专利名称：一种数控机床伺服系统摩擦误差补偿方法
技术领域：
本发明属于数控机床技术领域，涉及一种数控机床误差补偿方法，尤其是一种针对数控机床伺服系统摩擦误差补偿方法。该摩擦误差补偿方法具有高精度、智能化等优点
背景技术：
摩擦是引起高速、高精度数控机床动态误差主要因素之一，且不利于运动控制精度的提高。数控机床摩擦特征在低速时表现为强烈的非线性，主要表现为在速度过零时，非线性的摩擦力的作用使得数控系统无法通过自身控制器来完全消除由摩擦带来的不利影响。由于摩擦误差严重地限制数控机床轮廓精度的提高，因此，关于伺服系统摩擦误差高精度、智能补偿一直是高速、高精度数控技术研究的热点和难点。传统数控机床伺服系统摩擦误差补偿主要依靠调试人员工程调试经验且耗时、费力，无法达到最优摩擦误差补偿效果。由于数控机床伺服系统摩擦特性具有时变特征，为了保持数控机床加工精度，需要调试人员不断调整相关摩擦误差补偿参数导致需要耗费大量人力、生产时间，从而不利于数控机床生产效率的提高。高精度智能摩擦补偿方法更为实际可行有效，可以达到很高的摩擦误差补偿精度且无需人工调试经验，能够智能匹配最优摩擦误差补偿参数，从而节省调试时间、提高数控机床生产效率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种数控机床伺服系统摩擦误差补偿方法，该方法采用摩擦误差学习模式与摩擦误差补偿模式。在摩擦误差学习模式下，可自动对数控机床摩擦补偿特性参数进行学习，在摩擦误差补偿模式下，可自动实现数控机床不同工况下的高精度摩擦补偿，从而达到提高数控机床生产效率及加工精度的目的。本发明的目的是通过以下技术方案来解决的本发明种数控机床伺服系统摩擦误差补偿方法，包括以下步骤I)首先依据数控机床用户需求，读取摩擦误差补偿模块相关设置参数；2)根据输入的参数，摩擦误差补偿模块进行模块工作模式选择；摩擦误差补偿模块，通过模块工作模式选择，工作在摩擦误差补偿模式或摩擦误差学习模式下，其中摩擦误差学习模式下，摩擦误差补偿模块通过粗学习器、精学习器、智能函数生成器来生成精学习摩擦补偿量函数；在摩擦误差补偿模式下，摩擦误差补偿模块通过精学习摩擦补偿量函数、摩擦补偿器、反向点判别器、摩擦补偿效果评价器实现数控机床高精度摩擦补偿；3)设置摩擦误差补偿模块工作模式为摩擦误差补偿模式，当数控机床运动时，精学习摩擦补偿量函数生成精摩擦补偿量，摩擦补偿器依据反向点判别器的输出结果，实现数控机床的高精度摩擦补偿，在此过程中，摩擦补偿效果评价器对摩擦补偿效果进行评价；4)若摩擦补偿效果不满足要求，根据实际摩擦补偿效果要求，重新设置摩擦误差补偿模块相关参数并将摩擦误差补偿模块工作模式设置为摩擦误差学习模式；
5)设置摩擦误差补偿模块工作模式为摩擦误差学习模式，数控机床按照正余弦粗学习运动轨迹程序进行运动，摩擦误差补偿模块采集的相关运动信号，粗学习器进行相关计算从而得到与反向点加速度对应的最优粗摩擦补偿量数组；6)在最优粗摩擦补偿量数组的基础上，数控机床按照正余弦精学习运动轨迹程序进行运动，摩擦误差补偿模块采集相关运动信号，精学习器对最优粗摩擦补偿量数组进行相关计算从而得到与反向点加速度对应的最优精摩擦补偿量数组；7)将步骤6)中得到的最优精摩擦补偿量数组输入到智能函数生成器中，通过相关智能算法自动生成精学习摩擦补偿量函数，摩擦误