，控制环外位置偏差也大幅增加，导致其对机床加工精度的影响已不能忽略。为降低甚至消除上述偏差，本专利技术，通过辨识进给轴光栅位移至刀尖点在该轴进给方向位移的传递函数，估计刀尖点相对于光栅检测点位移偏差，可为进给系统高精控制提供技术基础。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对数控机床直线进给轴刀尖点在该轴进给方向位移与该轴光栅测量位移存在偏差的问题，提供一种直线进给轴刀尖点相对于光栅检测点位置偏差估计方法，用以实时估计刀尖点相对于光栅检测点在进给方向的位移偏差，为进给轴高精控制提供技术基础。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：直线进给轴刀尖点相对于光栅检测点位置偏差估计方法，包括以下步骤：步骤1：激励进给系统，采集被测轴光栅及刀尖点在该轴进给方向的位移数据；步骤2，使用所采集的位移数据辨识获取光栅检测点至刀尖点位移传递函数；步骤3，估计直线进给轴刀尖点相对于光栅检测点位置偏差。本专利技术进一步的改进在于：步骤1中激励进给系统、采集被测轴光栅及刀尖点在该轴进给方向位移数据的具体方法如下：1-1)生成G代码序列：使用M序列及随机数序列生成激励指令，并将激励指令生成G代码序列，用以激励进给系统；1-2)测前准备：将生成的G代码序列传入机床数控系统(3)；增大数控系统(3)及驱动器(4)中最大加速度、位置环及速度环增益参数值，保证激励频宽；架设激光干涉仪，用以测量并采集刀尖点在被测轴进给方向位移数据；将数据采集卡与被测轴光栅连接，用以采集光栅位移数据；将数据采集卡(9)与激光干涉仪(12)采样频率设置相同，同时配置二者的触发方式均为外部触发，以保证二者数据采集的同步性；1-3)实施测试：首先，使用触发信号使激光干涉以及数据采集卡同时开始数据采集工作；而后，运行所传入的G代码序列，使进给轴在激励指令的作用下运动；最后，在G代码序列执行完成且机床进给轴停止运动后，使用触发信号使激光干涉仪及数据采集卡同时停止数据采集工作，并存储采集得到的光栅位移数据yopt及刀尖位移数据ytcp。用以生成G代码序列的激励指令包括位移及速度指令，且均由M序列及随机数序列生成。其中，M序列幅值为1，是由多级线性移位寄存器产生；随机数序列为(0,1)间均匀分布的随机数，是通过混合同余法产生。由M序列及随机数序列生激励指令的方法如(3)式所示：式中：xjl为指令坐标位置，vjl为指令进给率，xm(1),xm(2),…,xm(N)为幅值为1的M序列，xr(1),xr(2),…,xr(N)为(0,1)间均匀分布的随机数序列，N为序列长度，Am为幅值，v为匀速信号；激励指令生成过程中，令以防止机床频繁启停；其中，L为进给轴行程，amax为最大加速度。由激励指令生成G代码序列的方法为：以生成的激励信号序列xjl(1),…,xjl(N)为被辨识轴坐标点，以vjl(1),…,vjl(N)为进给速度，以数控机床快速移动指令G00为进给轴移动G指令，生成为G代码序列，用以激励机床中被辨识的进给轴。步骤2中光栅检测点位移至刀尖点进给方向位移幅频曲线，其输入输出关系由(4)式所示离散传递函数表示：式中，ci和dj分别为离散传递函数分子及分母的系数，Nz和Mz分别为分子分母阶数；这些参数是未知的，需要通过辨识来获得。获取光栅检测点至刀尖点位移传递函数的具体方法如下：Step1：设定传函模型分子分母阶数的变化范围Mz∈(Mz_s,Mz_e)，Nz∈(Nz_s,Nz_e)；其中，Mz_s为传函模型分母阶数下限；Mz_e为传函模型分母阶数上限；Nz_s为传函模型分子阶数下限；Nz_e为传函模型分子阶数上限；且Mz,Mz_s,Mz_e,Nz,Nz_s,Nz_e均为正整数，且满足Mz_s＜Mz_e，Nz_s＜Nz_e；而后，令i＝0；Step2：令Mz＝Mz_s+i，j＝0，开启第一层循环；Step3：令Nz＝Nz_s+j，开启第二层循环；Step4：根据Mz,Nz值生成参数向量、输出向量及测量矩阵；未知的分子及分母系数生成的参数向量如(5)式所示：若采集的光栅数据为yopt(i)，刀尖点在进给方向上的位移数据为ytcp(i)，其中i＝0,1,2,…,Ndata；将其微分后得到速度数据vopt(i)及vtcp(i)，则生成的输出向量为：生成的测量矩阵如(7)式所示，式中Ts为采样时间；而后，根据最小二乘法辨识参数向量，最小二乘法辨识参数向量的计算式为：θ＝(WT·W)-1·WT·Y(8)最后，计算模型误差量；将(4)式变换为差分方程，如下式所示：式中，tk＝k·Ts,k＝0,1,2,…,Ndata根据上式，及将辨识得到的参数向量θ，估计系统输出，如下式所示：上式中，为使用辨识模型估计得到的输出；测量得到的输出量与通过模型估计得到的输出量之差即为模型误差量，其计算式如下所示：式中：ytcp为测量的刀尖位移数据；为估计的刀尖位移数据；Ndata为刀尖位移数据采样点数；Ts为采样时间；Step5：根据模型误差量，存储使模型误差量最小的辨识数据；具体实施方法为：当i＝0,j＝0时，令error_b＝error，best＝[Mz,Nz,θ]；否则当error＜error_b时更新辨识结果error_b＝error，best＝[Mz,Nz,θ]；如此，循环完成后，best值即为使模型误差error最小的模型参数；Step6：令j＝j+1，并判断Nz是否等于Nz_e，若相等则程序继续向下执行；若不相等则返回Step3，并继续执行；Step7：令i＝i+1，并判断Mz是否等于Mz_e，若相等则程序继续向下执行；若不相等则返回Step2，并继续执行；Step8：程序结束，输出辨识结果best值。