[发明专利]一种机电系统的摩擦力建模方法及其应用

说明书

本发明公开了一种机电系统的摩擦力建模方法及其应用，属于机电系统动力学分析领域，建模方法包括：设置速度阈值，当机电系统的速度在速度零点和速度阈值之间，对机电系统的摩擦力进行线性拟合，得到低速段摩擦模型；当机电系统的速度大于速度阈值时，对机电系统的摩擦力进行非线性拟合，得到高速段摩擦模型。本发明针对机电系统的速度为零处摩擦力的方向和大小不确定的情况，设置速度阈值，在速度零点和阈值之间进行线性拟合，针对高速下的粘性摩擦衰减的情况，通过引入粘性摩擦衰减系数，对高速段进行非线性拟合，通过对摩擦模型进行改进，由此提高机电系统的定位精度。

技术领域

本发明属于机电系统动力学分析领域，更具体地，涉及一种机电系统的摩擦力建模方法及其应用。

背景技术

摩擦是一种复杂的非线性物理现象，产生于具有相对运动的接触界面之间。几个世纪以来，摩擦现象吸引了众多学者对其进行深入系统地研究，在工程实际中人们利用摩擦来工作，如汽车轮胎、离合器、刹车片等。然而对于机器人、数控机床等精密机械系统而言，摩擦地存在引起了粘滑运动、极限环振荡以及跟踪误差等不利因素。随着对机械系统地定位精度要求不断地提高，如何在最大程度上消除摩擦的影响成为了一项挑战性的工作。很多学者和技术人员采用了多种方法，如改善接触面的表面状况、提高接触面间的润滑程度以及采用各种摩擦补偿技术等。其中采用基于摩擦模型的补偿技术是目前机械控制领域常用的一种比较有效的方法，但前提是对机械系统中存在的摩擦现象建立正确合理的、简单有效的摩擦模型。

摩擦广泛存在于数控、汽车、机器人和医疗等机电系统，在对机床的进给系统的工作状况的研究中，评价其伺服系统性能的主要标准是定位精度和重复定位精度，对于高精度伺服系统来说，摩擦力是影响系统精度的主要因素，非线性因素使得系统难以精确控制，特别是低速运动时会出现低速爬行现象，降低系统的定位精度，同时在高速运动时会使系统产生较大的跟随误差。在数控机床高速高精化发展的趋势下，这类高精度定位系统的摩擦特性的研究不能忽视。

由此可见，现有的机电系统存在低速运动时定位精度低、高速运动时跟随误差较大的技术问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种机电系统的摩擦力建模方法及其应用，由此解决现有的机电系统存在低速运动时定位精度低、高速运动时跟随误差较大的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种机电系统的摩擦力建模方法，包括：

设置速度阈值，当机电系统的速度在速度零点和速度阈值之间，对机电系统的摩擦力进行线性拟合，得到低速段摩擦模型；

当机电系统的速度大于速度阈值时，对机电系统的摩擦力进行非线性拟合，得到高速段摩擦模型。

进一步地，所述方法还包括：

对于低速段摩擦模型和高速段摩擦模型组成的摩擦模型进行参数辨识，得到最优摩擦模型。

进一步地，所述参数辨识的具体实现方式为：

采集机电系统运行过程中不同速度对应的摩擦力，将采集的速度输入摩擦模型，得到仿真摩擦力，以仿真摩擦力与采集的摩擦力之差最小为目的优化摩擦模型的参数，得到最优参数，用于构建最优摩擦模型。

进一步地，所述方法还包括：

将不同速度输入利用最优参数构建的摩擦模型，得到多个摩擦力，不同速度及其对应摩擦力形成一条曲线，当曲线拟合方差小于预设值且曲线趋势满足stribeck特性时，最优参数符合要求，此时利用最优参数构建最优摩擦模型。

进一步地，所述摩擦模型为：