差学习模式结束；8)设置摩擦误差补偿模块工作模式为摩擦误差补偿模式，当数控机床运动时，精学习摩擦补偿量函数根据数控机床所处工况自动计算出精摩擦补偿量；摩擦补偿器依据反向点判别器输出的相关信号，将精摩擦补偿量脉冲加入到数控机床相应运动轴伺服控制器速度环速度指令中，从而实现对数控机床伺服系统摩擦误差的高精度补偿；9)若数控机床运动过程中，摩擦补偿效果不满足实际要求，则重复步骤4)至步骤8)，实现数控机床摩擦误差高精度补偿并满足摩擦误差补偿效果要求；进一步的，上述步骤I)中，所述摩擦误差补偿模块相关参数为最小加速度Accmin、最大加速度Accmax、加速度区间I特征值Accl、加速度区间2特征值Acc2,上述加速度量均为反向点的加速度值、加速度区间I步长数Numl、加速度区间2步长数Num2、加速度区间3步长数Num3、粗学习运动循环次数Coase_num、精学习运动循环次数Fine_num、摩擦误差补偿模块工作模式选择参数Frilearn_flag、摩擦补偿时间Fcompen_time、粗学习摩擦补偿量初始值Fini_value、粗学习摩擦补偿增量CoaFvalue_step、精学习摩擦补偿增量FineFvalue_step,摩擦补偿效果要求值Fricmd。上述步骤2)中，所述摩擦误差补偿模块进行其工作模式选择，如果摩擦误差补偿模块工作模式选择参数Frilearn_flag=0,则进入摩擦误差补偿模式,如果摩擦误差补偿模块工作模式选择参数Frilearn_flag=l,则进入摩擦误差学习模式；上述步骤3)中，当数控机床运动时，精学习摩擦补偿量函数依据机床运动轨迹处于反向点时的加速度值自动计算出精摩擦补偿量。上述步骤5)中，数控机床按照正余弦粗学习运动轨迹程序进行运动时，粗学习器开始工作，反向点判别器依据摩擦误差补偿模块采集的运动位置指令信号，进行反向点判别；当反向点判别器判断出机床运动位置指令处于反向点时，粗摩擦补偿发生器进行粗摩擦补偿，摩擦补偿效果评价器进行摩擦补偿效果评价；当该反向点加速度下的粗摩擦补偿的次数达到粗学习运动循环次数时，粗学习加速度更新器将更新后的加速度值输入到数控机床正余弦粗学习运动轨迹程序中，从而改变数控机床运动轨迹，当数控机床运动轨迹反向点加速度值大于Accmax时，由摩擦补偿效果评价器得到最优摩擦粗补偿量数组，粗学习器结束工作。上述步骤6)中，数控机床按照正余弦精学习运动轨迹程序进行运动时，精学习器开始工作，反向点判别器依据摩擦补偿误差模块采集运动位置指令信号，进行反向点判别；当反向点判别器判断出机床运动位置指令处于反向点时，精摩擦补偿发生器进行精摩擦补偿，摩擦补偿效果评价器进行摩擦补偿效果评价；当该反向点加速度下的精摩擦补偿的次数达到精学习运动循环次数时，精学习加速度更新器将更新后的加速度值输入到数控机床正余弦精学习运动轨迹程序中，从而改变数控机床运动轨迹，当数控机床运动轨迹反向点加速度值大于Accmax时，由摩擦补偿效果评价器得到最优精摩擦补偿量数组，精学习器结束工作。上述步骤8)中，所述摩擦补偿器依据反向点判别器输出的相关信号，将精摩擦补偿量生成具有正负号的精摩擦补偿量脉冲并将该脉冲加入到数控机床相应运动轴伺服控制器速度环速度指令中，从而实现数控机床伺服系统摩擦误差高精度补偿。