【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及智能刀具加工领域，具体是用于智能刀具位移补偿的高速实时信号采集及控制系统。
技术介绍
1、在精密加工领域，智能刀具在提升制造效率、精度和可靠性方面发挥着日益关键的作用。智能刀具集成了传感器、执行器和控制算法，能够实时监测并调整加工过程。这些刀具可以自动检测和补偿因刀具磨损、温度变化、机械振动及其他干扰引起的偏差，从而提高加工质量并减少停机时间。
2、在智能刀具系统中，由于刀具磨损等原因，一个主要的挑战是对加工操作中刀具位移的精确实时补偿。如果位移误差未能及时修正，可能导致最终产品的缺陷、刀具寿命的降低以及生产成本的增加。传统的位移补偿方法通常采用前馈反馈控制的固定算法，但通常缺乏对加工环境动态变化的适应性，如意外扰动或工况变化。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供用于智能刀具位移补偿的高速实时信号采集及控制系统，包括开发板、io模块、信号调理器、驱动放大器；
2、所述信号调理器采集智能刀具的实时位移信号数据，并通过io模块传输至开发板；
3、所述开发板集成有arm和高性能计算单元；
4、开发板的arm端和高性能计算单元通过ipc协议进行数据传输；
5、所述开发板的arm端接收io模块的实时位移信号数据；
6、所述高性能计算单元对实时位移信号数据进行处理，生成控制信号，并传回至arm端；
7、所述arm端通过io模块将控制信号传输至驱动放大器；
8、所述驱动放大器对控制
9、所述高性能计算单元集成有前馈控制器、反馈控制器以及等效扰动观测器w(t)＝wff(t)+wfb(t)+wdc(t)；
10、所述前馈控制器对给定的参考轨迹位移补偿输入信号r(t)进行分析，计算前馈控制量wff(t)；
11、所述反馈控制器基于期望输出与实际输出的实时误差e(t)生成反馈控制量wfb(t)，对动态误差进行修正；
12、所述等效扰动观测器计算扰动观测量wdc(t)，并对控制信号进行动态补偿。
13、进一步，前馈控制量wff(t)如下所示：
14、
15、式中，b1、b2为常量，r(t)为参考轨迹位移补偿输入信号。
16、进一步，反馈控制量wfb(t)如下所示：
17、wfb(t)＝kie1(t)+kpe2(t)+kde3(t)(2)
18、式中，ki、kp、kd为pid参数；e1(t)＝e(t)、e(t)为实时误差。
19、进一步，等效扰动观测器根据扩展状态空间方程构建得到；
20、扩展状态空间方程如下所示：
21、
22、式中，x1和x2为状态变量，b1、b2为常量，q(t)为整体等效扰动，y为系统的输出；
23、等效扰动观测器如下所示：
24、
25、式中，z1、z2、z3是状态x1、x2、x3的估计，β1、β2、β3是设计的状态观测器增益，为状态观测器输出。
26、进一步，整体等效扰动q(t)由状态观测器中的z3观测得到。
27、进一步，补偿控制器进行扰动补偿控制的扰动观测量wdc(t)如下所示：
28、
29、式中，b2为常量；z3是状态x3的估计。
30、进一步，所述开发板通过ethercat协议与多个io模块进行高速通信，通信速率为100mbps-1gbps。
31、进一步，开发板的arm端运行linux系统，高性能计算单元运行实时操作系统。
32、进一步，开发板在linux环境下开发。
33、进一步，开发时，利用实时补丁对linux系统进行改造，使开发板以微秒级支持ethercat协议；所述实时补丁包括但不限于rt-preempt、xenomai。
34、本专利技术的技术效果是毋庸置疑的，本专利技术的有益效果如下：
35、1)通过在开发板的高性能计算单元中嵌入先进的位移补偿算法，并利用ethercat和ipc协议进行快速数据通信，该系统实现了精确、低延迟的补偿，显著提升了智能刀具在高速加工应用中的性能和效率。
36、2)响应时间显著缩短：传统分散控制系统在数据传输和处理过程中往往存在较大的延迟，导致系统整体响应时间较长。本专利技术通过引入ethercat高速通讯协议，实现了微秒级的数据传输和处理，使系统响应时间大幅缩短。这种提升特别体现在高频数据采集和实时控制任务中，确保系统能够快速响应外部变化，极大提高了控制过程的实时性和效率。
37、3)同步性提升：通过采用ethercat协议，在整个系统运行过程中，能够确保多个io模块和开发板之间的数据交换以极高的同步精度进行。通过实时调度和精准的数据传输，系统内各个硬件装置可以保持微秒级同步，减少了因硬件之间的不同步导致的信号延迟和误差，进而提高了加工的一致性和产品质量。
