基于刚度辨识的数控机床进给系统控制参数优化方法
【专利说明】基于刚度辨识的数控机床进给系统控制参数优化方法 【技术领域】
[0001] 本发明属于数控机床控制技术领域，特别涉及一种数控机床进给系统控制参数优 化方法。 【【背景技术】】
[0002] 数控机床加工过程中由于频繁的启停、换向等动作，不可避免地对机械系统各部 件会产生冲击，造成系统各动、静结合部的接触特性发生变化，从而影响其刚度值，此时机 床出厂时设定的伺服控制参数已经不能够保证机床处于最佳的运行状态，因此需对伺服控 制参数进行优化调整。
[0003] 申请号为201410007516. 9的专利申请辨识了系统惯量，得到初始PI参数，根据给 定目标阶跃指令，获取响应曲线的超调量、上升时间及稳态波动三个指标，辨识出系统阶跃 响应曲线的类型，从而调整控制参数。申请号为201310695273. 8的专利申请辨识出速度环 被控对象模型的参数，再根据模型的参数以及性能指标对伺服驱动器的控制参数进行寻优 整定，以获得最优的控制参数。文献（刘栋，数控伺服系统建模分析与基于GA算法参数优 化研宄）中用遗传算法对三环调节器参数进行优化。文献（康亚彪，数控机床伺服系统动 态仿真及参数优化）中用遗传算法和改进的复形法对伺服系统的参数进行优化整定。然而 以上专利或文献并未考虑刚度对系统性能的影响，且提出的性能指标并不能很好的反映数 控机床在运动过程中的精度，以至于整定出的参数并不能使机床运动性能达到最优。 【
【发明内容】
】
[0004] 本发明的目的在于提供一种基于刚度辨识的数控机床进给系统控制参数优化方 法，以克服现有技术的不足。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0006] -种基于刚度辨识的数控机床进给系统控制参数优化方法，包括以下步骤：
[0007] 1)将一种由多段随机时间、随机速度构成的频域幅值为1的运动指令生成G代码 序列输入到数控机床中，对数控机床产生输入激励信号；
[0008] 2)数控机床的工作台运动产生位移响应，采集工作台的时域响应信号；3)将采集 到的时域响应信号进行频域分析，求得数控机床进给系统的频响函数，从而得到一阶反共 振幅值Ai、频率％和一阶共振幅值六2、频率《2;
[0009] 4)查电机手册得到电机转动惯量1，对数据进行分析再处理，利用步骤3)得到幅 值频率得到最终的等效刚度值K0:
[0011] 式中：
[0012] 上为负载转动惯量，其表达式为
[0014] 5)每测得一次刚度值，数控机床都按照统一的位移斜坡测试轨迹指令控制数控机 床伺服系统工作，并实时采集响应数控机床运动位置信息；
[0015] 6)依据测试轨迹指令信息和机床运动位置信息，通过评价指标对数控机床伺服控 制系统动态性能进行综合评价；
[0016] 7)根据一系列控制参数数值组合，调整伺服系统控制参数使其评价指标最小，此 时的控制参数为最优值。
[0017] 优选的，步骤1)所述的一种由多段随机时间、随机速度构成的运动指令的频域幅 值恒为1。
[0018] 优选的，所述的步骤2)中采集工作台的时域响应信号和步骤5)中实时采集响应 数控机床运动位置信息由激光干涉仪完成。
[0019] 优选的，所述的步骤4)由数据分析模块完成。
[0020] 优选的，步骤6)中，所述评价指标为位移稳态误差均方根值、速度稳态误差均方 根值和加速度稳态误差均方根值的加权求和E，其表达式如下式（1-7)所示：
[0022] 式中-激光干涉仪采集的工作台实际位移值；
[0023] xait-机床当前运动轴的指令位置；
[0024] v实际一工作台实际速度值；
[0025] vait-机床当前运动轴的指令速度；
[0026] -工作台实际加速度值；
[0027] aait-机床当前运动轴的理论加速度；
[0028] Ai-位移稳态误差均方根值权重系数；
[0029] 速度稳态误差均方根值权重系数；
[0030] a3-加速度稳态误差均方根值权重系数；
[0031] B0 -进给系统等效阻尼。
[0032] 优选的，步骤3)中采用峰值拾取法将采集到的时域响应信号进行频域分析。
[0033] 步骤1)中"运动指令"信号即输入信号的频域幅值恒为1，则对输出信号进行频域 分析就是系统的频响函数；且运动指令应尽可能随机并且具有足够高的能量，以便能够激 励起系统的模态。
[0034] 步骤6)中，所述评价指标为位移稳态误差均方根值、速度稳态误差均方根值和加 速度稳态误差均方根值的加权求和。
[0035] 相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
[0036] (1)本发明提出了一种新的辨识伺服进给系统刚度的方法，可以实现数控机床现 场方便准确快捷地对进给系统刚度的辨识。
[0037] (2)同本发明提出的评价机床性能的指标能够很好地反映机床的动态特性，此机 床性能指标能够为参数优化提供依据。 【【附图说明】】
[0038]图1为基于刚度辨识的进给系统控制参数优化框图；
[0039]图2为数控机床频域幅值恒为1的激励输入速度-时间曲线；
[0040] 图3为伺服进给系统频响函数示意图；
[0041] 图4为测试轨迹指令图；其中图4(a)为时间-位移图；图4(b)为时间-速度图；
[0042] 图5为评价指标与控制参数关系图。 【【具体实施方式】】
[0043] 请参阅图1至图5所示，本发明一种基于刚度辨识的数控机床进给系统控制参数 优化方法，包括以下步骤：
[0044] 1)将一种由多段随机时间、随机速度构成的、频域幅值为1的运动指令生成G代 码序列输入到数控机床中，对其产生输入激励信号；2)工作台运动产生位移响应，采集工 作台的时域响应信号；3)用峰值拾取法将采集到的时域响应信号进行频域分析，求得系统 的频响函数，从而求得一阶反共振幅值、频率和一阶共振幅值、频率；4)查电机手册得到电 机转动惯量1，对数据进行分析再处理，利用步骤3)得到的幅值频率得到最终的等效刚度 值；5)每测得一次等效刚度值