一种伺服刀架的锁紧控制方法及系统与流程

本发明属于伺服电机控制领域，具体涉及一种伺服刀架的锁紧控制方法及系统。

背景技术：

随着信息技术的高速发展和人类对机器人依赖性的不断增强，人机的交互能力受到广泛的重视。而对于现有的刀架驱动系统，主要由一台伺服电机和齿轮减速机构构成。伺服驱动器控制电机转动而产生的扭矩经过减速比一定的齿轮组传递到刀盘，驱动刀盘实现正向或反向旋转。此外，由于伺服电机自带编码器的粗略定位和精密端齿盘的精确定位作用，能够保证比较高的换刀定位精度和重复定位精度。由于结构简单，成本经济，采用此种驱动系统的刀架广泛运用于车铣复合加工中心。但是现在的相关研究方法存在着一些明显的不足。

动力刀架主要由动齿盘与定齿盘这两个零件参与主要运作。其精度决定刀架性能的好坏。而在实际使用过程中，由于驱动齿轮传动误差，刀架盘的尺寸误差，定齿盘安装误差导致，动齿盘和定齿盘的齿轮在啮合之前不可能完全中心线对齐，导致啮合过程中容易齿顶互相碰撞导致齿盘的磨损，严重影响齿盘的使用寿命和刀架的精确定位。对于大惯量的刀盘，其液压驱动系统功率就需要很大，所以依靠齿顶碰撞啮合方式的齿盘研磨的损伤就更大。传统的做法都采用单核形式，即单处理的架构，将刀架控制和伺服电机控制做在一起，对处理器器的运算性能要求很高，另外由于控制过程复杂，不利于伺服电机控制算法的提高。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种算法实施的效率高，且可减少齿盘研磨的损伤的伺服刀架的锁紧控制方法及系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种伺服刀架的锁紧控制方法，包括以下步骤：

步骤s1、刀架控制器接收换刀指令并根据指令计算得到换刀位移，并将换刀位移数据发送给伺服电机控制器，伺服电机控制器控制动齿盘转动进行换刀，到达换刀位移后，换刀完成；

步骤s2、伺服电机控制器通过输出力矩输出值ti控制动齿盘与静齿盘啮合；

步骤s3、伺服电机控制器计算力矩变化值dti，并将力矩变化值dti和伺服电机实时参数一起传给刀架控制器，刀架控制器根据力矩变化值dti确定dsm并将位置调整量dsm发送给伺服电机控制器；

步骤s4、伺服电机控制器利用位置调整量dsm、伺服电机实时的转动位置反馈值sf和预设目的位置scmd，根据位置环控制算法，计算得到速度输出值vref；

步骤s5、利用速度输出值vref、伺服电机实时的转动速度反馈值vfdb，根据速度环控制算法，计算得到新的力矩输出值ti，并转入步骤s2。

进一步的，所述步骤s3中，计算力矩变化值dti的公式为dti＝pn*ψn*diiq，其中，diiq为电机定子绕组的q轴电流变化值，pn为电机对数级数，ψn为永磁体产生的磁链，计算dsm的方法为利用公式dsm＝x·dti³，同向输出位置调整量dsm，其中x为系数。

进一步的，所述步骤s4中，所述位置环控制算法具体包括以下步骤：

步骤s4.1、采集当前位置调整量dsm和伺服电机实时的转动位置反馈值sf；

步骤s4.2、利用公式e1(k)＝scmd-dsm-sf计算位移差值e1(k)；

步骤s4.3、根据pid控制算法，利用e1(k)计算得到速度控制量u1(k),将速度控制量u1(k)进行转换即得到了速度输出值vref。

进一步的，所述步骤s5中，所述速度环控制算法具体包括以下步骤：

步骤s5.1、采集速度输出值vref和伺服电机实时的转动速度反馈值vfdb；

步骤s5.2、利用公式e2(k)＝vref-vfdb计算速度差值e2(k)；

步骤s5.3、根据pid控制算法，利用e2(k)计算得到电流控制量u2(k),将电流控制量u2(k)进行转换即得到了电流输出值iref；

步骤s5.4、采集伺服电机实时的转动电流反馈值ifdb和力矩输出值ti对应的初始电流值iti；

步骤s5.5、利用公式e3(k)＝iref-ifdb-iti计算电流差值e3(k)；

步骤s5.6、根据pid控制算法，利用e3(k)计算得到力矩控制量u3(k),将力矩控制量u3(k)进行转换即得到了新的力矩输出值ti。

一种伺服刀架的锁紧控制系统，包括刀架控制器和伺服电机控制器；

所述刀架控制器用于接收换刀指令并根据指令计算得到换刀位移，并将换刀位移数据发送给伺服电机控制器，以及根据力矩变化值dti计算位置调整量dsm并将位置调整量dsm发送给伺服电机控制器；