本发明具有以下有益效果(I)本发明采用数控机床摩擦误差补偿模块运行相关智能算法，得到数控机床伺服系统在各工况下最优精摩擦补偿量脉冲，避免了依靠人工经验调试耗时且无法得到最佳摩擦补偿参数等缺点，提高了摩擦误差补偿的精度。(2)本发明可依据用户设置的相关摩擦误差补偿模块参数，通过对有关数据的采集与计算，自动地执行摩擦误差学习模式或摩擦误差补偿模式，满足了用户对数控机床伺服系统摩擦误差高精度补偿的需求。本发明采用的摩擦误差补偿方法具有摩擦误差补偿精度高、自动智能且无需用户调试经验等优点，可明显提高数控机床加工精度及生产效率。
图1是数控机床伺服系统摩擦误差补偿基本原理示意图；图2是数控机床正余弦粗学习及精学习运动轨迹示意图；图3是粗学习器及精学习器工作原理图；图4是智能函数生成器工作原理图；图5是数控机床摩擦误差补偿模块工作原理示意图；图6是X轴精学习摩擦补偿量函数曲线及最优精摩擦补偿量数组曲线对比图；图7是y轴精学习摩擦补偿量函数曲线及最优精摩擦补偿量数组曲线对比图；图8是在F=1000mm/min，R=50mm，x/y轴联动圆误差轨迹，其中，图8 (a)为未摩擦补偿得到的圆误差结果，图8 (b)为采用本发明模块在摩擦误差补偿模式下的圆误差结果；图9是在F=2000mm/min, R=50mm, x/y轴联动圆误差轨迹,其中，图9 Ca)为未采用本发明的摩擦误差补偿方法得到的圆误差结果，图9 (b)为采用本发明模块在摩擦误差补偿模式下的圆误差结果；图10是在F=3000mm/min，R=50mm，x/y轴联动圆误差轨迹，其中，图10 (a)为未摩擦补偿得到的圆误差结果，图10 (b)为采用本发明模块在摩擦误差补偿模式下的圆误差结果O
具体实施例方式本发明的数控机床伺服控制系统摩擦误差补偿方法包括以下步骤I)首先依据用户需求，需设置的摩擦误差补偿模块的参数有最小加速度Accmin、最大加速度Accmax、加速度区间I特征值Accl、加速度区间2特征值Acc2,上述加速度量均为反向点的加速度值、加速度区间I步长数Numl、加速度区间2步长数Num2、加速度区间3步长数Num3、粗学习运动循环次数Coase_num、精学习运动循环次数Fine_num、摩擦误差补偿模块工作模式选择参数Frilearn_flag、摩擦补偿时间Fcompen_time、粗学习摩擦补偿量初始值Fini_value、粗学习摩擦补偿增量CoaFvalue_step、精学习摩擦补偿增量FineFvalue_step,摩擦补偿效果要求值Fricmd ；2)根据输入的相关參数，摩擦误差补偿模块进行摩擦误差补偿模块工作模式选择。如图5所示,如果摩擦误差补偿模块工作模式选择參数Frilearn_flag=0,则进入摩擦误差补偿模式，如果摩擦误差补偿模块工作模式选择參数Frilearn_flag=l,则进入摩擦误差学习模式；3)设置摩擦误差补偿模块工作模式为摩擦误差补偿模式，即摩擦误差补偿模块エ作模式选择參数Frilearn_flag=0。当数控机床运动时,精学习摩擦补偿量函数,依据处于反向点时的加速度值，自动生成精摩擦补偿量。摩擦补偿器依据反向点判别器的输出結果，实现数控机床的高精度摩擦补偿，在此过程中，摩擦补偿效果评价器对摩擦补偿效果进行评价；4)若摩擦补偿效果不满足要求，即摩擦补偿效果要求值Fricmd小于摩擦补偿效果评价器函数值F，则需要根据实际摩擦补偿效果要求，重新设置摩擦误差补偿模块相关參数，并将摩擦误差补偿模块工作模式设置为摩擦误差学习模式即设置Frilearn_flag=l ；5)粗学习器工作开始，数控机床按照特定的正余弦粗学习运动轨迹程序进行运动。