[发明专利]一种用于减小机床伺服进给系统跟踪误差的方法

说明书

技术领域

本发明属于数控加工技术领域，更具体地，涉及一种用于减小机床伺服进给系统跟踪误差的方法。

背景技术

伺服进给系统广泛应用于数字化控制的机械制造和加工过程中。该系统中存在多种非线性特性，例如摩擦、间隙、磁滞效应以及外部扰动，这些非线性特性会给系统的性能带来很大的影响，其中非线性摩擦对系统的运动控制性能的影响最为显著。对于高精度工作台伺服进给系统来说，在消除滚珠丝杠螺距误差和间隙后，进给系统中存在的摩擦成为影响运动控制精度的主要原因，如何有效消除摩擦的影响成为精确控制的关键问题。

对于如何通过摩擦力的控制补偿实现伺服进给系统跟随误差的控制，现有技术中给出了一些研究，现有的方案基于经典模型的摩擦补偿具有一定的效果，但经典模型是静态模型，它不能很好的显示摩擦力的动态特性，而这些动态特性将严重影响系统性能，特别是跟踪性能和定位精度。因此，在定位精度要求较高的运动控制中，采用摩擦力静态模型进行补偿，难以满足性能要求，并且直接采用摩擦力前馈补偿，或者直接把摩擦力作为扰动引入到控制系统，不能够实时观测摩擦力的变化，无法实时调节补偿参数以对摩檫力进行补偿，因此补偿后的效果精度不高。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于减小机床伺服进给系统跟踪误差的方法，其通过卡尔曼观测器实现对摩擦力的预估，并通过对摩擦力的补偿从而达到精确控制的目的，使得系统能够实时的观测和预估摩擦力实时变化，并且在控制系统中对其进行补偿，对于减小伺服系统跟踪误差特别是预滑动时补偿控制具有显著效果。

为实现上述目的，本发明提出了一种用于减小机床伺服进给系统跟踪误差的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1)对机床伺服进给系统进行建模，获得伺服进给系统的系统模型；

2)建立机床伺服进给系统的摩擦力数学模型并辨识参数；

3)利用卡尔曼状态观测器对伺服进给系统的位置变化进行预估，根据预估的位置变化计算伺服进给系统的补偿摩擦力，根据计算的补偿摩擦力对伺服进给系统的摩擦力进行实时动态补偿，进而实现减少机床伺服进给系统的跟踪误差。

作为进一步优选的，所述对机床伺服进给系统进行建模，获得伺服进给系统的系统模型包括：

建立伺服进给系统的系统模型为其中，M_t表示伺服进给系统的机械部分总的质量，B_m表示伺服电机的阻尼，F_q表示伺服进给系统的驱动力，表示伺服进给系统的摩擦力，x表示伺服进给系统进给轴位移，z表示鬃毛平均变形。

作为进一步优选的，所述鬃毛平均变形z采用如下表达式表达：

其中，δ₀表示鬃毛刚度，f_c表示库伦摩擦力，f_s表示最大静摩擦力，v_s表示Stribeck效应的特征速度。

作为进一步优选的，所述建立机床伺服进给系统的摩擦力数学模型并辨识参数包括：

2.1)建立机床伺服进给系统的摩擦力数学模型：

其中，δ₀表示鬃毛刚度，δ₁表示微观阻尼系数，μ_v表示伺服进给系统进给轴粘滞摩擦系数；

2.2)辨识摩擦力数学模型中参数δ₀、δ₁、μ_v、f_c、f_s和v_s的值。

作为进一步优选的，所述辨识摩擦力数学模型中参数δ₀、δ₁、μ_v、f_c、f_s和v_s的值包括：

选择优化成本函数J_s，并使其最小化，计算获得参数δ₀、δ₁、μ_v、f_c、f_s和v_s的值，所述J_s采用如下表达式表示：

式中，N_s是组成Stribeck效应点的数目，分别表示工作台在不同速度下的稳态误差，其中所述和表示稳态下的摩擦力，其通过实际测得，所述和表示估算的稳态下的摩擦力，其由步骤2.1)中的摩擦力数学模型表达。