【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于数控技术相关，更具体地，涉及一种适用于滚珠丝杠传动类型机床的动力学前馈控制方法及系统。
技术介绍
1、目前，在数控机床领域，前馈控制方法已被广泛应用。前馈控制是一种基于对系统模型的预测来补偿系统误差的控制策略，通过在驱动控制环节中施加前馈控制，可以在系统出现误差前主动对其进行补偿，降低机床进给运动的位置跟随误差，从而提高机床的动态性能，提高加工精度、加工效率和稳定性。
2、当前滚珠丝杠传动类型的机床应用最为广泛，针对此类型的机床，常用的前馈控制方法为基于指令的速度前馈、加速度前馈方法：通过在速度环施加速度前馈，可有效降低机床稳速段运行的位置跟随误差；通过在电流环施加惯性力前馈，可改善机床变速段运行的位置跟随误差。
3、但上述的传统前馈方法简单，仅考虑了速度分量与惯性力分量，未考虑滚珠丝杠传动系统柔性环节(联轴器、丝杠螺母副等部件)的刚度、阻尼动力学特性；未考虑伺服驱动器各控制环节的时序特点；未考虑反馈回路滤波环节对前馈效果的影响，因此对位置跟随误差的降低效果有限。
4、在高端制造领域，进给系统达到微米级的跟踪控制精度是保证加工零件轮廓精度、表面质量的基本要求。上述传统前馈方法在通用型滚珠丝杠传动类型的机床上，仅可保证位置跟随误差控制至10um(微米)的水平，不能满足某些高速高精的加工场景(如高精度模具件加工，复杂曲面工件加工)要求。因此，为进一步提升滚珠丝杠传动类型机床的进给运动精度，亟需改进当前的前馈控制方法，进一步提升机床的跟随精度控制水平，将跟踪精度控制至5um(微米)以内
技术实现思路
1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种适用于滚珠丝杠传动类型机床的动力学前馈控制方法及系统，解决机床位置跟踪精度低的问题。
2、为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种适用于滚珠丝杠传动类型机床的动力学前馈控制方法，该方法包括下列步骤：
3、s1获取滚珠丝杠传动类型机床各进给轴的参数和机床启动后数控系统的位置指令信号，利用该位置指令信号计算指令速度和加速度信号；
4、s2利用所述指令速度和加速度信号，分别构建速度前馈量和电流前馈量的计算模型，利用采集的所述机床各进给轴的参数计算所述速度前馈量和电流前馈量；
5、所述电流前馈量的计算模型按照下列关系式进行：
6、ii(k)＝min([i1i(k)+i2i(k)]·ki,imax)
7、其中，ii(k)是第k个控制周期的电流前馈量，i1i(k)是第k个控制周期的惯性力前馈分量，i2i(k)是第k个控制周期的刚度阻尼前馈分量，i是选定进给轴轴号，ki是电流前馈增益系数，imax为电机的额定电流；
8、s3将所述速度前馈量和电流前馈量经时间偏移处理后实时下发至机床伺服控制系统的速度控制单元和电流控制单元，以此实现机床的动力学前馈控制。
9、进一步优选地，在步骤s1中，所述机床各进给轴的参数包括数控系统的插补周期、丝杆导程、电机和负载的总转动惯量、轴向综合刚度系数、轴向综合阻尼系数、速度前馈计算分辨率、速度环增益、速度环积分时间常数、电机额定电流和电机转矩常数。
10、进一步优选地，在步骤s1中，所述指令速度的计算按照下列关系式进行：
11、
12、其中，si(k)是第k个控制周期的位置指令信号，vi(k)是第k个控制周期的指令速度，i是选定进给轴轴号，k是第k个控制周期，δt是数控系统插补周期。
13、进一步优选地，在步骤s1中，所述指令加速度按照下列关系式进行：
14、
15、其中，vi(k)是第k个控制周期的指令速度，ai(k)是第k个控制周期的指令加速度，i是选定进给轴轴号，k是第k个控制周期，δt是数控系统插补周期。
16、进一步优选地，在步骤s2中，所述速度前馈量的计算模型按照下列关系式进行：
17、
18、其中，vi(k)是第k个控制周期的速度前馈量，vi(k)是第k个控制周期的指令速度，i是选定进给轴轴号，h是选定轴的滚珠丝杠导程，r是伺服驱动器接收速度前馈指令的分辨率，kv是速度前馈增益系数(0％～200％)。
19、进一步优选地，所述惯性力前馈量和刚度阻尼前馈量的计算方法按照下列关系式进行：
20、
21、其中，i1i(k)是第k个控制周期的惯性力前馈分量，j是选定轴的电机和负载的总转动惯量，ai(k)是第k个控制周期的指令加速度，kt是选定轴的电机转矩常数，i2i(k)是第k个控制周期的刚度阻尼前馈分量，k1～k4均是刚度阻尼前馈分量计算系数，i是选定进给轴轴号。
22、进一步优选地，所述刚度阻尼补偿量计算系数按照下列关系式进行：
23、k1＝kvi+2/δt·kvp
24、k2＝kvi-2/δt·kvp
25、k3＝ks-2/δt·kd
26、k4＝ks+2/δt·kd
