一种测试滚珠丝杠副控制方法性能的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于高度精密传动副控制方法测试系统领域，涉及一种测试滚珠丝杠副控 制方法性能精度的方法。
【背景技术】
[0002] 高速滚珠丝杠副是代表当前世界先进水平的直线运动部件。作为数控机床驱动系 统的执行单元，对保障和提高整个数控机床的加工精度、工作效率和综合性能起着至关重 要的作用。现代数控机床功能的改善、水平的提高、性能的特色，已经以功能部件的创新发 展和提高为保证。而这其中，对于这些重要的功能部件，利用性能优越的控制方法来提高他 们的定位和跟踪精度也是提高数控机床性能的重要组成部分。目前，国内生产的大部分数 控机床中用于以滚珠丝杠副为驱动部件的进给系统的控制方法大多采用传统的PID控制 方法。然而，在实际的加工过程中，实际的系统具有非线性和不确定性的特点，主要体现在 滚珠丝杠副本身就是一个柔性体，并且存在径向跳动误差，而且由于数控机床加工的零件 质量多变，因此系统的质量存在不确定性。其次，对于高速定位系统的定位精度，闭环系统 的带宽是一个最重要的因素，而上述的这些特性会影响系统带宽从而降低定位精度最后导 致数控机床加工精度下降。综上所述，传统的控制方法无法满足高速高精度进给系统的要 求，开发自适应高性能的控制方法，对于提高数控机床整体性能来说非常关键。而控制方法 的实际应用不仅需要理论建模，更离不开实际的测试。
[0003] 目前，虽然有很多滚珠丝杠的性能检测仪，不过主要针对的是检测滚珠丝杠副本 身的性能参数，包括定位精度测试，反向间隙测试，温度测试，噪声测试等等。而针对使用控 制方法性能的测试系统还比较少。
【发明内容】
[0004] 技术问题：本发明提供一种能够实现针对高速滚珠丝杠副控制方法性能测试的测 试滚珠丝杠副控制方法性能的方法。
[0005] 技术方案：本发明的测试滚珠丝杠副控制方法性能的方法，根据测得的跟踪误差 和闭环系统的带宽来衡量控制方法的性能，包括以下步骤：
[0006] 1)选择测试控制方法的跟踪精度，设定工作台运动的速度V、加速度a和最大位移 X来确定工作台的运行轨迹；
[0007] 选择测试控制方法的闭环系统带宽，设定扫频信号的幅值A、起始频率Utl和终止 频率U 1来确定工作台的扫频运动轨迹；
[0008] 2)把工作台位置移动到试验的起始基准点，根据测试需要增加质量块并启动滚珠 丝杠副控制方法，控制工作台按照预设轨迹运行；
[0009] 3)在工作台运行过程中，实时采集光栅尺反馈的工作台直线位移和直线速度，数 据和旋转编码器反馈的滚珠丝杠旋转角位移和角速度数据；
[0010] 4)实时计算得到控制方法的跟踪误差，输出跟踪误差曲线和最大跟踪误差：
[0011] 同时拟合出闭环系统的Bode图，并将所述Bode图中幅频特性曲线下降到一 3分 贝所对应的频率作为闭环系统的带宽；
[0012] 5)根据测试获得的控制方法的跟踪误差和闭环系统带宽对控制方法的性能进行 评价。
[0013] 本发明方法的优选方案中，步骤5)中，按照如下方法对控制方法的性能进行评 价：
[0014] 跟踪误差越小，跟踪精度就越尚，控制方法性能越尚；
[0015] 闭环系统带宽越大，控制系统快速性越好，控制方法性能越高；
[0016] 在加入质量块之后，测试得到的跟踪误差增加越小，则说明控制方法具有更好的 稳定性及鲁棒性，控制方法性能越高。
[0017] 本发明方法的优选方案中，步骤4)中，根据式（1)实时计算得到控制方法的跟踪 误差：
[0018] e = Xref-Xout (1)
[0019] 其中e为系统跟踪误差；Xref为系统输入的直线位移参考值，X _为光栅尺反馈的 工作台直线位移实际值。
[0020] 本发明方法的优选方案中，步骤4)中，根据式（2)，（3)拟合出闭环系统的Bode 图：
【主权项】
1. 一种测试滚珠丝杠副控制方法性能的方法，其特征在于，该方法根据测得的跟踪误 差和闭环系统的带宽来衡量控制方法的性能，包括以下步骤： 1) 选择测试控制方法的跟踪精度，设定工作台运动的速度V、加速度a和最大位移X来 确定工作台的运行轨迹； 选择测试控制方法的闭环系统带宽，设定扫频信号的幅值A、起始频率Otl和终止频率 ω i来确定工作台的扫频运动轨迹； 2) 把工作台位置移动到试验的起始基准点，根据测试需要增加质量块并启动滚珠丝杠 副控制方法，控制工作台按照预设轨迹运行； 3) 在工作台运行过程中，实时采集光栅尺反馈的工作台直线位移和直线速度，数据和 旋转编码器反馈的滚珠丝杠旋转角位移和角速度数据； 4) 实时计算得到控制方法的跟踪误差，输出跟踪误差曲线和最大跟踪误差： 同时拟合出闭环系统的Bode图，并将所述Bode图中幅频特性曲线下降到一 3分贝所 对应的频率作为闭环系统的带宽； 5) 根据测试获得的控制方法的跟踪误差和闭环系统带宽对控制方法的性能进行评价。
2. 根据权利要求1所述的测试滚珠丝杠副控制方法性能的方法，其特征在于，所述步 骤5)中，按照如下方法对控制方法的性能进行评价： 跟踪误差越小，跟踪精度就越尚，控制方法性能越尚； 闭环系统带宽越大，控制系统快速性越好，控制方法性能越高； 在加入质量块之后，测试得到的跟踪误差增加越小，则说明控制方法具有更好的稳定 性及鲁棒性，控制方法性能越高。
3. 根据权利要求1或2所述的测试滚珠丝杠副控制方法性能的方法，其特征在于，所述 步骤4)中，根据式（1)实时计算得到控制方法的跟踪误差： e = Xref_Xout ⑴ 其中e为系统跟踪误差；xMf为系统输入的直线位移参考值，Xtjut为光栅尺反馈的工作 台直线位移实际值。
4. 根据权利要求1或2所述的测试滚珠丝杠副控制方法性能的方法，其特征在于，所述 步骤4)中，根据式（2)，（3)拟合出闭环系统的Bode图：
其中，f为闭环系统的相频，M为闭环系统的幅频，C1为系统输入矩阵的最小二乘解，c 2 为系统输出矩阵的最小二乘解，A为输入扫频信号的幅值。
【专利摘要】一种测试滚珠丝杠副控制方法性能的方法，系统包括测控单元、执行机构和反馈单元，测控单元包括计算机、运动控制器、电机驱动器；执行机构为滚珠丝杠副进给实验台；反馈单元为安装于实验台上的两个旋转编码器和光栅尺。运动控制器计算机和运动控制器实时通信，运动控制器发送控制指令通过电机驱动器控制电机输出转矩，系统通过两个旋转编码器和光栅尺反馈型号组成闭环的控制系统。本系统可实现对不同型号的滚珠丝杠副在不同负载情况下的控制方法性能的测试，通过对控制方法的跟踪精度和系统带宽进行测试来综合的评价该控制方法的性能，测试过程中实时性好，方便快捷，可靠性高。
【IPC分类】G05B23-02
【公开号】CN104731088
【申请号】CN201510156143
【发明人】汤文成, 包达飞, 董亮, 史培捷
【申请人】东南大学
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年4月2日