多轴联动数控系统运动平稳性和轮廓加工精度控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种多轴联动数控系统运动平稳性和轮廓加工精度控制方法，它通过多轴参数模型预测控制和非线性自适应模糊PID控制的复合模式控制模式实现对多轴联动数控系统运动平稳性和轮廓加工误差的控制，同时通过构建一种轮廓误差模型、速度误差模型和加速度误差模型来提高误差模型计算效率；通过新型性能优化指标，使系统的跟踪误差、轮廓误差、速度误差和加速度误差最小，以提高多轴伺服控制系统的控制性能；通过、简化的计算模型求解多轴参数模型预测控制增量以满足控制系统的实时性；采用非线性自适应模糊PID控制方法来提高多轴联动数控系统鲁棒性。本发明专利技术有效地提高了多轴联动数控系统的运动平稳性和轮廓加工精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及数控
，尤其涉及ー种多轴联动数控系统技术，具体地说是ー种。
技术介绍
多轴联动数控系统运动平稳性和轮廓加工精度是保证数控机床加工精度的关键要素之一。随着先进制造技术的发展，高速高精度数控机床对数控系统的运动平稳性和轮廓误差控制提出更高要求。对数控系统来说，除插补阶段的前瞻处理和速度规划对数控系统的运动平稳性和轮廓精度产生影响外，多轴联动协同控制对数控系统的运动平稳性和轮廓加工精度产生较大影响。数控系统运动平稳性主要表现在两个方面一是采用柔性加减速控制模型进行速 度规划；ニ是采用具有前瞻处理功能的插补技术，改善高速运动的平稳性。选择合适的加減速控制模型是实现机床平稳运行的前提，具有前瞻处理功能的速度规划方法有利于提高系统的运动平稳性。但是这些方法的研究仅局限于插补阶段的理论分析和计算，按照选择的理想加減速模型进行几何分析和计算，并没有结合伺服控制系统的动力学模型进行综合考虑。因此，数控系统的运动平稳性还应考虑伺服控制过程，构成ー个有机系统进行分析和研究，确保伺服轴运动能够尽可能地跟随插补阶段的理论计算值，有利于减小轮廓误差和速度波动，提高数控系统的轮廓精度和运动平稳性。轮廓误差控制主要表现在多轴和单轴的位置伺服控制方面。多轴联动数控系统的加工误差来源于两个方面单轴的跟踪误差和多轴的轮廓误差。较之单轴跟踪误差对零件加工精度产生的影响，轮廓误差产生的影响更大。因此，减小轮廓误差已成为高速高精度多轴联动数控系统研究的重要方向之一。在位置伺服控制过程中，轮廓误差控制方法主要有跟踪误差控制、交叉耦合控制和优化控制等三种方法。多环控制结构已广泛应用于エ业运动控制领域，PID控制方法是ー种广泛应用的控制方法。另外ー种比较流行的控制方法是前馈控制方法，多用于高速数控机床中消除伺服位置滞后的现象。在前馈控制方法中，零相位误差跟踪控制器作为前馈跟踪控制器，提高了系统的快速响应速度，实现系统的准确跟踪。虽然这些方法对数控系统单个轴的控制具有良好的定位能力和跟踪性能，但是这种非耦合的控制方法由于受到动态响应性能不匹配和系统增益不一致等因素的影响，并不能保证系统具有良好的轮廓精度。为了解决这ー问题，采用交叉耦合控制方法减小系统的轮廓误差。另外，变增益、模糊控制、鲁棒控制、自适应控制和神经网络控制也纷纷应用于交叉耦合控制器。然而，采用交叉耦合控制方式解决复杂的轮廓加工精度难题对于控制工程师来说仍然是ー个具有挑战性的任务。为了提高数控系统的轮廓加工精度，优化控制方法也用在交叉耦合控制中。优化控制方法主要优点体现在一方面在于模型预测控制的性能指标函数中容易引入输入信号量，通过实时优化性能指标可以准确地推导出控制信号量，同时可根据跟踪误差和轮廓误差的性能要求进行控制性能指标的改迸；另ー方面，优化控制方法还可以考虑动力学模型的误差和干扰等因素。目前数控系统的速度规划和伺服控制过程是相互独立进行的，并没有形成ー个有机整体，通常多轴联动数控位置伺服控制中仅考虑控制跟踪误差和轮廓误差，并没有对速度误差和加速度误差采取有效的控制措施，系统的运动平稳性得不到有效保证。