—種應用于雕銑機的伺服位置控制方法
描述[0001]本發(fā)明涉及一種應用于雕銑機的伺服位置控制方法，尤其涉及一種應用于雕銑機 帶速度前饋及電流前饋的伺服位置控制方法，屬于伺服控制描述。背景[0002]雕銑機是一種使用小刀具、大功率和高速主軸電機的精工機床，其特點是既可以 雕刻，也可以銑削，廣泛應用于精密模具粗細加工一次完成的場合。[0003]基于圖1和圖2,說明雕銑機控制系統(tǒng)部分的基本組成：上位機10負責完成工件 加工所需的軌跡規(guī)劃，X軸、Y軸和Z軸的伺服驅(qū)動器工作在位置模式，負責接收上位機發(fā) 送的脈沖指令，同時驅(qū)動伺服電機穩(wěn)定、快速和精確地完成上位機期望的脈沖指令值。伺服 電機20的旋轉(zhuǎn)運動通過滾珠絲杠21轉(zhuǎn)換為負載22的直線運動，雕銑機的加工精度受以下 多個方面的影響：上位機規(guī)劃的軌跡曲線精度、絲杠和導軌的剛性、伺服驅(qū)動器的控制性能 等。[0004]伺服驅(qū)動器的控制性能由位置控制環(huán)、速度控制環(huán)和電流控制環(huán)的綜合性能來決 定。位置控制器、速度控制器和電流控制器一般基于反饋信號，采用PID控制算法來實現(xiàn)閉 環(huán)控制。由于反饋信號需要經(jīng)過檢測部件進行處理，具有一定的滯后性，因此伺服系統(tǒng)無法 實現(xiàn)快速響應。另外，滾珠絲杠21、負載22和導軌23之間存在著摩擦力，這部分摩擦力也 需要通過反饋閉環(huán)控制來克服，也影響伺服的快速響應性能，尤其體現(xiàn)在伺服換相點處的 位置跟隨誤差較大。在實際的加工中，我們發(fā)現(xiàn)雕銑機的X軸、Y軸和Z軸在換相點處的位 置誤差******，造成在換相點處工件的輪廓加工精度變差，最終的工件加工精度和加工效率 也相應受到影響。內(nèi)容[0005]本發(fā)明公開了一種應用于雕銑機的伺服位置控制方法，解決了現(xiàn)有控制方法應用 于雕銑機時雕銑機的X軸、Y軸和Z軸在換相點處的位置誤差較大的問題。[0006]為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：一種應用于雕銑機的位置控制方法，包括以下步驟：第一步：將雕銑機的上位機發(fā)送的給定位置脈沖信號與伺服電機反饋的位置脈沖信 號相減后作為伺服驅(qū)動器的位置控制器的輸入信號；第二步：將伺服電機反饋的位置脈沖信號經(jīng)過微分器變成伺服電機反饋的速度信號； 第三步：將位置控制器的輸出信號加上前饋控制器輸出的前饋速度信號，然后減去伺 服電機反饋的速度信號作為速度控制器的輸入信號；其中，前饋控制器將上位機發(fā)送的位 置脈沖信號經(jīng)過微分處理及濾波處理獲得前饋速度信號；第四步：將速度控制器的輸出信號加上前饋控制器輸出的電流前饋信號，然后減去伺 服電機反饋的電流信號作為電流控制器的輸入信號；其中，前饋控制器將前饋速度信號經(jīng) 過微分處理及濾波處理獲得加速度信號，加速度信號乘以設(shè)定系數(shù)A得到加速度電流信號；將滾珠絲杠、負載和導軌之間的摩擦力乘以設(shè)定系數(shù)B得到摩擦力電流信號；將加速度 電流信號與摩擦力電流信號相加得到電流前饋信號；第五步：將電流控制器的輸出信號作為功率驅(qū)動板的輸入信號，功率驅(qū)動板輸出三相 交流電驅(qū)動伺服電機運行。[0007]本發(fā)明在傳統(tǒng)伺服控制方法的基礎(chǔ)上，增加電流前饋的主要作用是提升伺服的速 度響應，降低速度跟蹤誤差；在伺服的速度跟蹤精度獲得提升的基礎(chǔ)上，增加速度前饋的主 要作用是提升伺服的位置響應，降低伺服的位置跟蹤誤差。