该数控机床运动轨迹为正余弦位置轨迹如图2所示，该轨迹加速度幅值等于其反向点处的加速度值即等效走圆位置轨迹时的向心加速度值。其证明过程如下式(I) 一(8)所示。同时，摩擦误差补偿模块采集运动位置指令信号及机床工作台实际运动位置信号；设数控机床X轴其位置轨迹为正弦曲线，表达式为
权利要求
1.一种数控机床伺服系统摩擦误差补偿方法，其特征在于，包括以下步骤 1)首先依据数控机床用户需求，读取摩擦误差补偿模块相关设置参数； 2)根据输入的参数，摩擦误差补偿模块进行模块工作模式选择；摩擦误差补偿模块，通过模块工作模式选择，工作在摩擦误差补偿模式或摩擦误差学习模式下，其中摩擦误差学习模式下，摩擦误差补偿模块通过粗学习器、精学习器、智能函数生成器来生成精学习摩擦补偿量函数；在摩擦误差补偿模式下，摩擦误差补偿模块通过精学习摩擦补偿量函数、摩擦补偿器、反向点判别器、摩擦补偿效果评价器实现数控机床高精度摩擦补偿； 3)设置摩擦误差补偿模块工作模式为摩擦误差补偿模式，当数控机床运动时，精学习摩擦补偿量函数生成精摩擦补偿量，摩擦补偿器依据反向点判别器的输出结果，实现数控机床的高精度摩擦补偿，在此过程中，摩擦补偿效果评价器对摩擦补偿效果进行评价； 4)若摩擦补偿效果不满足要求，根据实际摩擦补偿效果要求，重新设置摩擦误差补偿模块相关参数并将摩擦误差补偿模块工作模式设置为摩擦误差学习模式； 5)设置摩擦误差补偿模块工作模式为摩擦误差学习模式，数控机床按照正余弦粗学习运动轨迹程序进行运动，摩擦误差补偿模块采集的相关运动信号，粗学习器进行相关计算从而得到与反向点加速度对应的最优粗摩擦补偿量数组； 6)在最优粗摩擦补偿量数组的基础上，数控机床按照正余弦精学习运动轨迹程序进行运动，摩擦误差补偿模块采集相关运动信号，精学习器对最优粗摩擦补偿量数组进行相关计算从而得到与反向点加速度对应的最优精摩擦补偿量数组； 7)将步骤6)中得到的最优精摩擦补偿量数组输入到智能函数生成器中，通过相关智能算法自动生成精学习摩擦补偿量函数，摩擦误差学习模式结束； 8)设置摩擦误差补偿模块工作模式为摩擦误差补偿模式，当数控机床运动时，精学习摩擦补偿量函数根据数控机床所处工况自动计算出精摩擦补偿量；摩擦补偿器依据反向点判别器输出的相关信号，将精摩擦补偿量脉冲加入到数控机床相应运动轴伺服控制器速度环速度指令中，从而实现对数控机床伺服系统摩擦误差的高精度补偿； 9)若数控机床运动过程中，摩擦补偿效果不满足实际要求，则重复步骤4)至步骤8)，实现数控机床摩擦误差高精度补偿并满足摩擦误差补偿效果要求。
2.根据权利要求1所述的数控机床伺服系统摩擦误差补偿方法，其特征在于步骤I)中，所述摩擦误差补偿模块相关参数为最小加速度Accmin、最大加速度Accmax、加速度区间I特征值Accl、加速度区间2特征值Acc2，上述加速度量均为反向点的加速度值、加速度区间I步长数Numl、加速度区间2步长数Num2、加速度区间3步长数Num3、粗学习运动循环次数Coase_num、精学习运动循环次数Fine_num、摩擦误差补偿模块工作模式选择参数Frilearn_flag、摩擦补偿时间Fcompen_time、粗学习摩擦补偿量初始值Fini_value、粗学习摩擦补偿增量CoaFvalue_step、精学习摩擦补偿增量FineFvalue_step,摩擦补偿效果要求值Fricmd。
