專(zhuān)利名稱：提高直接驅(qū)動(dòng)xy平臺(tái)輪廓加工精度方法
提高直接驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)輪廓加工精度方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于數(shù)控加工技術(shù)和控制領(lǐng)域，特別涉及一種用實(shí)時(shí)輪廓誤差補(bǔ)償法和IP 控制相結(jié)合來(lái)提高輪廓加工精度的控制方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)今世界各國(guó)裝備制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù)提高制造能力和水平。大力發(fā)展以數(shù) 控技術(shù)為核心的先進(jìn)制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達(dá)國(guó)家加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高綜合國(guó)力和國(guó)家 地位的重要途徑之一。同時(shí)，用高效率加工方法已經(jīng)成為當(dāng)今制造業(yè)的迫切要求，在刀具等 技術(shù)的配合下，出現(xiàn)了高速高精度加工的切削機(jī)床，主要是各類(lèi)加工中心和各種數(shù)控機(jī)床。 當(dāng)今所謂高速高精度加工機(jī)床，不僅要有很高的主軸切削速度，而且要有很高的進(jìn)給速度 和加速度，同時(shí)應(yīng)當(dāng)具有亞微米級(jí)以致更高的加工精度。而X-Y數(shù)控平臺(tái)系統(tǒng)的精密輪廓 跟蹤控制在數(shù)控機(jī)床中具有代表性，對(duì)提高數(shù)控系統(tǒng)加工精度和性能具有重要的作用。
在X-Y平臺(tái)伺服系統(tǒng)中，相對(duì)于傳統(tǒng)的間接驅(qū)動(dòng)方式，直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方式具 有明顯的優(yōu)勢(shì)。然而，此時(shí)伺服系統(tǒng)對(duì)負(fù)載擾動(dòng)、端部效應(yīng)和摩擦力擾動(dòng)等不確定性更為敏 感，增加了電氣控制上的難度，使其伺服性能降低。隨著對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的精度和速度的要求越 來(lái)越高，對(duì)伺服控制器也提出了更高的要求。提高加工速度可以縮短加工時(shí)間，提高加工效 率，然而在X-Y平臺(tái)實(shí)現(xiàn)高速加工時(shí)，若跟蹤軌跡有較劇烈的變化或者輪廓軌跡上存在較 大彎曲，導(dǎo)致輪廓跟蹤誤差增大，嚴(yán)重影響輪廓加工精度。因此，為了在加工精度和加工速 度之間取得平衡，解決X-Y平臺(tái)高速度和高精度之間的矛盾，探尋實(shí)現(xiàn)X-Y數(shù)控平臺(tái)的高速 度、高精度控制策略尤為重要。隨著高精度復(fù)雜型面零件加工的不斷增多，輪廓精度已成 為數(shù)控系統(tǒng)的重要精度指標(biāo)之一。數(shù)控系統(tǒng)的輪廓加工軌跡是多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的合成結(jié)果， 因此，輪廓精度的提高涉及到機(jī)床各進(jìn)給軸的動(dòng)態(tài)特性和參數(shù)匹配。對(duì)于高速加工和精密 加工，機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)各軸間的動(dòng)態(tài)特性不同、控制系統(tǒng)參數(shù)不匹配是輪廓跟蹤誤差的主要 來(lái)源，因此，對(duì)各軸間的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析是降低輪廓誤差的首要問(wèn)題。外部擾動(dòng)是產(chǎn)生輪 廓跟蹤誤差的另一重要因素。在X-Y平臺(tái)控制系統(tǒng)中，加工部件質(zhì)量的變化較大，對(duì)系統(tǒng)性 能影響也較大，所以系統(tǒng)參數(shù)攝動(dòng)也是產(chǎn)生輪廓誤差的重要因素。
隨著高精度復(fù)雜型面零件加工的不斷增加，輪廓精度已成為數(shù)控機(jī)床(CNC)系統(tǒng) 的重要精度指標(biāo)。CNC系統(tǒng)的輪廓加工軌跡是多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的合成結(jié)果，因此輪廓精度的提 高涉及到機(jī)床進(jìn)給軸動(dòng)態(tài)特性和參數(shù)匹配目前在這方面進(jìn)行的研究歸納起來(lái)可分為兩大 類(lèi)，一類(lèi)是從改善機(jī)床各進(jìn)給軸的位置控制環(huán)的性能出發(fā)，通過(guò)各種先進(jìn)的控制與補(bǔ)償技 術(shù)提高伺服軸的動(dòng)態(tài)性能從而達(dá)到改善系統(tǒng)輪廓精度的目的；另一類(lèi)是直接從改善機(jī)床輪 廓誤差出發(fā)，采用耦合輪廓補(bǔ)償?shù)霓k法，在不改變各軸位置環(huán)的情況下，通過(guò)向各軸提供 附加輪廓信息補(bǔ)償?shù)霓k法，對(duì)兩軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)進(jìn)行協(xié)調(diào)，達(dá)到減小系統(tǒng)的輪廓誤差的目的。 對(duì)于輪廓加工系統(tǒng)，輪廓精度較單軸位置精度而言更直接影響工件的加工精度，采用輪廓 誤差補(bǔ)償技術(shù)則是提高系統(tǒng)輪廓加工精度的有效途徑。
