一种滚珠丝杠驱动系统外部扰动力自监测方法技术方案

一种滚珠丝杠驱动系统外部扰动力自监测方法，其特征是通过监测电机力矩预测一个无外部扰动力作用下的工作台运动状态（位移、速度或加速度），将其与监测到的相应实际运动状态作差，得到仅由外部扰动力作用下的工作台运动状态，进而基于外部扰动力到工作台运动状态之间的动态关系反向估计外部扰动力。本方法将滚珠丝杠驱动系统自身作为力测量的敏感元件，仅需要监测一种工作台自身的运动状态即可实现滚珠丝杠驱动系统外部扰动力的长期低成本可靠监测，具有推广应用于工业实际生产过程的较大潜力。大潜力。大潜力。

【技术实现步骤摘要】
一种滚珠丝杠驱动系统外部扰动力自监测方法


[0001]本专利技术涉及机电系统状态监测
，尤其是滚珠丝杠驱动系统状态监测
，具体是一种利用滚珠丝杠驱动系统自身对外部扰动力的运动状态响应实现外部扰动力自监测的方法。

技术介绍

[0002]滚珠丝杠驱动系统以其高刚性、高传动效率、大工作行程和长使用寿命，广泛应用于以数控机床为代表的各类精密机械设备。滚珠丝杠驱动系统外部扰动力是指等效作用在滚珠丝杠驱动系统工作台轴向运动方向上的外部作用力(切削、碰撞引起的载荷等)。监测外部扰动力并进行补偿，可以进一步提高运动控制精度；此外，通过监测值识别异常交互情况，可以保证滚珠丝杠驱动系统与外界交互过程的安全稳定。基于力传感元件直接监测外部扰动力的方法较为准确，但由于传感元件需要直接承受载荷冲击，长期使用的可靠性会下降。此外，力传感元件价格高昂且有可能影响工作空间，会显著增加维护和使用成本，因此难以满足实际工业场景中的可靠性、实用性和经济性要求。
[0003]滚珠丝杠驱动系统的运动状态中包含了对外部扰动力的响应，可将滚珠丝杠驱动系统自身作为敏感元件，根据系统对外部扰动力的运动状态响应来估计接触力，有潜力实现外部扰动力的长期低成本准确监测。在这种思路下，论文《A sensorless approach for tool fracture detection in milling by integrating multi
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axial servo information》将滚珠丝杠驱动系统建模为双惯量模型并直接基于该机理模型构造扰动观测器来估计外部扰动力。但是，该方法受限于双惯量模型的表征能力，估计精度有限。此外，由于需同时监测多个运动状态，增加了长期应用的成本和风险。因此，亟需一种可实现滚珠丝杠驱动系统外部扰动力长期低成本可靠监测的方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是针对现有滚珠丝杠驱动系统外部扰动力监测方法的不足，专利技术一种滚珠丝杠驱动系统外部扰动力自监测方法。它通过监测电机力矩预测一个无外部扰动力作用下的工作台运动状态(位移、速度或加速度)，将其与监测到的实际运动状作差得到仅由外部扰动力作用下的工作台运动状态，进而基于外部扰动力到工作台运动状态之间的动态关系反向估计外部扰动力。
[0005]本专利技术的技术方案是：
[0006]一种滚珠丝杠驱动系统外部扰动力自监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007]1)在控制输入中对摩擦进行预补偿；
[0008]2)选取一个工作台运动状态(位移、速度或加速度)进行监测；
[0009]3)建立电机力矩到所监测运动状态的理想动态模型；
[0010]4)建立工作台外部扰动力到所监测运动状态的扰动动态模型；
[0011]5)基于4)中扰动动态模型构造所监测运动状态到外部扰动力的反向估计模型；
[0012]6)将所监测运动状态的监测值与3)中的理想动态模型预测值作差；
[0013]7)将差值输入5)中的反向估计模型实时预测外部扰动力。
[0014]需要注意的是，这里所述的滚珠丝杠驱动系统外部扰动力，是指外部扰动力在工作台运动方向上的轴向等效力。
[0015]步骤1)所述的在控制输入中对摩擦进行预补偿，即构造表征滚珠丝杠驱动系统摩擦特性的预测模型，并将摩擦预测值添加在电机指令力矩中进行预补偿。摩擦模型可选用Stribeck、LuGre、广义Maxwell模型等静态或动态非线性摩擦模型。
[0016]步骤2)所述的选取一个工作台运动状态(位移、速度或加速度)进行监测，上述三种运动状态理论上均可用来估计外部扰动力，但是加速度对外部扰动力有着最直接和最灵敏的响应，因此在监测条件允许下推荐使用工作台加速度。
