一種基于gmdh數(shù)據(jù)挖掘算法的機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)前饋控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及數(shù)控機(jī)床技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于機(jī)床各加工數(shù)據(jù)利用數(shù)據(jù)挖掘辨 識(shí)方法，具體地說是一種針對(duì)機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的命令前饋和補(bǔ)償前饋控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 提高機(jī)床的加工精度就是減少數(shù)控機(jī)床的誤差。誤差可分為兩大類，靜態(tài)誤差和 動(dòng)態(tài)誤差。其中動(dòng)態(tài)誤差通常是指由伺服控制系統(tǒng)的超調(diào)及延時(shí)引起的軌跡誤差，即跟隨 誤差。影響伺服系統(tǒng)性能的主要因素有負(fù)載擾動(dòng)、摩擦力擾動(dòng)、系統(tǒng)的參數(shù)變化等等。
[0003] 摩擦力的非線性導(dǎo)致伺服進(jìn)給系統(tǒng)在啟動(dòng)、停止W及反向時(shí)跟蹤誤差較大。數(shù)控 機(jī)床加工過程中，負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變，也會(huì)引起跟蹤誤差變大。前饋補(bǔ)償可W在不影響系統(tǒng)穩(wěn)定 性的條件下抵除系統(tǒng)的部分極點(diǎn)，增加系統(tǒng)帶寬，并且還可W利用預(yù)知的路徑信息提前補(bǔ) 償軸的滯后，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)跟蹤性能。但是，當(dāng)前饋控制器的參數(shù)和實(shí)際的模型參數(shù)不匹 配時(shí)，補(bǔ)償?shù)男Ч麜?huì)惡化原有的跟蹤性能。因此，準(zhǔn)確的知道數(shù)控伺服摩擦力矩、負(fù)載轉(zhuǎn)矩 和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等是成功應(yīng)用前饋補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵。
[0004] GMDH(Group Method of Data Handling)算法是一種對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)自組織建模的方 法。該種方法集合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法和回歸分析的相應(yīng)優(yōu)點(diǎn)，能在給定系統(tǒng)輸入和模型選 擇準(zhǔn)則（外準(zhǔn)則）后自動(dòng)進(jìn)行模型的篩選，并且能充分考慮變量之間的相互影響。任何一 個(gè)可能影響研究系統(tǒng)的變量（包括變量之間的組合）都可W當(dāng)作潛在的輸入變量。
[0005] 本發(fā)明的動(dòng)機(jī)為根據(jù)機(jī)床加工的各種狀態(tài)數(shù)據(jù)，將GMDH方法用于進(jìn)給系統(tǒng)摩擦 力矩和負(fù)載力矩的預(yù)測(cè)。并將預(yù)測(cè)值用于補(bǔ)償前饋中，W提高伺服進(jìn)給系統(tǒng)的跟蹤精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是針對(duì)數(shù)控機(jī)床加工過程中，要求伺服進(jìn)給系統(tǒng)高速高精度的問 題。提出一種基于GMDH數(shù)據(jù)挖掘算法的機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)前饋控制方法。它將GMDH算法用于 伺服進(jìn)給系統(tǒng)摩擦力矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的建模及補(bǔ)償前饋控制中。并采用觀測(cè)器估計(jì)了系統(tǒng)的 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，用于命令前饋中。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0008] -種基于GMDH數(shù)據(jù)挖掘算法的機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)前饋控制方法，其特征是首先利用 GMDH算法建立機(jī)床的摩擦力矩模型和負(fù)載力矩模型；其次，利用觀測(cè)器方法獲得進(jìn)給系統(tǒng) 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；第=，將所得的摩擦力矩模型和負(fù)載力矩模型均除W電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)后前饋 補(bǔ)償?shù)诫娏鳝h(huán)的輸入端，同時(shí)將指令信號(hào)的速度直接施加于速度環(huán)的輸入處完成速度前饋 的輸入，將指令信號(hào)的加速度乘W-系數(shù)作用于電流環(huán)的輸入處完成加速度前饋的輸入， 所述的系數(shù)等于進(jìn)給系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/電機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)。