本發(fā)明中的控制方法應用于雕 銑機時，減小了雕銑機的X軸、Y軸和Z軸在換相點處的位置誤差，提高了工件的加工精度 和加工效率。附圖說明[0008]圖1為雕銑機的結(jié)構(gòu)示意圖。[0009]圖2為伺服驅(qū)動器的內(nèi)部控制器與信號關(guān)系示意圖。[0010]圖3為本發(fā)明方法應用于雕銑機的示意圖。[0011]圖4為換相點處實際的位置曲線、帶前饋控制的位置曲線及不帶前饋控制的位置 曲線關(guān)系圖。[0012]圖5為摩擦力曲線。[0013]圖6為實測的摩擦力對應的電流數(shù)據(jù)。[0014]圖7為加速度曲線。[0015]圖8為為實測的加速度對應的電流波形。[0016]圖9為帶前饋控制的X軸位置偏差絲與不帶前饋控制的X軸位置偏差絲關(guān)系圖。[0017]圖10為帶前饋控制的Y軸位置偏差絲與不帶前饋控制的X軸位置偏差絲關(guān)系圖。實施[0018]下面結(jié)合附圖和實施，對本發(fā)明作進一步詳細說明。[0019]圖1為雕銑機的結(jié)構(gòu)示意圖，上位機10輸出3個位置信號p-l、P-2和P-3,分別 以脈沖形式發(fā)給X軸、Y軸和Z軸伺服驅(qū)動器，X軸、Y軸和Z軸伺服驅(qū)動器分別驅(qū)動X軸、 Y軸和Z軸伺服電機。Y軸伺服電機驅(qū)動工件加工臺面在Y軸方向運動；Z軸伺服電機驅(qū)動 主軸電機在Z軸方向運動，主軸電機帶動刀具高速旋轉(zhuǎn)，負責雕銑工件；Z軸伺服電機與主 軸電機做為一個整體由X軸伺服電機驅(qū)動，在X軸方向運動。[0020]圖2為伺服驅(qū)動器的內(nèi)部控制器與信號關(guān)系示意圖，其中20為伺服電機，21為滾 珠絲杠、22為負載，23為導軌。內(nèi)部控制器包括位置控制器、速度控制器、電流控制器和前 饋控制器。前饋控制器根據(jù)上位機給定的位置信號以及X軸、Y軸和Z軸的滾珠絲杠幅的 摩擦特性，分別計算出X軸、Y軸和Z軸各自對應的速度前饋信號和電流前饋信號。[0021]圖3為本發(fā)明方法應用于雕銑機的示意圖。本發(fā)明方法應用于雕銑機控制系統(tǒng)中 的X軸、Y軸和Z軸伺服驅(qū)動器，X軸、Y軸和Z軸伺服驅(qū)動器的內(nèi)部控制器與信號關(guān)系都是 相同的。[0022]速度前饋和電流前饋的控制原理為：前饋控制器將上位機發(fā)送的位置脈沖指令經(jīng) 過微分處理獲得速度指令信號，但從離散的位置脈沖指令中通過微分獲取的速度信號含有噪聲信號，影響控制效果，所以需要經(jīng)過濾波處理，獲得光滑的速度指令信號。用同樣的方 法，將速度指令信號先經(jīng)過微分處理，再經(jīng)過濾波處理獲得加速度指令信號，由于系統(tǒng)加速 度乘以系統(tǒng)慣量所得的值與伺服電機需要提供的加速力矩成線性關(guān)系，而伺服電機提供的 加速力矩與電流也成線性關(guān)系，所以加速度值乘以一個系數(shù)后就可以獲得加速度對應的電 流，所乘的加速度對應到相應的電流前饋量的比例系數(shù)可以由用戶來設(shè)定。通過伺服電機 帶動滾珠絲杠進行實驗來確定摩擦模型所需的參數(shù)，摩擦力乘以一個系數(shù)后就可以獲得摩 擦力對應的電流前饋量，所乘的摩擦力對應到相應的電流前饋量的比例系數(shù)可以由用戶來 設(shè)定。將加速度對應的電流前饋量與摩擦力對應的電流前饋量疊加后獲得最終的電流前饋 量。[0023]下面結(jié)合圖5、圖6、圖7及圖8具體說明摩擦力對應到相應的電流前饋量的比例 系數(shù)及加速度對應到相應的電流前饋量的比例系數(shù)的設(shè)定原則。圖5為摩擦力曲線，其中 正向摩擦力和反向摩擦力對稱，摩擦力******值約為〇o 02。