因此，将多轴联动数控系统的插补过程和位置伺服控制过程作为ー个有机整体进行综合考虑，将插补阶段的理论计算和多轴联动的位置伺服控制进行有机结合，使伺服轴的实际运动尽可能地按照理论规划的轨迹运动，从而保证多轴联动数控系统的运动平稳性和轮廓加工精度。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有多轴数控系统的速度规划和伺服控制过程是相互独立进行的，这种控制方法易导致运动的平稳性差，并影响轮廓精度的问题，提出ー种，它通过多轴联动数控系统插补过程和位置伺服控制作为ー个系统，将插补阶段的理论计算和多轴联动位置伺服控制有机结合，保证 运动尽可能地按照速度规划的轨迹进行运动，从而保证多轴联动数控系统运动的平稳性和轮廓精度。本专利技术的技术方案是ー种，其特征是它包括以下步骤( I)建立多轴伺服控制系统模型为Pi (k) =Pi (k)+Pi' (k) i=x, y, z ⑴式中凡(た)为线性模S，满JlPi{k) = YaijP人k. - j) + Ybtsii人k — s),グ(た)为非线性模型。通过系统I辨i只，确定线性模型Pi(Jc)中的案t充阶次/;f和输人阶次W1.，参数(Xi和t)is I I = Χ,ν,Ζ，j = I, ···, ni； s = I, ···, Hiiο(2)建立误差估计模型；所述的误差估计模型包括跟踪误差估计模型、轮廓误差估计模型、速度误差估计模型和加速度误差估计模型，分别对误差估计模型进行建模；(3)采用多轴參数模型预测控制和非线性自适应模糊PID控制复合模式控制方法，由多轴參数模型预测控制得到三个轴的控制输入信号Ux(k)、Uy (k)和Uz(k)，由非线性自适应模糊PID控制得到输入信号u' x(k)、u' y(k)和uz' (k)，多轴控制系统在输入控制信号和误差补偿控制信号的共同作用下进行复合控制，以实现对多轴联动数控系统运动平稳性和轮廓误差控制，其中ux(k)、uy(k)和uz(k)分别表示多轴的线性模型的控制输入信号，u' x(k)、u' y(k)和uz' (k)分别表示非线性模型的控制输入信号。所述各误差估计模型的建立方法为(a)轮廓误差估计模型以当前控制采样周期的实际输出位置到当前周期期望输出位置和上一周期的期望输出位置构成的直线的最短距离作为当前采样周期的轮廓误差的估算值，得到当前采样周期的轮廓误差估计模型为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多轴联动数控系统运动平稳性和轮廓加工精度控制方法，其特征是它包括以下步骤 (1)建立多轴伺服控制系统模型为P (k) =p (k) +p' (k) (I)式中乃⑷为线性模型，满足2.根据权利要求I所述的多轴联动数控系统运动平稳性和轮廓加工精度控制方法，其特征所述各误差估计模型的建立方法为 (a)轮廓误差估计模型以当前控制采样周期的实际输出位置到当前周期期望输出位置和上一周期的期望输出位置构成的直线的最短距离作为当前采样周期的轮廓误差的估算值，得到当前采样周期的轮廓误差估计模型为3.根据权利要求I所述的多轴联动数控系统运动平稳性和轮廓加工精度控制方法，其特征所述的多轴联动参数模型预测控制是通过多轴参数模型预测控制对多轴位置伺服控制系统模型中的线性模型进行控制，得到系统参数模型预测控制的三个轴的控制输入信号ux(k)、uy(k)和\(10 ;所述的非线性自适应误差补偿控制是通过非线性自适应模糊PID控制对非线性模型进行控制得到误差补偿控制的输入信号u' x(k)、u' y(k)和uz' (k);所述的非线性自适应变论域模糊PID控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：张礼兵，游有鹏，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：