一种用于虚拟轴机床刀具运动控制的滑模控制方法技术

本发明专利技术公开了一种用于虚拟轴机床刀具运动控制的滑模控制方法，先根据加工要求规划出虚拟轴机床加工过程刀具的空间运动轨迹，确定加工过程中虚拟轴机床各主动副的期望运动轨迹，再建立虚拟轴机床各控制支路被控对象的数学模，检测并确定虚拟轴机床各主动副的实际运动状态，依据滑模控制理论计算开关曲面函数，确定虚拟轴机床各控制支路电机驱动控制量并发送给各电机驱动器，最后以各控制支路电机驱动控制量驱动各主动副，从而驱动虚拟轴机床刀具实现期望运动，本发明专利技术无需建立各支路被控对象的精确模型，利用滑模控制技术的优良特性实现对刀具运动的高精度控制；滑模控制量由连续函数构成，无震颤问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种虚拟轴机床，尤其涉及其由电机驱动的刀具的运动控制方法。
技术介绍
虚拟轴机床(也称并联机床)的数控系统的关键技术是通过对虚拟轴机床实轴的控制，实现虚拟轴的联动控制，从而得到所要求的刀具运动轨迹。然而，由于虚拟轴机床由多杆并联运动机构构成，其动力学模型是一个多自由度、多变量、高度非线性、多参数耦合的复杂系统。在机构运动及机床加工过程中，机构模型的参数及外界干扰变化很大，具有不确定性。与串联结构的普通机床相比，其传动误差的积累大大减小，但仍然存在其它影响加工精度的因素，如机床的制造和安装误差、驱动杆上下球铰的间隙、驱动杆杆长偏差对动平台位置精度的影响、执行机构和运动副的运动误差、重力引起的弹性形变、受热引起的形变、传感器精度等等。因此目前对虚拟轴机床实现精密控制仍然是控制界公认的难题，并且成为虚拟轴机床在高精度加工领域实现产业化、实用化的最大障碍之一，严重制约了其优势发挥，成为目前亟待解决的关键问题。 提高虚拟轴机床定位和加工精度的关键技术之一，是提高对虚拟轴机床并联机构动平台所固联刀具控制的准确度，为此，人们提出了不同的控制方法，目前主要有误差补偿控制方法、智能控制方法以及基于模型的自适应控制方法等。其中，误差补偿控制方法多针对特定的虚拟轴机床，并针对特定的误差产生因素如摩擦作用、振动作用、重力作用等进行，因此，对不同类型的虚拟轴机床不具有通用性；智能控制方法通常是基于人工神经网络进行虚拟轴机床耦合作用或负载扰动的补偿或抑制，这类控制方法较为复杂，目前多仿真实现，少有实际应用；基于模型进行虚拟轴机床的自适应控制或鲁棒控制方法，不仅难以实现，而且由于其控制精度依赖于模型准确度，因此需事先建立虚拟轴机床的精确数学模型。由于虚拟轴机床并联机构的复杂性和加工时外界干扰的不确定性，精确建立其数学模型不仅非常困难，而且所建模型通常非常复杂难以实际用于控制。国内现有实验样机，多忽略虚拟轴机床各支路间的耦合作用，把每个支路当作完全独立的系统，实施传统PID控制，通常必须同时采取误差补偿措施才能满足虚拟轴机床精度要求。另外，查阅国内外在虚拟轴机床方面的专利情况可见，虚拟轴机床专利均为各种虚拟轴机床新型机构设计，迄今，未见相关文献对虚拟轴机床提出比较理想的控制方法。 变结构控制目前已发展成为一种对具有不确定性动力学系统进行控制研究的重要方法。变结构系统是一种非连续反馈控制系统，其主要特点是它在一种开关曲面上建立滑动模型，称为"滑模"，常规滑模控制律的一般形式为 <formula>formula see original document page 3</formula> 式(1)中，n为正常数；S为开关曲面函数；Ueq为维持滑模运动的等效控制量；n Sgn(S)旨在控制系统不确定性和干扰等未知部分。当常规滑模控制方法采用计算机等数控系统实现时，其采样间隔会使控制输出产生微小震颤，影响滑模控制方法的精确性。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种由电机驱动的虚拟轴机床的、具有最佳动态品质的用于虚拟轴机床刀具运动控制的滑模控制方法。 本专利技术采用的技术方案是采用如下步骤 l)根据加工要求规划出虚拟轴机床加工过程刀具的空间运动轨迹，确定加工过程中虚拟轴机床各主动副的期望运动轨迹； 2)建立虚拟轴机床各控制支路被控对象的数学模型； 3)检测并确定虚拟轴机床各主动副的实际运动状态； 4)依据滑模控制理论计算开关曲面函数； 5)确定虚拟轴机床各控制支路电机驱动控制量并发送给各电机驱动器； 6)以各控制支路电机驱动控制量驱动各主动副，从而驱动虚拟轴机床刀具实现期望运动。 