一种基于指令输入的数控系统前馈控制方法技术方案

一种基于指令输入的数控系统前馈控制方法，包括：获取指定前馈量在时域上的偏移周期t；通过第一预设规则判断当前运动状态的摩擦状态；根据当前运动状态的摩擦状态建立对应的前馈控制模型；对不同模型在临界处的前馈量，进行光滑过度；根据偏移周期t将前馈量提前或滞后，并实时输出给驱动。本发明专利技术不会大幅度提升数控系统复杂性，不受系统滞后的影响而快速响应，且对复杂变速运动也适用。本发明专利技术是完全开环控制，不借助其他昂贵的设备，通过实际加工采样的方式方便系统进行调试和优化，因此本发明专利技术属于应用范围广、低成本、调试简单的方案。调试简单的方案。调试简单的方案。

【技术实现步骤摘要】
一种基于指令输入的数控系统前馈控制方法


[0001]本专利技术涉及的是数控系统领域,特别涉及一种基于指令输入的数控系统前馈控制方法。

技术介绍

[0002]目前，数控技术向着高速高精轨迹控制发展，当系统受到外界干扰或结构受到激励需要调节时间，则会表现为响应速度缓慢、系统滞后、超调等，产生跟踪误差严重影响复杂曲面加工精度。各数控系统厂家、伺服驱动厂家对如何降低该误差，提高零件加工精度进行了深入研究；但对于采用传统PID控制的半闭环数控系统来说，单轴稳态跟踪误差与速度成正比，速度越大稳态跟踪误差也越大，高速和高精貌似是一对不可调和的矛盾。虽然可以通过调试伺服如参数自整定功能，增大位置比例增益来减少跟随误差，但是位置比例增益不能无限增大，过大的位置比例增益会引起系统响应超调和机床的剧烈震动；且对于复杂的变速运动，其加速度或加加速度过大，不能盲目的追求调整伺服参数，应究其本质探寻解决方法，如在数控系统端进行合理的速度规划等。另外高校学者们也进行了理论研究和仿真验证，如针对衍生车床直线伺服电机采用的自适应前馈与反馈控制相结合的复合控制架构；或基于神经网络和模糊系统的PID控制器参数整定；或基于迭代自学习的交叉耦合运动控制算法等。上述方法虽可以降低跟踪误差，但反馈控制要修正的也是滞后的偏差，基于负载扰动的前馈要求扰动信号是可以测量的，且观测器的跟踪性能要求较高，增加了系统的复杂性等。因此，目前尚还没有一种在数控系统端能不受系统滞后的影响而快速响应，且对复杂变速运动也适用以减小跟踪误差的方法。