3.根据权利要求1所述的数控机床伺服系统摩擦误差补偿方法，其特征在于步骤2)中，所述摩擦误差补偿模块进行其工作模式选择，如果摩擦误差补偿模块工作模式选择参数Frilearn_flag=0,则进入摩擦误差补偿模式,如果摩擦误差补偿模块工作模式选择参数Frilearn_flag=l,贝U进入摩擦误差学习模式。
4.根据权利要求1所述的数控机床伺服系统摩擦误差补偿方法，其特征在于步骤3)中，当数控机床运动时，精学习摩擦补偿量函数依据机床运动轨迹处于反向点时的加速度值自动计算出精摩擦补偿量。
5.根据权利要求1所述数控机床伺服系统摩擦误差补偿方法，其特征在于步骤5)中，数控机床按照正余弦粗学习运动轨迹程序进行运动时，粗学习器开始工作，反向点判别器依据摩擦误差补偿模块采集的运动位置指令信号，进行反向点判别；当反向点判别器判断出机床运动位置指令处于反向点时，粗摩擦补偿发生器进行粗摩擦补偿，摩擦补偿效果评价器进行摩擦补偿效果评价；当该反向点加速度下的粗摩擦补偿的次数达到粗学习运动循环次数时，粗学习加速度更新器将更新后的加速度值输入到数控机床正余弦粗学习运动轨迹程序中，从而改变数控机床运动轨迹，当数控机床运动轨迹反向点加速度值大于Accmax时，由摩擦补偿效果评价器得到最优摩擦粗补偿量数组，粗学习器结束工作。
6.根据权利要求1所述数控机床伺服系统摩擦误差补偿方法，其特征在于步骤6)中，数控机床按照正余弦精学习运动轨迹程序进行运动时，精学习器开始工作，反向点判别器依据摩擦补偿误差模块采集运动位置指令信号，进行反向点判别；当反向点判别器判断出机床运动位置指令处于反向点时，精摩擦补偿发生器进行精摩擦补偿，摩擦补偿效果评价器进行摩擦补偿效果评价；当该反向点加速度下的精摩擦补偿的次数达到精学习运动循环次数时，精学习加速度更新器将更新后的加速度值输入到数控机床正余弦精学习运动轨迹程序中，从而改变数控机床运动轨迹，当数控机床运动轨迹反向点加速度值大于Accmax时，由摩擦补偿效果评价器得到最优精摩擦补偿量数组，精学习器结束工作。
7.根据权利要求1所述的数控机床伺服系统摩擦误差补偿方法，其特征在于步骤8)中，所述摩擦补偿器依据反向点判别器输出的相关信号，将精摩擦补偿量生成具有正负号的精摩擦补偿量脉冲并将该脉冲加入到数控机床相应运动轴伺服控制器速度环速度指令中，从而实现数控机床伺服系统摩擦误差高精度补偿。
全文摘要
本发明公开了一种数控机床伺服系统摩擦误差补偿方法。该模块具有摩擦误差学习模式与摩擦误差补偿模式。在摩擦误差学习模式下，可自动对数控机床摩擦补偿特性参数进行学习，在摩擦误差补偿模式下，可自动实现数控机床不同工况下的高精度摩擦误差补偿，本发明采用的摩擦误差补偿方法具有摩擦误差补偿精度高、自动智能且无需用户调试经验、便于移植到不同的数控系统中等优点，可明显提高数控机床加工精度及生产效率。
文档编号G05B19/404GK103048949SQ20121056365
公开日2013年4月17日 申请日期2012年12月22日 优先权日2012年12月22日
发明者冯斌, 梅雪松, 孙挪刚, 张东升, 牟恩旭 申请人:西安交通大学