专利名称：用于机床的位置控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于机床的位置控制装置，例如是一种表面安装器件(SMD)安装器；更具体地是涉及一种改进的用于机床的位置控制装置，它可以根据寻优计算算法、估算头架移动的位置和为导引和移动头架的导引机构的摩擦力使头架在尽可能短的时间的到达所需的位置。
图1中所示为用于SMD安装器的X-Y工作台结构。如图中所示，在该X-Y工作台中包括；第一驱动电极103，用于通过旋转其上安装有头架机构101的第二滚珠丝杠105-2来使头架机构101进行水平移动；借助于旋转第二滚珠丝杠105-1来使头架机构101作垂直移动的第二驱动电机102；用于驱动第一与第二驱动电机103、102的驱动器107；用于检测第一、第二驱动电机103、102的转动的转动检测器104；用于检测头架机构101的移动的位置检测器108；以及用于接收从位置检测器108输出的信号并向驱动器107输出控制信号(CS)以控制对第一与第二驱动电机103、102的驱动的位置控制器109。
现将用于机床的位置控制装置的运行详述如下当将一器件往线路板(未示出)上安装时，位置控制器109将控制信号输出至驱动器107，后者根据控制信号(CS)向第一、第二驱动电机103、102输出受控的电流与电压。转动与第一和第二驱动电机103、102的转动相配的滚珠丝杠105-2、105-1结果使头架101移动至器件供应处所在位置以便头架接纳该器件。
随后当来自位置控制器109的控制信号(CS)被输出后，上述运行过程重复以使头架机构101移至器件将被安装的线路板上方的位置。
当头架机构101移动时，第一与第二驱动电机103、102的转动被转动检测器104所检测，而位置检测器108对来自转动检测器104的输出脉冲信号进行计数以检测出头架101的位置。位置控制器109判断头架101的移动速度以控制驱动器107并将头架机构101移向所要求的位置。
图2中的图表显示出头架101的垂直与水平移动距离相对于时间的关系头架机构101从1024μm位置处起始沿一轴线分别运动至200,000μm、150,000μm与150,010μm的位置处然后返回到1024μm的位置上。
在位置控制机构运行中最重要的因素是要使头架机构101在尽可能的时间内运行至所期望的位置。
因此，即使增加驱动电机的速度，但由于头架通过期望的位置过量而产生位置误差且因为还必须再控制该位置误差，而使头架机构不能在所期望的短时间内无误差地移动到预定位置。
另外，在滚珠丝杠105-2与头架机构101的接触部存在有摩擦。摩擦力的工作特性随摩擦表面的状态、载荷的变化及润滑剂明显地改变。
制动系统中摩擦力是基本的品质，但在伺服控制系统中却不必要，具体地说，在要求高精度的机床中它是最不利的因素之一。
例如，除非考虑在伺服控制系统中的两个客体之间由相对速度的非线性函数表现的摩擦力，否则在客体运动和停止时就会产生稳态误差和滞附及滑动现象。
故本发明的主要目的是采用一种寻优的计算算法在产生模糊(fuxxy)调节后执行比例导数控制来实现最优的控制。
本发明的另一个目的是按寻优计算法估算摩擦力的动力学参数以补偿摩擦力，从而增强位移控制的效果。
为达到上述目的，提供了一种用于机床的改进的位置控制机构，它包括接收来自系统的输出信号及按照寻优计算算法输出模糊补偿信号的前置机构模糊补偿器；用于接收模糊补偿输出信号和来自系统的输出信号并执行比例导数控制的比例导数控制器；用于接收来自系统以操作与摩擦力相应的参数的输出信号并按寻优计算算法得到的参数估算系统的摩擦力并对其进行补偿的摩擦补偿器；以及将从摩擦补偿器输出的期望力矩值乘以预定的系数以得到控制信号并将该信号送往系统的执行器。
