[发明专利]数控机床进给系统受力监测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种数控机床进给系统受力监测方法，适合于采用旋转电机和滚珠丝杠传动方式的数控机床进给系统。

背景技术

数控机床是民用和国防工业中加工复杂、大型、薄壁、难加工材料等精密零件的关键装备。大型数控机床在高速度、高加速度、大载荷、大位移等非常规工况下，进给系统所受载荷力（包括切削力、滑擦力等）极易造成加工过程的振动、冲击、变形、机床部件磨损等，对工艺系统、主轴系统和进给系统等产生巨大影响。为使机床在恶劣工况下达到高精度、高效率、高服役性能和智能化的要求，对加工过程中的载荷力进行在线监测非常必要。目前，还没有一种对数控机床进给系统载荷力进行在线监测的方法。

发明内容

本发明提供一种数控机床进给系统受力监测方法，用于监测数控机床进给系统的受力状况，具有：第1步骤，获取数控机床进给系统位置控制器的电流和编码器（或光栅尺）的信号数据，并根据该信号数据推算出数控机床进给系统的位移测量值和转速测量值；第2步骤，通过迭代运算的方式得到基于卡尔曼滤波状态观测器的常数增益系数；第3步骤，通过将位移测量值和转速测量值以及常数增益系数引入卡尔曼滤波状态观测器，得到数控机床进给系统的载荷力观测值和位移观测值以及转速观测值，从而监测受力状况。

第1步骤中的信号数据，分别是电机电流数据u_m和机床位置数据x_m。

其中，电机电流数据可以从数控机床进给系统中的电机伺服驱动器状态监测接口利用模拟量数据采集卡获得，电机位置数据取自位置控制器的位置反馈信号，可以通过导线转接头直接得到,并采用数字信号采集卡获取。

首先，以采集计数的第一个位置点作为参考点,设第一个数据点位置计数为X_m(1),第k个数据点位置计数为X_m(k)。

定义第一点的位置：

x_m(1)=0                                （1）

则第k点的位置为：

x_m(k)=X_m(k)-X_m(1)                      （2）

由此得出位移测量值。

其次，系统电机第k点的转速测量值通过位置的差分运算得到，具体公式为：

ωm(k)=2π(xm(k+1)-xm(k))LTs---(3)]]>

其中T_s是编码器或光栅尺信号的采样时间，L为丝杠导程，π为圆周率。

第2步骤，是根据以下过程实现：

首先，卡尔曼滤波状态观测器递推公式如下：

式中分别是通过卡尔曼状态观测器对机床进给系统的位置、转速、载荷力的第k次观测值，x_m(k)、ω_m(k)分别是进给系统电机的位置、转速的第k次测量值由公式分别由公式（2）、（3）得到，u(k-1)是电机电流的第k-1次测量值，

K_obs为滤波器常数增益矩阵，f(k)是由进给系统由于摩擦力和切削等原因造成的合力。

分别如下式定义A、B、C、W、V状态方程矩阵：