在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，存在許多不確定性的非線性因素的影響，在單軸上，采用經(jīng)典的PID伺服控制算法很難保證所要求的設(shè)計(jì)精度。為消除這些不良影響，設(shè)計(jì)和制造更精 密的機(jī)械零件將使系統(tǒng)造價(jià)昂貴；然而采用廉價(jià)計(jì)算技術(shù)，適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償策略將使得應(yīng)用相 對(duì)廉價(jià)的機(jī)械零件成為可能。為了消除不確定性的影響，采用了有效的控制方案。對(duì)于一 般精度而言，像PID這樣的經(jīng)典線性控制策略能夠很好的滿足要求。在數(shù)控機(jī)床的輪廓加 工中，一般采用常規(guī)比例(P)型或者比例微分(PD)型控制器，它對(duì)各坐標(biāo)軸的參數(shù)匹配有 嚴(yán)格的限制。同時(shí)對(duì)于切削力、導(dǎo)軌非線性摩擦力、系統(tǒng)模型振動(dòng)的影響，都可能?chē)?yán)重地降 低了整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的控制性能。但是對(duì)于需要高精度控制的情形，由于不光滑非線性的影 響，經(jīng)典的控制策略可能不再適用。對(duì)于輪廓加工系統(tǒng)，交叉耦合輪廓控制對(duì)各軸的誤差進(jìn) 行補(bǔ)償控制，這種控制的主要優(yōu)點(diǎn)在于不存在耦合問(wèn)題，缺點(diǎn)是在不同的輪廓運(yùn)動(dòng)中不易 確定調(diào)節(jié)器的參數(shù)。交叉耦合近似輪廓誤差控制近似計(jì)算輪廓誤差，根據(jù)誤差值和控制器 的調(diào)節(jié)得到控制量，分配給各軸。這種控制方法的主要缺點(diǎn)在于其是一個(gè)有交叉耦合、非線 性、時(shí)變的系統(tǒng)，控制起來(lái)難度較大。發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的在于提供一種用實(shí)時(shí)輪廓誤差補(bǔ)償法和IP控制來(lái)提高 直接驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)輪廓加工精度的方法。
技術(shù)方案本發(fā)明的技術(shù)方案為提高直接驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)輪廓加工精度方法，其特征在于所述方法包括通過(guò)實(shí)時(shí)輪廓誤 差估值器實(shí)時(shí)計(jì)算系統(tǒng)某一時(shí)刻的輪廓誤差，以及各單軸控制器采用IP控制和速度前饋 控制相結(jié)合，具體包括以下以下步驟直接驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)的給定輸入信號(hào)為位置參考指令，XY平臺(tái)各單軸的速度、位置輸出信 號(hào)以及位置跟蹤誤差經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)輪廓誤差估計(jì)器后，得到精確地輪廓誤差，然后將這個(gè)輪廓 誤差送入實(shí)時(shí)輪廓誤差補(bǔ)償器，通過(guò)將輪廓誤差分解為位置分量，來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。使輪廓誤差 減小趨近于零；實(shí)時(shí)位置誤差補(bǔ)償在XY軸的位移分量為
權(quán)利要求
1.提高直接驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)輪廓加工精度方法，其特征在于所述方法包括通過(guò)實(shí)時(shí)輪廓 誤差估值器實(shí)時(shí)計(jì)算系統(tǒng)某一時(shí)刻的輪廓誤差，以及各單軸控制器采用IP控制和速度前 饋控制相結(jié)合，具體包括以下步驟直接驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)的給定輸入信號(hào)為位置參考指令，XY平臺(tái)各單軸的速度、位置輸出信 號(hào)以及位置跟蹤誤差經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)輪廓誤差估計(jì)器后，得到精確地輪廓誤差，然后將這個(gè)輪廓 誤差送入實(shí)時(shí)輪廓誤差補(bǔ)償器，通過(guò)將輪廓誤差分解為位置分量，來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，使輪廓誤差 減小趨近于零；實(shí)時(shí)位置誤差補(bǔ)償在XY軸的位移分量為其中