圖6為實測的摩擦力對應的電流 數(shù)據(jù)，正向電流和反向電流對稱，在摩擦力為******值的時間段內(nèi)，對應的電流值是波動的， 對波動的電流值做取平均值處理。在摩擦力為******值〇. 02時，對應的電流平均值約為0. 2, 所以摩擦力對應到相應的電流前饋量的比例系數(shù)約為〇. 2 + 0. 02=10。圖7為加速度曲線， 其中正向加速度與反向加速度對稱，加速度******值約為2. 2。圖8為實測的加速度對應的電 流波形，其中正向電流和反向電流對稱，在加速度為******值的時間段內(nèi)，對應的電流值是波 動的，對波動的電流值做取平均值處理。在加速度為******值2. 2時，對應的電流平均值約為 1. 3,所以加速度對應到相應的電流前饋量的比例系數(shù)約為1. 3 + 2. 2=0. 59。[〇〇24] 以圖3中的X軸伺服驅(qū)動器1為例，說明伺服驅(qū)動器的控制信號關(guān)系以及速度前 饋和電流前饋的計算方法。上位機發(fā)送的給定位置脈沖信號P-1和伺服電機反饋的位置脈 沖信號1-3相減后作為位置控制器的輸入信號。從給定位置脈沖信號P-1中提取速度前饋 量1-4和加速度前饋量，通過實驗來分析加速度前饋量與電流前饋量之間的比例關(guān)系，找 出加速度前饋量與電流前饋量之間比例系數(shù)，用戶將該比例系數(shù)輸入伺服參數(shù)表中，由此 獲得加速度前饋量對應的電流前饋量。伺服電機反饋的位置脈沖信號1-3經(jīng)過微分器后獲 得伺服電機反饋的速度信號1-2 ;位置控制器的輸出信號先加上前饋控制器輸出的前饋速 度信號1-4,然后減去伺服電機反饋的速度信號1-2作為速度控制器的輸入信號。通過實驗 來獲取摩擦模型所需的參數(shù)，摩擦力與電流前饋量的比例系數(shù)由用戶來設(shè)定，由此獲得摩 擦力對應的電流前饋量，前饋控制器將加速度前饋量對應的電流前饋量加上摩擦力對應的 電流前饋量作為最終的電流前饋信號1-5。速度控制器的輸出信號先加上前饋控制器輸出 的電流前饋信號1-5,然后減去伺服電機反饋的電流信號1-1作為電流控制器的輸入信號。 電流控制器的輸出信號作為功率驅(qū)動板的輸入信號，最后功率驅(qū)動板輸出三相交流電驅(qū)動 伺服電機旋轉(zhuǎn)，伺服電機的旋轉(zhuǎn)運動通過滾珠絲杠轉(zhuǎn)換為負載的直線運動。Y軸伺服驅(qū)動器 2和Z軸伺服驅(qū)動器3的控制原理同X軸伺服驅(qū)動器1，其中2-1和3-1為伺服電機反饋的 電流信號，2-2和3-2為伺服電機反饋的速度信號，2-3和3-3為伺服電機反饋的位置脈沖 信號，2-4和3-4為前饋控制器輸出的前饋速度信號，2-5和3-5為前饋控制器輸出的電流 前饋信號。[0025] 為了說明本發(fā)明技術(shù)產(chǎn)生的實際技術(shù)效果，在雕銑機上進行畫圓實驗，觀察在換 相點處圓弧的曲線精度是否改善。上位機將圓軌跡信號發(fā)送給X軸和Y軸伺服，首先進行不帶速度前饋及電流前饋的實驗，然后進行帶速度前饋及電流前饋的實驗，判斷在換相點處 兩次實驗中哪次實驗的實際位置曲線更加接近給定位置曲線，越接近給定位置曲線說明實 際的工件加工效果更好。由圖4的實驗數(shù)據(jù)可知：在雕銑機上使用帶速度前饋及電流前饋 的位置控制方式以后，在換相點處實際的位置曲線更加接近給定的位置曲線。給定位置與 實際位置之間的差值為位置偏差量，位置偏差量越小意味著位置跟蹤效果更好，由圖9和 圖10的實驗數(shù)據(jù)可知：使用帶速度前饋及電流前饋的位置控制方式以后，X軸和Y軸位置 偏差量降低了。本文由海天精工整理發(fā)表文章均來自網(wǎng)絡(luò)僅供學習參考，轉(zhuǎn)載請注明！