[0009] 利用觀測(cè)器辨識(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的目的是為了準(zhǔn)確的進(jìn)行加速度前饋，提高系統(tǒng)的跟蹤 控制能力。加速度乘W相應(yīng)的系數(shù)（機(jī)械系統(tǒng)慣量J/電機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)Kt)作用于電流環(huán)的 輸入處。
[0010] 所述的摩擦力矩模型建立步驟包括：
[0011] (1)采集并存儲(chǔ)機(jī)床加工時(shí)各種狀態(tài)數(shù)據(jù)，所述的狀態(tài)數(shù)據(jù)包括主軸數(shù)據(jù)、進(jìn)給軸 數(shù)據(jù)、軸坐標(biāo)、加工數(shù)據(jù)和報(bào)警數(shù)據(jù)；
[001引 似從采集的狀態(tài)數(shù)據(jù)中，辨識(shí)進(jìn)給系統(tǒng)空載且恒速的狀態(tài)，提取相關(guān)數(shù)據(jù)，W及 進(jìn)給系統(tǒng)靜止不動(dòng)時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)；
[0013] (3)根據(jù)步驟（2)所得的相關(guān)數(shù)據(jù)，獲得進(jìn)給系統(tǒng)空載時(shí)的各摩擦力矩；
[0014] (4)由步驟3)獲得的摩擦力矩，采用GMDH算法建立摩擦力矩與機(jī)床各狀態(tài)量的數(shù) 學(xué)模型，從而得到摩擦力矩模型。
[0015] 所述的進(jìn)給系統(tǒng)空載時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程為J^=r-7>，其中J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣 量，《為電機(jī)的角速度，T為電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，在采用id= 0矢量控制時(shí)，T = KiiqiKi為電 機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)，i。為進(jìn)給系統(tǒng)恒速或靜止時(shí)測(cè)得的電機(jī)電流，Tf為摩擦力矩；根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩 平衡方程即可得到不同速度所對(duì)應(yīng)的摩擦力矩Tf。
[0016] 所述的根據(jù)所得摩擦力矩采用GMDH建立的空載時(shí)機(jī)床正向進(jìn)給和反向進(jìn)給時(shí)摩 擦力矩的數(shù)學(xué)模型為：
[0019] 其中，+和分別是正向和反向進(jìn)給摩擦力矩估計(jì)值，0 *是位置指令信號(hào)，0 為測(cè)得的位置信號(hào)，是速度指令信號(hào)，《為測(cè)得的電機(jī)轉(zhuǎn)速，a為計(jì)算得到的電機(jī)加速 度，T為進(jìn)給軸電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，t是機(jī)床空載運(yùn)行時(shí)間。
[0020] 所述的負(fù)載力矩模型建立時(shí)是利用機(jī)床加工時(shí)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，采用GMDH方法建立； 機(jī)床加工時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程為= -Ar, -7；，其中ATf為切削力所引起的 摩擦力矩的變化量，IY為切削力所引起的負(fù)載力矩；利用狀態(tài)觀測(cè)器得到a/,.+：4，然后利 用GMDH方法建立+式的數(shù)學(xué)模型，a/,-+片=g(妒，0，仍*，份，。，:T，}，化，V/-，〇，其中0 * 是位置指令信號(hào)，0為測(cè)得的位置信號(hào)，是速度指令信號(hào)，《為測(cè)得的電機(jī)轉(zhuǎn)速，a為 計(jì)算得到的電機(jī)加速度，T為進(jìn)給軸電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，為進(jìn)給系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的估計(jì)值，t是 機(jī)床運(yùn)行時(shí)間。V。為切削速度，Vf為進(jìn)給速度，i為主軸電流。
[0021] 本發(fā)明的有益效果：