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述提高直接驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)輪廓加工精度方法，其特征在于被控對(duì) 象由直接驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)、速度環(huán)和電流環(huán)三部分組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述提高直接驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)輪廓加工精度方法，其特征在于當(dāng)直接 驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)輪廓加工軌跡為非線性時(shí)，建立其實(shí)時(shí)輪廓誤差軌跡數(shù)學(xué)模型為
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述提高直接驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)輪廓加工精度方法，其特征在于所述方 法最終由嵌入控制電路DSP處理器中的控制程序?qū)崿F(xiàn)，其控制過(guò)程按以下步驟執(zhí)行步驟一、系統(tǒng)初始化； 步驟二、電機(jī)轉(zhuǎn)子初始化；步驟三、允許INT1，INT2中斷； 步驟四、啟動(dòng)Tl下溢中斷； 步驟五、中斷等待； 步驟六、Tl中斷處理； 步驟七、保護(hù)中斷處理； 步驟八、結(jié)束。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述提高直接驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)輪廓加工精度方法，其特征在于步驟七 中保護(hù)中斷處理過(guò)程按以下步驟執(zhí)行步驟1 禁止所有中斷； 步驟2 封鎖IPM ； 步驟3 中斷返回。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述提高直接驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)輪廓加工精度方法，其特征在于步驟六 中Tl中斷處理過(guò)程按以下步驟執(zhí)行步驟1保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)；步驟2 XY軸位置采樣，并與各軸給定值比較后獲得各軸位置偏差； 步驟3判斷系統(tǒng)是否存在輪廓誤差，是進(jìn)入步驟4，否則進(jìn)入步驟7 ； 步驟4調(diào)用實(shí)時(shí)輪廓誤差估計(jì)程序進(jìn)行輪廓誤差估計(jì)； 步驟5判斷是否進(jìn)行輪廓誤差補(bǔ)償，是進(jìn)入步驟6，否則進(jìn)入步驟7 ； 步驟6調(diào)用實(shí)時(shí)位置誤差補(bǔ)償程序進(jìn)行位置誤差補(bǔ)償； 步驟7分別調(diào)用XY軸位置PD調(diào)節(jié)；步驟8轉(zhuǎn)速采樣，XY軸位置PD調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)比較后分別獲得各軸轉(zhuǎn)速 偏差；步驟8 XY軸速度IP調(diào)節(jié)；步驟9 XY軸電流采樣；步驟10分別對(duì)電流值進(jìn)行3S/2R變換；步驟11利用q軸計(jì)算轉(zhuǎn)矩；步驟12求出轉(zhuǎn)矩偏差作為電流調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)；步驟13電流調(diào)節(jié)器進(jìn)行電流調(diào)節(jié)；步驟14對(duì)控制器輸出電流值進(jìn)行2R/3S變換；步驟15用變換得到的電流值作為載波與三角載波調(diào)制獲得PWM信號(hào)；步驟16恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)；步驟17中斷返回。
全文摘要
提高直接驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)輪廓加工精度方法，具體包括直接驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)的給定輸入信號(hào)為位置參考指令，XY平臺(tái)各單軸的速度、位置輸出信號(hào)以及位置跟蹤誤差經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)輪廓誤差估計(jì)器后，得到精確地輪廓誤差，然后送入實(shí)時(shí)輪廓誤差補(bǔ)償器，使輪廓誤差減小趨近于零；在單軸上，將XY軸的位置誤差送入IP控制器，將得到的控制量與實(shí)時(shí)輪廓誤差補(bǔ)償器輸出量疊加為一個(gè)新的控制信號(hào)送入被控對(duì)象；被控對(duì)象的輸出為實(shí)際輸出的速度信號(hào)，經(jīng)過(guò)積分器后，所得的信號(hào)即為實(shí)際的位置信號(hào)。本發(fā)明的目的在于提供一種用實(shí)時(shí)輪廓誤差補(bǔ)償法和IP控制來(lái)提高直接驅(qū)動(dòng)XY平臺(tái)輪廓加工精度的方法。
文檔編號(hào)G05B19/19GK102033508SQ20101056671
公開(kāi)日2011年4月27日 申請(qǐng)日期2010年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月1日
發(fā)明者劉春芳, 孫宜標(biāo), 李兵, 王麗梅, 趙希梅 申請(qǐng)人:沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)