所述伺服电机控制器用于按照换刀位移进行换刀，换刀完成后按照力矩输出值ti控制动齿盘与静齿盘啮合，以及根据伺服电机的实时参数数据计算力矩变化值dti，并将力矩变化值dti和伺服电机的实时参数发送给刀架控制器，以及利用位置调整量dsm、伺服电机实时的转动位置反馈值sf和预设目的位置scmd，根据位置环控制算法，计算得到速度输出值vref，利用速度输出值vref、伺服电机实时的转动速度反馈值vfdb，根据速度环控制算法，计算得到新的力矩输出值ti，并按照新的力矩输出值ti控制动齿盘转动。

本发明的有益效果为：本发明将刀架复杂的控制过程分摊到两个处理器协同处理，可提高算法实施的效率，降低控制和运算难度，减少齿盘研磨的损伤，并将位置环控制算法中的位置输入值加入位置调整量dsm，通过调整dsm的输入，保证啮合力恒定并小于一个限定值，起到降低摩擦保护齿盘的目的。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图；

图2为本发明的系统连接示意图；

图3为加工流程示意图；

图4为动齿盘和静齿盘的啮合面受力分解示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，一种伺服刀架的锁紧控制方法，包括以下步骤：

步骤s1、刀架控制器接收换刀指令并根据指令计算得到换刀位移，并将换刀位移数据发送给伺服电机控制器，伺服电机控制器控制动齿盘转动进行换刀，到达换刀位移后，换刀完成；

步骤s2、伺服电机控制器通过输出力矩输出值ti控制动齿盘与静齿盘啮合；

步骤s3、伺服电机控制器计算力矩变化值dti，并将力矩变化值dti和伺服电机实时参数一起传给刀架控制器，刀架控制器根据力矩变化值dti确定dsm并将位置调整量dsm发送给伺服电机控制器；

所述步骤s3中，计算力矩变化值dti的公式为dti＝pn*ψn*diiq，其中，diiq为电机定子绕组的q轴电流变化值，pn为电机对数级数，ψn为永磁体产生的磁链，计算dsm的方法为利用公式dsm＝x·dti³，同向输出位置调整量dsm，其中x为系数。

步骤s4、伺服电机控制器利用位置调整量dsm、伺服电机实时的转动位置反馈值sf和预设目的位置scmd，根据位置环控制算法，计算得到速度输出值vref；

所述步骤s4中，所述位置环控制算法具体包括以下步骤：

步骤s4.1、采集当前位置调整量dsm和伺服电机实时的转动位置反馈值sf；

步骤s4.2、利用公式e1(k)＝scmd-dsm-sf计算位移差值e1(k)；

步骤s4.3、根据pid控制算法，利用e1(k)计算得到速度控制量u1(k),将速度控制量u1(k)进行转换即得到了速度输出值vref。

步骤s5、利用速度输出值vref、伺服电机实时的转动速度反馈值vfdb，根据速度环控制算法，计算得到新的力矩输出值ti，并转入步骤s2。

所述步骤s5中，所述速度环控制算法具体包括以下步骤：

步骤s5.1、采集速度输出值vref和伺服电机实时的转动速度反馈值vfdb；

步骤s5.2、利用公式e2(k)＝vref-vfdb计算速度差值e2(k)；

步骤s5.3、根据pid控制算法，利用e2(k)计算得到电流控制量u2(k),将电流控制量u2(k)进行转换即得到了电流输出值iref；

步骤s5.4、采集伺服电机实时的转动电流反馈值ifdb和力矩输出值ti对应的初始电流值iti；

步骤s5.5、利用公式e3(k)＝iref-ifdb-iti计算电流差值e3(k)；

步骤s5.6、根据pid控制算法，利用e3(k)计算得到力矩控制量u3(k),将力矩控制量u3(k)进行转换即得到了新的力矩输出值ti。

一种伺服刀架的锁紧控制系统，包括刀架控制器和伺服电机控制器；

所述刀架控制器用于接收换刀指令并根据指令计算得到换刀位移，并将换刀位移数据发送给伺服电机控制器，以及根据力矩变化值dti计算位置调整量dsm并将位置调整量dsm发送给伺服电机控制器；