摩擦补偿器包括用于接收来自系统的输出信号和估算摩擦参数的参数估算机构；用于比较按估算参数所定的摩擦力计算而得的系统输出和系统实际输出并按寻优计算算法输出用以减少根据比较结果所得的误差的信号的摩擦控制器。
本发明将通过下面的详述和仅作描述之用的附图而变得更能够充分被理解，而它们并不作为对本发明的限定，其中
图1是现有技术的在SMD安装器上所用的X-Y工作台的构造；图2是显示图1中的头架的垂直或水平的线性运动距离与时间之间关系的图表；图3是本发明的位置控制器的第一实例的结构简图；图4是图3中的模糊调节的适配函数M图形；图5是图3中的前置机构模糊补偿器的计算调节图表；图6是本发明的位置控制机构的第二实施例的结构简图；图7是查看图3的前置机构补偿器的调节的寻优程序与寻优策略的流程图；图8是设定图3的前置机构补偿器的调节的普通计算法的流程图。
本发明现将参照附图加以详细描述图3是按本发明第一个实例的位置控制装置的概略示意图，其中指出的系统240指示除图1中的位置控制器109以外的其余部分，故输出信号yp(K)表示位置探测器108的输出。
正如在该图中所示，本发明的位置控制装置包括前置机构模糊补偿器210，它用于在从输入信号ym(k)得到误差(e)和误差变化率Δe(k)与从系统240得到输出信号yp(K)之后按照寻优计算算法来输出模糊补偿信号Ym′(K)；一比例导数控制器220它在得到从前置机构补偿器210的输信号ym′(K)；中得到的误差e′(K)与从系统240得到的输出信号yp(K)之后，执行比例导数控制并输出所需的转矩值v(K)；一执行器230它把所合意的转矩值v(K)乘以预定系数得到控制信号Du(K)并将其输出至系统240。
前置单元模糊补偿器210包括一第一减法器211；它用来获得输入信号ym(K)与来自系统240的输出信号yp(K)之间的误差值e(K)，一模糊控制器212，它在确定误差e(K)的变化率Δe(K)之后按寻优计算算法进行模糊控制并输出补偿信号μ(K)；一延时器214，用于延迟模糊控制器212的补偿值μ(K)；一第一加法器215用来将自模糊控制器212的补偿值μ(K)加到被延时器214延时的补偿值μ(K-1)上；一第二加法器213，用来将自第一加法器215的输出与输入信号ym(K)加到一起输出补偿信号ym′(K)至比例导数控制器220。
比例导数控制器220包括一第二减法器221，用于获得来自系统240的输出信号yp(K)与来自前置单元补偿器210的补偿信号ym′(K)之间的误差值e′(K)；一放大器224，用于把补偿信号ym′(K)乘于一增益(K1)；一比例微分器222，用于通过执行比例导数控制得到来自误差e′(K)的误差变化率Δe′(K)与控制信号C[e′(K)、Δe′(K)]；以及一第三加法器223，它用于把来自放大器224的输出Klym′(K)加到控制信号C[e′(K)、Δe′(K)]上以得到用于位置控制的所需的转矩值v(K)。
现将本发明的位置控制装置的操作详述如下从系统240发出一个输出信号yp(K)，该信号对应于第一与第二驱动电机103、102的驱动信号。上述信号被回馈并输入前置单元补偿器210中的第一减法器211与在比例导数控制器220中的第二减法器。
从前置单元模糊补偿器210中的计算器211获得的是在输入信号ym(K)与来自系统的输出信号yp(K)之间与希望值相应的指令信号的误差(ym-yp)。
模糊控制器212获得在误差e(K)与前一个取样周期所获误差e(K-1)间的变化率Δe(K)＝(e(K)-e(K-1))，从而通过用下述模糊控制规则执行计算时获得补偿值μ(K)。
μ(k)＝F[e(k)，Δe(k)]上述的模糊控制规则包括一变成模糊的过程，一模糊逻辑判断过程与一非模糊过程。其中模糊逻辑判断过程包括前后两个部分，该两个部分由一条规则连接。