技术实现思路

[0003]鉴于上述问题，提出了本专利技术以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种基于指令输入的数控系统前馈控制方法。
[0004]为了解决上述技术问题，本申请实施例公开了如下技术方案：
[0005]一种基于指令输入的数控系统前馈控制方法，包括：
[0006]S100.获取指定前馈量在时域上的偏移周期t；
[0007]S200.通过第一预设规则判断当前运动状态的摩擦状态；
[0008]S300.根据当前运动状态的摩擦状态建立对应的前馈控制模型；
[0009]S400.对不同模型在临界处的前馈量，进行光滑过度；
[0010]S500.根据偏移周期t将前馈量提前或滞后，并实时输出给驱动。
[0011]进一步地，S200中，通过第一预设规则判断当前运动状态的摩擦状态，具体方法为：将当前运动速度与最小临界速度进行比较，当当前运动速度小于最小临界速度时为静摩擦状态，当当前运动速度大于最小临界速度时为动摩擦状态。
[0012]进一步地，最小临界速度确定的方法包括：在不进行任何补偿条件下，速度由0升至1000mm/min，采样并观察跟随误差在5um以内的最大指令速度作为最小临界速度。
[0013]进一步地，最小临界速度确定的方法还包括：在不进行任何补偿条件下，速度由0升至如1000mm/min，采样并观察t周期的实际速度开始变化或实际位置开始变化或跟踪误差开始变化，取该周期t对应的实际速度作为最小临界速度。
[0014]进一步地，S300中，当当前运动状态的摩擦状态为动摩擦状态时，动摩擦前馈控制模型的建立方法为：
[0015]根据系统当前指令速度计算电机转速S1：
[0016]S1＝V/P
ꢀꢀꢀ
式(1)
[0017]计算速度前馈控制的电机转速S2：
[0018]S2＝K
b
*V
ꢀꢀꢀ
式(2)
[0019]式中：V为系统当前插补周期的指令速度，单位mm/插补周期；P为丝杠导程，单位mm/r；
[0020]当S2＝S1时，对输入速度信号进行误差全补偿，跟踪误差趋近于0，联立上式(1)和(2)可得：
[0021]K
b
＝1/P
ꢀꢀꢀ
式(3)
[0022]再计算每个插补周期的速度前馈控制量F：
[0023]F＝K
b
*V*K
v
/100
ꢀꢀꢀ
式(4)
[0024]式中，K
v
为应用时是否进行全补偿而设置的速度前馈调试参数。
[0025]进一步地，S300中，当当前运动状态的摩擦状态为静摩擦状态时，动摩擦前馈控制模型的建立方法为：首先对当前数控系统的轴类型进行确定，当轴类型为直线轴或旋转轴时，先计算系统内部的基准控制系数K
b1
：
[0026]K
b1
＝J
m
/K
t
ꢀꢀꢀ
式(5)
[0027]再计算每个插补周期的电流前馈控制量F：
[0028]F＝K
b1
*a*K
a1
/100
ꢀꢀꢀ
式(6)
[0029]其中，J
m
为电机转动惯量，单位kg*m2；K
t
为电机转矩常数，单位Nm/A；a为直线轴加速度，单位rad/s2；m为联合转台或摆头的质量，单位kg；g为重力加速度，单位N/kg；L为联合转台或摆头的重力臂，单位m。
[0030]进一步地，S300中，当当前运动状态的摩擦状态为静摩擦状态时，动摩擦前馈控制模型的建立方法为：首先对当前数控系统的轴类型进行确定，当轴类型为摆动轴时，先计算系统内部的基准控制系数K
b1
和K
b2
：
[0031]K
b1
＝J
m
/K
t
ꢀꢀꢀ
式(7)
[0032]K
b2
＝m*g*L/K
t
ꢀꢀꢀ
式(8)
[0033]再计算每个插补周期的电流前馈控制量E
I
：
[0034][0035]其中，J
m
为电机转动惯量，单位kg*m2；K
t
为电机转矩常数，单位Nm/A；a为直线轴加速度，单位rad/s2；m为联合转台或摆头的质量，单位kg；g为重力加速度，单位N/kg；L为联合转台或摆头的重力臂，单位m；θ为摆动轴的指令角位置，单位rad；为摆动轴的指令角加速度，单位rad/s2；K
a1
和K
a2
为应用时是否进行全补偿而设置的电流前馈调试参数。
[0036]进一步地，S400中，对不同模型在临界处的前馈量，进行光滑过度的方法为：获取
速度前馈量曲线在最小临界速度处的值P2和切线矢量，并在静摩擦补偿曲线上取一个可知其值P0和切线矢量的点，计算两切线矢量的交点P1；基摩擦于二阶Bezier，在线矢量上取一点P3从起点P0移动到控制点P1，找出所有满足P0P3/P0P1＝P1P4/P1P2＝P3P5/P3P4的P3、P4、P5点，其中P5点就是过渡曲线要绘制的位置，将P0、P5和P2连起来，得到一条光滑的曲线，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于指令输入的数控系统前馈控制方法，其特征在于，包括：S100.获取指定前馈量在时域上的偏移周期t；S200.通过第一预设规则判断当前运动状态的摩擦状态；S300.根据当前运动状态的摩擦状态建立对应的前馈控制模型；S400.对不同模型在临界处的前馈量，进行光滑过度；S500.根据偏移周期t将前馈量提前或滞后，并实时输出给驱动。2.如权利要求1所述的一种基于指令输入的数控系统前馈控制方法，其特征在于，S200中，通过第一预设规则判断当前运动状态的摩擦状态，具体方法为：将当前运动速度与最小临界速度进行比较，当当前运动速度小于最小临界速度时为静摩擦状态，当当前运动速度大于最小临界速度时为动摩擦状态。3.如权利要求1所述的一种基于指令输入的数控系统前馈控制方法，其特征在于，最小临界速度确定的方法包括：在不进行任何补偿条件下，速度由0升至1000mm/min，采样并观察跟随误差在5um以内的最大指令速度作为最小临界速度。4.如权利要求1所述的一种基于指令输入的数控系统前馈控制方法，其特征在于，最小临界速度确定的方法还包括：在不进行任何补偿条件下，速度由0升至如1000mm/min，采样并观察t周期的实际速度开始变化或实际位置开始变化或跟踪误差开始变化，取该周期t对应的实际速度作为最小临界速度。5.如权利要求1所述的一种基于指令输入的数控系统前馈控制方法，其特征在于，S300中，当当前运动状态的摩擦状态为动摩擦状态时，动摩擦前馈控制模型的建立方法为：根据系统当前指令速度计算电机转速S1：S1＝V/P
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式(1)计算速度前馈控制的电机转速S2：S2＝K
b
*V
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式(2)式中：V为系统当前插补周期的指令速度，单位mm/插补周期；P为丝杠导程，单位mm/r；当S2＝S1时，对输入速度信号进行误差全补偿，跟踪误差趋近于0，联立上式(1)和(2)可得：K
b
＝1/P
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式(3)再计算每个插补周期的速度前馈控制量F：F＝K
b
*V*K
v
/100
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式(4)式中，K
v
为应用时是否进行全补偿而设置的速度前馈调试参数。6.如权利要求1所述的一种基于指令输入的数控系统前馈控制方法，其特征在于，S300中，当当前运动状态的摩擦状态为静摩擦状态时，动摩擦前馈控制模型的建立方法为：首先对当前数控系统的轴类型进行确定，当轴类型为直线轴或旋转轴时，先计算系统内部的基准控制系数K
b1
：K
b1
＝J
m
/K
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式(5)再计算每个插补周期的电流前馈控制量F：F＝K
b1
*a*K
a1

【专利技术属性】
技术研发人员：王旭，贾聪聪，叶琦，
申请(专利权)人：武汉华中数控股份有限公司，
类型：发明
国别省市：