38、4)实时数据处理与协调：本系统在数据处理和控制决策中具有卓越的实时性能。整套系统支持数据在传输时直接在设备节点中处理，使数据传输和计算几乎同步完成。这样，在需要高频数据采集和复杂计算的情况下，系统能够在极短时间内完成输入信号的采集、分析、处理和反馈，大大提高了实时控制能力和系统响应速度。
39、5)控制精度显著提升：本专利技术集成了用于实现高速控制算法的高性能计算单元，并结合团队自主研发的压电补偿微位移控制算法，实现了对复杂工况下刀具磨损的精确控制。实验表明，该系统在复杂环境下的定位误差显著降低。例如，在纳米级运动控制中，本系统通过实时补偿外部扰动和系统非线性因素，使定位精度提升超过30％，相比传统系统更能满足高精度加工和精密装配需求。
40、6)系统稳定性增强：本专利技术采用多层次控制架构和冗余设计，有效提升了系统在复杂工况下的稳定性。通过对外部扰动和内部误差的实时补偿，系统在长时间运行中能够保持稳定性能，显著降低了因外部因素引起的停机或故障风险，提高了设备运行的可靠性。
41、本专利技术将高速数据通信与先进的三自由度控制算法相结合，显著提升了智能刀具在复杂加工条件下的稳定性和精确性，减少了加工误差，延长了刀具使用寿命，并降低了生产成本，为工业应用中的高精度加工提供了创新且高效的解决方案
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1.用于智能刀具位移补偿的高速实时信号采集及控制系统，其特征在于：包括开发板、IO模块、信号调理器、驱动放大器。
2.根据权利要求1所述的用于智能刀具位移补偿的高速实时信号采集及控制系统，其特征在于，前馈控制量wFF(t)即计算模型的逆如下所示：
3.根据权利要求1所述的用于智能刀具位移补偿的高速实时信号采集及控制系统，其特征在于，反馈控制量wFB(t)如下所示：
4.根据权利要求1所述的用于智能刀具位移补偿的高速实时信号采集及控制系统，其特征在于，等效扰动观测器根据扩展状态空间方程构建得到；
5.根据权利要求1所述的用于智能刀具位移补偿的高速实时信号采集及控制系统，其特征在于，整体等效扰动q(t)由状态观测器中的z3观测得到。
6.根据权利要求5所述的用于智能刀具位移补偿的高速实时信号采集及控制系统，其特征在于，补偿控制器进行扰动补偿控制的扰动观测量wDC(t)如下所示：
7.根据权利要求1所述的用于智能刀具位移补偿的高速实时信号采集及控制系统，其特征在于：所述开发板通过EtherCAT协议与多个IO模块进
8.根据权利要求1所述的用于智能刀具位移补偿的高速实时信号采集及控制系统，其特征在于：开发板的ARM端运行Linux系统，高性能计算单元运行实时操作系统。
9.根据权利要求1所述的用于智能刀具位移补偿的高速实时信号采集及控制系统，其特征在于：开发板在Linux环境下开发。
10.根据权利要求9所述的用于智能刀具位移补偿的高速实时信号采集及控制系统，其特征在于：开发时，利用实时补丁对Linux系统进行改造，使开发板以微秒级支持EtherCAT协议；所述实时补丁包括但不限于RT-Preempt、Xenomai。
...【技术特征摘要】
1.用于智能刀具位移补偿的高速实时信号采集及控制系统，其特征在于：包括开发板、io模块、信号调理器、驱动放大器。
2.根据权利要求1所述的用于智能刀具位移补偿的高速实时信号采集及控制系统，其特征在于，前馈控制量wff(t)即计算模型的逆如下所示：
3.根据权利要求1所述的用于智能刀具位移补偿的高速实时信号采集及控制系统，其特征在于，反馈控制量wfb(t)如下所示：
4.根据权利要求1所述的用于智能刀具位移补偿的高速实时信号采集及控制系统，其特征在于，等效扰动观测器根据扩展状态空间方程构建得到；
5.根据权利要求1所述的用于智能刀具位移补偿的高速实时信号采集及控制系统，其特征在于，整体等效扰动q(t)由状态观测器中的z3观测得到。
6.根据权利要求5所述的用于智能刀具位移补偿的高速实时信号采集及控制系统，其特征在于，补偿控制器进行...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄涛，林志成，王迎斌，何涛，曹华军，陶桂宝，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：
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