按照本发明，在前部分设定了七种语言变量(L)如下L＝{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}适应函数(M)也设定如下并示于图4M＝{MNB，MNM，MNS，MZO，MPS，MPM，MPB}其中N表示负、P为正、B为大、M为中，S为小而ZO为零。
首先，变成模糊的过程是误差e(K)与变化率Δe(K)被向语言变量赋值的过程，按照语言变量(1)(1∈L)与相关的适应函数(M1)，设定输入(e(K)、Δe(K))为下述变量(ne(1)，nΔe(1))。此处Ce与CΔe表示乘法因子
ne(l)＝M1(Cee(k)nΔe(l)＝M1(CΔeΔe(k))随后，在模糊逻辑判断过程中，模糊规则的设定是由R＝{R1，R2，…R49}表示，而每条规则Ri，i＝1，…49被表示成(NS，PS，μi)，采用与le，lΔe，lμ∈L相应的三种语言变量是(le，lΔe，1μ)。如图5所示，前置机构模糊补偿器210的规则由给定的对于每个μi的实数随机值来确定。
该规则的表达如“如果e(K)是Le而Δe(K))是lΔe，则μi是lμ”。
每条规则Ri＝(le，lΔe，lμ)被表示或为下述带有给定输入e(K)和eΔ(K)的函数Pi[e(K)、eΔ(K)]Pi＝[e(k)，Δe(k)]＝min(ne(le)，nΔe(lΔe))函数Pi，i＝1…，49组合得到下述整函数(q)q(e(k)，Δe(k)，μ)＝max(P1(e(k)，Δe(k)，μ1)，... P49(e(k)，Δe(k)，μ49))非模糊过程是将模糊逻辑判断过程的结果变化成一实际输出以得到以下述等式表示的输出函数F，其中CF表示一乘法因子。F[e(k),Δe(k)]=CFΣi=149μiq(e(k),Δe(k),μi)Σi=149q(e(k),Δe(k),μi)]]>从模糊控制器212中获得的补偿值μ(K)在延时器214中延迟一段取样时间，在第一加法器215中被延时的补偿值μ(K-1)被加到下一个补偿值F[e(K)，Δe(K)]上以输出一个如下的新的补偿值μ(k)＝F[e(k)，Δe(k)]+μ(k-1)在第二加法器213中补偿值[μ(K)]被加到输入信号ym上以输出一个输出量ym′(K)，该量是从前置单元模糊补偿器210输出的一个模糊补偿输出信号ym′(k)＝ym(k)+μ(k)在比例导数控制器220中的第二减法器221中模糊补偿输出信号ym′(K)被加入到来自系统240的输出信号yp(K)以得到误差e′(K)。
比例微分器222从前误差e′(K-1)获得误差e′(K)的变化率Δe′(K)(e′(K)-e(K-1))并通过执行比例导数据控制来获得下列控制信号C[e′(K)，Δe′(K)]C[e′(k)，Δe′(k)]＝Kpe′(k)+KPΔe′(k)此处，按照位置误差的大小，借助于“增益调度”技术将比例微分器222的系数转换成预定值来用于精确控制。
在放大器224中将信号ym′(K)乘以增益(K1)，而在第三加法器223中控制信号[e′(K)，Δe′(K)]被加到从放大器224输出的信号Klym′(K)以输出一个期望的转矩值v(K)v(k)＝Klym′(k)+C[e′(k)，Δe，(k)]期望的转矩值v(K)被提供给了执行器230并在其中与系数(D)相乘以得到并向系统240输出一个控制信号Dv(K)。随后图1中的驱动器107对第一与第二驱动电机103、102加以控制由此使头架101移向期望的位置。
现参见图7、8，借助于采用包括普通算法、寻优策略、及寻优程序的寻优计算算法通过模糊逻辑判断的过程设定模糊规则的方法将详述如下首先，在第一步(S1)中，初始化第一个体(亲本)的矢量即产生一个具有后继部分μi，Ai∈{1，…49}的值的矢量