[0022] 本發(fā)明采用命令前饋提高了伺服系統(tǒng)的快速跟蹤性，采用補(bǔ)償前饋，解決了摩擦 力矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩對(duì)伺服系統(tǒng)跟蹤精度的影響。摩擦力矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)在線預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了 自適應(yīng)補(bǔ)償前饋控制。利用機(jī)床加工過程中各種已知數(shù)據(jù)，提高了進(jìn)給系統(tǒng)跟蹤精度。
【附圖說明】
[0023] 圖1是本發(fā)明的進(jìn)給系統(tǒng)空載時(shí)基于觀測(cè)器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量估計(jì)原理圖。
[0024]圖2是本發(fā)明的基于GMDH數(shù)據(jù)挖掘算法的機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)前饋控制原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[00巧]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0026] 如圖1、2所示。
[0027] -種基于GMDH數(shù)據(jù)挖掘算法的機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)前饋控制方法，采集并存貶機(jī)床在 空載及加工過程中的各種狀態(tài)數(shù)據(jù)。根據(jù)空載恒速的狀態(tài)數(shù)據(jù)，獲得摩擦力矩，然后利用 GMDH方法，建立進(jìn)給系統(tǒng)空載時(shí)摩擦力矩與機(jī)床各狀態(tài)量的數(shù)學(xué)模型。采用觀測(cè)器的方法 獲得進(jìn)給系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量>進(jìn)行運(yùn)算（圖2)后應(yīng)用于命令前饋補(bǔ)償中。根據(jù)加工過程的狀 態(tài)數(shù)據(jù)，利用GMDH方法建立負(fù)載轉(zhuǎn)矩與機(jī)床各狀態(tài)量的數(shù)學(xué)模型。最后根據(jù)數(shù)控指令、機(jī) 床的各狀態(tài)數(shù)據(jù)及測(cè)得的電機(jī)位置、速度和電樞電流在線辨識(shí)摩擦力矩和負(fù)載力矩并用于 補(bǔ)償前饋控制中。
[002引具體步驟如下：
[002引1)采集并存儲(chǔ)機(jī)床加工時(shí)各種數(shù)據(jù)，包括主軸數(shù)據(jù)、進(jìn)給軸數(shù)據(jù)、軸坐標(biāo)、加工數(shù) 據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)等。主軸數(shù)據(jù)包括電機(jī)電樞電流、主軸轉(zhuǎn)速、主軸功率、主軸運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)等；進(jìn)給 軸數(shù)據(jù)包括電機(jī)電樞電流、進(jìn)給速度、位置及速度指令值與實(shí)測(cè)值、進(jìn)給軸起停及反向等運(yùn) 行狀態(tài)；加工數(shù)據(jù)包括數(shù)控程序號(hào)、刀具、工件材料、加工時(shí)間等；軸坐標(biāo)包括機(jī)床坐標(biāo)系 和工件坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值等等。
[0030] 2)從采集的狀態(tài)數(shù)據(jù)中，辨識(shí)進(jìn)給系統(tǒng)空載且恒速的狀態(tài)，提取相關(guān)數(shù)據(jù)，W及進(jìn) 給系統(tǒng)靜止不動(dòng)時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)。
[0031] 3)根據(jù)步驟2)中的數(shù)據(jù)，獲得進(jìn)給系統(tǒng)空載時(shí)的各摩擦力矩?？蛰d時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩 平衡方程為= ，其中J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。《電機(jī)的角速度。T為電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，在dt / 采用id= 0矢量控制時(shí)，T=K Ti。，Kt為電機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)，i。為進(jìn)給系統(tǒng)恒速或靜止時(shí)測(cè)得的 電機(jī)電流。Tf為摩擦力矩。采用步驟2)中恒速和靜止時(shí)測(cè)得的電機(jī)電流計(jì)算出不同速度 所對(duì)應(yīng)的摩擦力矩。
[0032] 4)由步驟3)獲得的摩擦力矩，采用GMDH方法，建立摩擦力矩與機(jī)床各狀態(tài)量的數(shù) 學(xué)模型。利用GMDH建立空載時(shí)摩擦力矩模型過程如下；