所述伺服电机控制器用于按照换刀位移进行换刀，换刀完成后按照力矩输出值ti控制动齿盘与静齿盘啮合，以及根据伺服电机的实时参数数据计算力矩变化值dti，并将力矩变化值dti和伺服电机的实时参数发送给刀架控制器，以及利用位置调整量dsm、伺服电机实时的转动位置反馈值sf和预设目的位置scmd，根据位置环控制算法，计算得到速度输出值vref，利用速度输出值vref、伺服电机实时的转动速度反馈值vfdb，根据速度环控制算法，计算得到新的力矩输出值ti，并按照新的力矩输出值ti控制动齿盘与静齿盘啮合。

伺服刀架工作过程为：当接收换刀指令后，控制静齿盘和动齿盘分离，刀架控制的处理器计算出到达目标工位的最佳路径，用来确定主轴正传还是反转。然后通过减速齿轮机构，伺服电机驱动主轴旋转，完成换刀动作，换刀的同时完成粗定位。然后，静齿盘和动齿盘啮合，啮合过程中，动齿盘的驱动力矩循环反复的根据齿盘的受力反馈进行更新，使齿盘之间的啮合力一直在不磨损齿盘的范围内，直到端齿盘完全闭合，完成精定位，一个换刀过程完毕。电机或者电主轴旋转，开始进行切削加工。加工流程如图3所示。

在动齿盘与静齿盘啮合的过程中，力矩输出值ti和啮合力nf的关系为：ti＝k*nf*sinα，其中，k是系数，不同的机械连接方式得到不同的系数，α是nf与力矩作用的角度，由此可见啮合力与伺服电机力矩输出值ti成正比关系。

将作用于作用在齿盘上的力nf进行分解，如图4所示，nfp是垂直齿槽面的力，nfq是槽面的摩擦力，因此nfp必须限制在一定范围之内。

在端齿盘闭合的过程中，先给定静止的电机一个很小的初始力矩输出值ti，此刻电机定子绕组q轴的电流iq，电机编码器的位置pq已知。液压系统驱动锁紧齿盘，使得动齿盘向定齿盘闭合，齿槽啮合的过程中，齿槽面产生碰撞阻力nfp，电机感应到碰撞阻力，输出力矩ti必然会发生变化，设力矩变化值为dti，实时检测dti变化的大小和方向，根据dti的方向，利用公式dsm＝x·dti³，同向输出位置调整量dsm，其中x为系数，根据经验确定，一般可取1、1.2或0.8。

力矩变化值dti＝pn*ψn*diiq，其中pn是电机机对级数，ψn是永磁体产生的磁链，diiq是电机定子绕组的q轴电流变化。

pn和ψn都是常量，所以力矩变化量输出只跟定子绕组的q轴变化的电流diiq有关。通过采样定子绕组的q轴的矢量电流的变化方向就能够判断齿槽啮合中齿面受力的方向，向受力相同的方向输出一个位置调整量dsm。

预设目的位置scmd为给定值，以伺服电机实时的转动位置反馈值sf和位置调整量dsm为输入值，做位置环pi运算调节。

离散化pid控制算式为：

其中，k为控制周期序号，k＝0，1，2…；kp、ki、kd分别表示比例、积分、微分系数。在实际中，若执行机构需要的是控制量的增量，根据递堆原理可得增量式pid控制算式为：

δu(k)＝kpδe(k)+kie(k)+

kd〔δe(k)-δp(k-l)〕

其中

δe(k)＝e(k)-e(k-1)

经过位置pid模块，速度和力矩控制pid模块，得到新的力矩输出值ti，然后再利用新的力矩输出值ti作为下一周期的力矩输入值，进入下一周期后，再次重复上述过程，循环进行，根据位置调整量dsm对ti进行多次更新，以控制齿盘啮合的力nf在很小范围之内，而这个力不足以磨损齿盘，因此起到保护齿顶，降低刚性磨损的目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。