[发明专利]一种用于虚拟轴机床刀具运动控制的滑模控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种虚拟轴机床，尤其涉及其由电机驱动的刀具的运动控制方法。

背景技术

虚拟轴机床(也称并联机床)的数控系统的关键技术是通过对虚拟轴机床实轴的控制，实现虚拟轴的联动控制，从而得到所要求的刀具运动轨迹。然而，由于虚拟轴机床由多杆并联运动机构构成，其动力学模型是一个多自由度、多变量、高度非线性、多参数耦合的复杂系统。在机构运动及机床加工过程中，机构模型的参数及外界干扰变化很大，具有不确定性。与串联结构的普通机床相比，其传动误差的积累大大减小，但仍然存在其它影响加工精度的因素，如：机床的制造和安装误差、驱动杆上下球铰的间隙、驱动杆杆长偏差对动平台位置精度的影响、执行机构和运动副的运动误差、重力引起的弹性形变、受热引起的形变、传感器精度等等。因此目前对虚拟轴机床实现精密控制仍然是控制界公认的难题，并且成为虚拟轴机床在高精度加工领域实现产业化、实用化的最大障碍之一，严重制约了其优势发挥，成为目前亟待解决的关键问题。

提高虚拟轴机床定位和加工精度的关键技术之一，是提高对虚拟轴机床并联机构动平台所固联刀具控制的准确度，为此，人们提出了不同的控制方法，目前主要有误差补偿控制方法、智能控制方法以及基于模型的自适应控制方法等。其中，误差补偿控制方法多针对特定的虚拟轴机床，并针对特定的误差产生因素如摩擦作用、振动作用、重力作用等进行，因此，对不同类型的虚拟轴机床不具有通用性；智能控制方法通常是基于人工神经网络进行虚拟轴机床耦合作用或负载扰动的补偿或抑制，这类控制方法较为复杂，目前多仿真实现，少有实际应用；基于模型进行虚拟轴机床的自适应控制或鲁棒控制方法，不仅难以实现，而且由于其控制精度依赖于模型准确度，因此需事先建立虚拟轴机床的精确数学模型。由于虚拟轴机床并联机构的复杂性和加工时外界干扰的不确定性，精确建立其数学模型不仅非常困难，而且所建模型通常非常复杂难以实际用于控制。国内现有实验样机，多忽略虚拟轴机床各支路间的耦合作用，把每个支路当作完全独立的系统，实施传统PID控制，通常必须同时采取误差补偿措施才能满足虚拟轴机床精度要求。另外，查阅国内外在虚拟轴机床方面的专利情况可见，虚拟轴机床专利均为各种虚拟轴机床新型机构设计，迄今，未见相关文献对虚拟轴机床提出比较理想的控制方法。

变结构控制目前已发展成为一种对具有不确定性动力学系统进行控制研究的重要方法。变结构系统是一种非连续反馈控制系统，其主要特点是它在一种开关曲面上建立滑动模型，称为“滑模”，常规滑模控制律的一般形式为

u＝u_eq+ηsgn(s)(1)

式(1)中，η为正常数；s为开关曲面函数；u_eq为维持滑模运动的等效控制量；ηsgn(s)旨在控制系统不确定性和干扰等未知部分。

当常规滑模控制方法采用计算机等数控系统实现时，其采样间隔会使控制输出产生微小震颤，影响滑模控制方法的精确性。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种由电机驱动的虚拟轴机床的、具有最佳动态品质的用于虚拟轴机床刀具运动控制的滑模控制方法。

本发明采用的技术方案是采用如下步骤：

1)根据加工要求规划出虚拟轴机床加工过程刀具的空间运动轨迹，确定加工过程中虚拟轴机床各主动副的期望运动轨迹；

2)建立虚拟轴机床各控制支路被控对象的数学模型；

3)检测并确定虚拟轴机床各主动副的实际运动状态；

4)依据滑模控制理论计算开关曲面函数；

5)确定虚拟轴机床各控制支路电机驱动控制量并发送给各电机驱动器；

6)以各控制支路电机驱动控制量驱动各主动副，从而驱动虚拟轴机床刀具实现期望运动。

本发明首次将滑模控制方法应用于虚拟轴机床的刀具的运动控制，其特点和有益效果是：

1、与现有技术中基于模型的自适应控制方法对比，本发明的滑模控制方法对系统参数变化及外界干扰不敏感，因而采用滑模控制方法的控制系统无需建立精确的被控对象数学模型，其控制精度无需依赖于模型准确度，无需考虑被控对象多个支路多变量间的耦合问题，只需利用滑模控制技术的优良特性，实现对虚拟轴机床刀具运动的高精度控制，即可具有优良的控制品质。

2、滑模控制开关曲面参数依据二阶最佳动态品质系统设计，不仅使虚拟轴机床系统在形成滑模运动后具有最佳动态品质，而且能大大降低控制参数调试工作量。