[0017]本专利技术所公开的方法，其核心是对滚珠丝杠驱动系统线性动力学模型进行解耦，本质是将滚珠丝杠驱动系统视为一个多输入多输出线性系统，其中输入为电机力矩和工作台外部扰动力，输出为工作台运动状态。根据线性系统迭代原理，工作台实际运动状态可以解耦为电机力矩驱动的工作台理想运动状态和工作台外部扰动力驱动的工作台运动状态的线性叠加。其中电机力矩到所监测运动状态的动态关系称为理想动态模型，工作台外部扰动力到所监测运动状态的动态关系称为扰动动态模型。
[0018]对滚珠丝杠驱动系统线性动力学模型进行解耦后，以加速度为例，工作台实际加速度也随之解耦为电机力矩驱动的工作台理想加速度和外部扰动力驱动的工作台加速度的线性叠加，可表示为：
[0019]a＝a
T
+a
d
＝IDM(T)+DDM(d)
[0020]其中，a表示工作台加速度的实际监测值，a
T
表示电机力矩驱动的工作台理想加速度，a
d
表示外部扰动力驱动的工作台加速度，T表示补偿非线性摩擦后的等效电机力矩，d表示工作台外部扰动力，IDM表示电机力矩到工作台加速度的理想动态模型，DDM表示外部扰动力到工作台加速度的扰动动态模型。对于传统的滚珠丝杠驱动系统双惯量模型，可将其等效为四阶理想动态模型和四阶扰动动态模型的线性叠加。而解耦后得到的理想动态模型和扰动动力学模型允许使用更高阶的模型进行表征，从而更好地匹配实际系统的复杂度。
[0021]步骤3)所述的建立电机力矩到所监测运动状态的理想动态模型，采用电机力矩随机自激励的方式进行辨识。在系统处于转矩控制模式且无外部扰动力的情况下，设定电机力矩的指令值为可充分激励系统动态特性的冲击、随机或伪随机信号，同时同步监测工作台端的运动状态响应，进而通过系统辨识得到电机力矩到工作台端运动状态的离散时间线性动态模型，例如离散传递函数、离散状态空间模型或带外部输入的自回归模型等。
[0022]步骤4)所述的建立工作台外部扰动力到所监测运动状态的扰动动态模型，需要将滚珠丝杠驱动系统置于转矩模式且指令转矩设置为0，在工作台侧进行运动轴方向的锤击并同步监测相应方向的运动状态响应，进而辨识得到工作台外部扰动力到所选定工作台运动状态的连续或离散时间传递函数。
[0023]步骤5)所述的基于4)中扰动动态模型构造所监测运动状态到外部扰动力的反向估计模型，在建立该反向估计模型时，需要利用步骤4)中辨识到的传递函数模型。若传递函数模型满足最小相位系统的定义，则可直接将传递函数求逆实现反向估计；否则，将外部扰动力扩充为系统状态，进而构造状态观测器来估计外部扰动力。
[0024]简而言之，本专利技术的滚珠丝杠驱动系统外部扰动力自监测方法的特点是通过监测电机力矩预测一个无外部扰动力作用下的工作台运动状态(位移、速度或加速度)，将其与监测到的实际运动状作差得到仅由外部扰动力作用下的工作台运动状态，进而基于外部扰动力到工作台运动状态之间的动态关系反向估计外部扰动力。
[0025]本专利技术的有益效果是：
[0026]本专利技术所公开的方法将滚珠丝杠驱动系统自身作为力测量的敏感元件，仅需要监测一种工作台自身的运动状本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种滚珠丝杠驱动系统外部扰动力自监测方法，其特征在于，包括以下步骤：1）在控制输入中对摩擦进行预补偿；2）选取一个工作台运动状态进行监测；3）建立电机力矩到所监测运动状态的理想动态模型；4）建立工作台外部扰动力到所监测运动状态的扰动动态模型；5）基于4）中扰动动态模型构造所监测运动状态到外部扰动力的反向估计模型；6）将所监测运动状态的监测值与3）中的理想动态模型预测值作差；7）将差值输入5）中的反向估计模型实时预测外部扰动力。2.根据权利要求1所述的滚珠丝杠驱动系统外部扰动力自监测方法，其特征在于：所述的滚珠丝杠驱动系统外部扰动力是指外部扰动力在工作台运动方向上的轴向等效力。3.根据权利要求1所述的滚珠丝杠驱动系统外部扰动力自监测方法，其特征在于：步骤1）所述的在控制输入中对摩擦进行预补偿，即构造表征滚珠丝杠驱动系统摩擦特性的预测模型，并将摩擦预测值添加在电机指令力矩中进行预补偿；摩擦模型选用Stribeck、LuGre、广义Maxwell模型静态或动态非线性摩擦模型。4.根据权利要求1所述的滚珠丝杠驱动系统外部扰动力自监测方法，其特征在于：步骤2）所述的工作台运动状态包括位移、速度或加速度，这三种运动状态理论上均能用来估计外部扰动力，但是加速度对外部扰动力有着最直接和最灵敏的响应，因此在监测条...

【专利技术属性】
技术研发人员：李迎光，刘长青，刘旭，程英豪，李克，郝小忠，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：