27、其中，kvi是当前轴的速度环积分时间常数，kvp是速度环增益，ks是当前轴的轴向综合刚度系数，kd是当前轴的轴向综合阻尼系数。
28、进一步优选地，在步骤s3中，所述时间偏移处理按照下列关系式进行：
29、
30、其中，ff'(k)是第k个控制周期的时间偏移处理后的速度或电流前馈量，δt是时间偏移量，δt＝0时不需处理，δt<0是前馈量提前，δt>0则是前馈量滞后，δt是数控系统插补周期，ff(k-1)、ff(k)、ff(k+1)分别是上一控制周期、当前控制周期和后一控制周期的未处理的速度或电流前馈量。
31、按照本专利技术的另一个方面，提供了一种适用于滚珠丝杠传动类型机床的动力学前馈控制系统，该系统包括执行器，该执行器执行上述所述的一种适用于滚珠丝杠传动类型机床的动力学前馈控制方法。
32、总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：
33、1.本专利技术的基于动力学模型的指令前馈控制方法考虑了滚珠丝杠传动系统柔性环节的非线性响应特性，在现有速度加速度前馈方法基础上，在电流前馈模型中增加了刚度阻尼系数计算的前馈分量，提升了适用于滚珠丝杠传动类型系统前馈控制方法准确性，与传统的基于线性模型的前馈方法相比，进一步提升了机床进给系统的动态响应性能。现有的前馈方法通过对进给系统的速度及线性惯性力的响应进行前馈控制，仅能保证位置跟随误差控制在几十微米的水平，而本方法通过前馈计算模型实现了丝杠柔性环节对高阶指令的响应预测，并通过前馈作用进一步降低了滚珠丝杠机床进给系统在高速高加速运动过程的位置跟随误差，可保持在5um以内，提升了机床的加工精度；
34、2.本专利技术的基于动力学模型的指令前馈控制方法，其中，前馈量计算过程是在数控系统侧通过模块化实现的，通过模型计算、总线传输、本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种适用于滚珠丝杠传动类型机床的动力学前馈控制方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
2.如权利要求1所述的一种适用于滚珠丝杠传动类型机床的动力学前馈控制方法，其特征在于，在步骤S1中，所述机床各进给轴的参数包括数控系统的插补周期、丝杆导程、电机和负载的总转动惯量、轴向综合刚度系数、轴向综合阻尼系数、速度前馈计算分辨率、速度环增益、速度环积分时间常数、电机额定电流和电机转矩常数。
3.如权利要求1或2所述的一种适用于滚珠丝杠传动类型机床的动力学前馈控制方法，其特征在于，在步骤S1中，所述指令速度的计算按照下列关系式进行：
4.如权利要求3所述的一种适用于滚珠丝杠传动类型机床的动力学前馈控制方法，其特征在于，在步骤S1中，所述指令加速度按照下列关系式进行：
5.如权利要求1或2所述的一种适用于滚珠丝杠传动类型机床的动力学前馈控制方法，其特征在于，在步骤S2中，所述速度前馈量的计算模型按照下列关系式进行：
6.如权利要求1所述的一种适用于滚珠丝杠传动类型机床的动力学前馈控制方法，其特征在于，所述惯性力前馈量和刚度阻尼前馈
7.如权利要求6所述的一种适用于滚珠丝杠传动类型机床的动力学前馈控制方法，其特征在于，所述刚度阻尼前馈分量计算系数按照下列关系式进行：
8.如权利要求5所述的一种适用于滚珠丝杠传动类型机床的动力学前馈控制方法，其特征在于，在步骤S3中，所述时间偏移处理按照下列关系式进行：
9.一种适用于滚珠丝杠传动类型机床的动力学前馈控制系统，其特征在于，该系统包括执行器，该执行器执行权利要求1-8任一项所述的一种适用于滚珠丝杠传动类型机床的动力学前馈控制方法。
...【技术特征摘要】
1.一种适用于滚珠丝杠传动类型机床的动力学前馈控制方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
2.如权利要求1所述的一种适用于滚珠丝杠传动类型机床的动力学前馈控制方法，其特征在于，在步骤s1中，所述机床各进给轴的参数包括数控系统的插补周期、丝杆导程、电机和负载的总转动惯量、轴向综合刚度系数、轴向综合阻尼系数、速度前馈计算分辨率、速度环增益、速度环积分时间常数、电机额定电流和电机转矩常数。
3.如权利要求1或2所述的一种适用于滚珠丝杠传动类型机床的动力学前馈控制方法，其特征在于，在步骤s1中，所述指令速度的计算按照下列关系式进行：
4.如权利要求3所述的一种适用于滚珠丝杠传动类型机床的动力学前馈控制方法，其特征在于，在步骤s1中，所述指令加速度按照下列关系式进行：
5.如权利要求1或2所述的一种适用于滚珠丝...
【专利技术属性】
技术研发人员：尤哲涵，许光达，杨建中，周会成，黄德海，李敏，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
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