Step4中传递函数系数的辨识方法为最小二乘法；传递函数阶数的辨识方法为搜索法，具体为：设置阶数值定义域，在该定义域内辨识不同阶数的传递函数，选择估计误差最小的阶数值作为阶数参数辨识结果。步骤3估计直线进给轴刀尖点相对于光栅检测点位置偏差的具体方法如下：在直线进给轴运动过程中实时采集光栅检测数据，并将其存入寄存器；而后，根据辨识的传递函数模型完成偏差的估计本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.直线进给轴刀尖点相对于光栅检测点位置偏差估计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：激励进给系统，采集被测轴光栅及刀尖点在该轴进给方向的位移数据；步骤2，使用所采集的位移数据辨识获取光栅检测点至刀尖点位移传递函数；步骤3，估计直线进给轴刀尖点相对于光栅检测点位置偏差。

【技术特征摘要】
1.直线进给轴刀尖点相对于光栅检测点位置偏差估计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：激励进给系统，采集被测轴光栅及刀尖点在该轴进给方向的位移数据；步骤2，使用所采集的位移数据辨识获取光栅检测点至刀尖点位移传递函数；步骤3，估计直线进给轴刀尖点相对于光栅检测点位置偏差。2.根据权利要求1所述的直线进给轴刀尖点相对于光栅检测点位置偏差估计方法，其特征在于，步骤1中激励进给系统、采集被测轴光栅及刀尖点在该轴进给方向位移数据的具体方法如下：1-1)生成G代码序列：使用M序列及随机数序列生成激励指令，并将激励指令生成G代码序列，用以激励进给系统；1-2)测前准备：将生成的G代码序列传入机床数控系统(3)；增大数控系统(3)及驱动器(4)中最大加速度、位置环及速度环增益参数值，保证激励频宽；架设激光干涉仪，用以测量并采集刀尖点在被测轴进给方向位移数据；将数据采集卡与被测轴光栅连接，用以采集光栅位移数据；将数据采集卡(9)与激光干涉仪(12)采样频率设置相同，同时配置二者的触发方式均为外部触发，以保证二者数据采集的同步性；1-3)实施测试：首先，使用触发信号使激光干涉以及数据采集卡同时开始数据采集工作；而后，运行所传入的G代码序列，使进给轴在激励指令的作用下运动；最后，在G代码序列执行完成且机床进给轴停止运动后，使用触发信号使激光干涉仪及数据采集卡同时停止数据采集工作，并存储采集得到的光栅位移数据yopt及刀尖位移数据ytcp。3.根据权利要求2所述的直线进给轴刀尖点相对于光栅检测点位置偏差估计方法，其特征在于，用以生成G代码序列的激励指令包括位移及速度指令，且均由M序列及随机数序列生成；其中，M序列幅值为1，是由多级线性移位寄存器产生；随机数序列为(0,1)间均匀分布的随机数，是通过混合同余法产生。4.根据权利要求2所述的直线进给轴刀尖点相对于光栅检测点位置偏差估计方法，其特征在于，由M序列及随机数序列生激励指令的方法如(3)式所示：式中：xjl为指令坐标位置，vjl为指令进给率，xm(1),xm(2),…,xm(N)为幅值为1的M序列，xr(1),xr(2),…,xr(N)为(0,1)间均匀分布的随机数序列，N为序列长度，Am为幅值，v为匀速信号；激励指令生成过程中，令以防止机床频繁启停；其中，L为进给轴行程，amax为最大加速度。5.根据权利要求4所述的直线进给轴刀尖点相对于光栅检测点位置偏差估计方法，其特征在于，由激励指令生成G代码序列的方法为：以生成的激励信号序列xjl(1),…,xjl(N)为被辨识轴坐标点，以vjl(1),…,vjl(N)为进给速度，以数控机床快速移动指令G00为进给轴移动G指令，生成为G代码序列，用以激励机床中被辨识的进给轴。6.根据权利要求1所述的直线进给轴刀尖点相对于光栅检测点位置偏差估计方法，其特征在于，步骤2中光栅检测点位移至刀尖点进给方向位移的输入输出关系由(4)式所示离散传递函数表示：式中，ci和dj分别为离散传递函数分子及分母的系数，Nz和Mz分别为分子分母阶数；这些参数是未知的，需要通过辨识来获得。7.根据权利要求6所述的直线进给轴刀尖点相对于光栅检测点位置偏差...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵万华，刘辉，湛承鹏，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61