本专利技术首次将滑模控制方法应用于虚拟轴机床的刀具的运动控制，其特点和有益效果是 1、与现有技术中基于模型的自适应控制方法对比，本专利技术的滑模控制方法对系统参数变化及外界干扰不敏感，因而采用滑模控制方法的控制系统无需建立精确的被控对象数学模型，其控制精度无需依赖于模型准确度，无需考虑被控对象多个支路多变量间的耦合问题，只需利用滑模控制技术的优良特性，实现对虚拟轴机床刀具运动的高精度控制，即可具有优良的控制品质。2、滑模控制开关曲面参数依据二阶最佳动态品质系统设计，不仅使虚拟轴机床系统在形成滑模运动后具有最佳动态品质，而且能大大降低控制参数调试工作量。 3、所确定具最佳动态品质滑模控制量由连续函数构成，具有连续性，解决了常规滑模控制技术存在的震颤问题，大大增强了滑模控制技术的实用性。附图说明 以下结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明。 图1是虚拟轴机床的滑模控制系统示意图。 图2是图1中虚拟轴机床各支路主动副期望运动和实际运动轨迹图，其中图2a是支路l主动副运动跟踪曲线图，图2b是支路2主动副运动跟踪曲线图，图2c是支路3主动副运动跟踪曲线图，图2d是支路4主动副运动跟踪曲线图，图2e是支路5主动副运动跟踪曲线图，图2f是支路6主动副运动跟踪曲线图。 图3是虚拟轴机床各支路主动副运动误差图，其中图3a是支路1主动副运动误差图，图3b是支路2主动副运动误差图，图3c是支路3主动副运动误差图，图3d是支路4主动副运动误差图，图3e是支路5主动副运动误差图，图3f支路6主动副运动误差图。 图4是虚拟轴机床各支路电机的驱动控制量，其中图4a是支路1电机的驱动控制量图，图4b是支路2电机的驱动控制量图，图4c是支路3电机的驱动控制量图，图4d是支路4电机的驱动控制量图，图4e是支路5电机的驱动控制量图，图4f是支路6电 机的驱动控制量图。具体实施例方式如图l，根据加工要求规划出加工过程刀具的空间运动轨迹后，首先预先确定加 工过程中虚拟轴机床各主动副的期望运动轨迹以及建立虚拟轴机床各控制支路的被控对 象数学模型；其次，依据由各支路编码器所检测的各电机运动状态得到各主动副实际运 动状态；然后，采用预先设计的具最佳动态品质滑模控制律计算得到各电机驱动指令， 发送给各电机驱动器(电机伺服放大器)，最终驱动虚拟轴机床的滚珠丝杠使刀具实现期 望运动。具体方法如下 1、预先根据虚拟轴机床加工要求确定各主动副期望运动 在根据虚拟轴机床加工要求完成刀具加工轨迹规划后，依据虚拟轴机床并联机 构的运动学反解，确定虚拟轴机床各主动副(设各主动副为平移运动)期望位移xd(单位 为mm)、期望运动速度id (单位为mm/s)和期望运动加速度^ (单位为mm2/s)。 2、预先建立虚拟轴机床各控制支路被控对象数学模型 由于本专利技术采用滑模控制，其设计过程自然解耦，因此可采用各支路分别独立 控制的刀具运动控制方案，与不得不考虑各支路间耦合作用的控制方案(如进行耦合作 用补偿的智能控制方案)相比，该控制方案无需分析耦合作用并建立复杂的耦合作用模 型，因此设计与实现便利；与同样采用各支路独立控制的PID控制方案相比，当机床加 工时，系统参数变化和负载干扰往往使PID控制不能获得令人满意的控制效果，但滑模 控制系统的性能却不受系统参数变化和负载干扰等影响。 当采用各支路分别独立控制的滑模控制方案时，所建控制对象数学模型可针对 各电机控制支路独立进行，而且无需考虑各支路上的系统参数变化和负载变化干扰等。 由于虚拟轴机床并联机构各本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于虚拟轴机床刀具运动控制的滑模控制方法，其特征是采用如下步骤：　　　　１）根据加工要求规划出虚拟轴机床加工过程刀具的空间运动轨迹，确定加工过程中虚拟轴机床各主动副的期望运动轨迹；　　　　２）建立虚拟轴机床各控制支路被控对象的数学模型；３）检测并确定虚拟轴机床各主动副的实际运动状态；　　　　４）依据滑模控制理论计算开关曲面函数；　　　　５）确定虚拟轴机床各控制支路电机驱动控制量并发送给各电机驱动器；　　　　６）以各控制支路电机驱动控制量驱动各主动副，从而驱动虚拟轴机床刀具实现期望运动。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：高国琴，刘辛军，王长勇，杨年法，牛雪梅，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：32[]