Ai∈(1，…，N)个体变元Xi＝[μ1，μ2，…，μ49]T。此时矢量
在寻优程序或寻优策略的情况下具有一个实数值，而在普通算法的情况下是表示为与二进制数相当值的字符串。
在第二步(S2)中，得到了作为全部矢量的计分的每个个体变元的的误差的总和(φ)。每个个体变元Xi，Ai∈{1，…，N}的适配计数在寻优程序或寻优策略的情况下根据适配函数
计算，而在普通算法的情况下采用适配函数 的倒数来计算出适配数。φ(Xi)→=Σk(ym(k)-Yp(Xi→,k))2]]>此处当采用个体变元 ，Ai∈{1，…N}作为前置机构补偿器210的规则时，YP( ，K)是来自系统的输出，而Ym(K)则为一个标准输出。
在第三步S(3)中，在第一步(S1)中产生的初始个体变元作用起亲体来产生子辈。
即，从亲体个体变元 ， Ai∈{1，…N}产生出子辈 i)，Ai∈{1，…N}。
在寻优程序和寻优策略的情况下子辈借助于如下将随机值加在亲体个体变元上来产生X→i′(j)=Xi→(j)+σi→(j)Nj(0,1)]]>σi′→(j)=σi→(j)exp(τ′)N(0,1)+τNj(0,1))∀i∈{1,…,N}]]>此处 是每个矢量 的第j项。
N(0，1)表示具有一平均值“0”与一标准偏导数值“1”的一维高斯概率变量，而Nj(0，1)值是在计算出j项时得出的值，而τ与τ′分别为 与 在普通算法的情况下，使用一个用于切断具有适当概率的亲体个体字符串的适当点并将其与另一亲体个体交换的交叉(Crossover)和用于在一适当概率中触发一个以上的二进制数的变异技术来产生子辈。
在第四步中，采用在第三步(S3)中所产生的子辈作为个体，矢量的计数如同第二步(S2)一样执行。
在第五步中，按照与从第四步(S4)中所得到的相应于每个子辈与亲体的计数计算出胜数(number of wins)。
在寻优程序的情况下，每个胜数被计算，而当具有小的计分的目标作为随计分的对照目标的可能的选择的胜数被计算，在寻优策略的情况下胜数的计算是借助于对除对应目标(S75)处相应的所有个体S的计分的比较而进行的。
在普通算法的情况下，计数的倒数对应于整体个体而获得，然后获得倒数的总和。随后获得对应于相应的计分的倒数和整数(S85)的倒数的总和的变率。
在第六步中，在寻优程序与寻优策略的条件下，按照第五步(S75)的结果所有的个体S都被按约选出一半的胜数依序安排(S76)，在寻优算法的情况下，选择个体以便按比例于由上步得到的变率(S86)的概率产生子辈。
在第七步中(S7)中，在判断在第六步(S76)(S86)中所选的个体是否满意。结果如果满意则步骤结束，否则就重复第三步(S3)直至得到满意的个体，第三步再重复。
随后，当在图1中的头架101移动而在运动件与导轨间产生摩擦力时，采用寻优计算算法以估算摩擦力的动力参数，使用动力参数来补偿摩擦力的装置现将参照图6加以详述。
图6是按本发明第二个实施例的位置控制装置的概略示意图，其中相对于图3中的装置增添摩擦补偿器250。
摩擦补偿器250包括用于估算摩擦参数的参数估算器251以及用于比较由估算参数确定的摩擦力在系统中计算而得的输出与系统中的实际输出来输出用于降低由比较结果而产生的误差的信号的摩擦控制器252。
除摩擦补偿器250以外的其余元件的操作与图3中所述相同。所以现仅描述摩擦补偿器的运行。
首先，在头架机构101作水平或垂直运动时，相关于任意运动轴的运动方程设定如下
此处m表示-当量质量，x表示位移，Fu(t)为控制输入，而Ff(·)为摩擦力。
摩擦力Ff(·)模拟静摩擦、库仑摩擦和粘性摩擦，但按本发明的摩擦模式具有七个参数，其中结合了在润滑工程中的与许多研究等同的摩擦力的特征。
首先，当无摩擦时，在两个物体间存在的弹性力所引起的物理现象被称作前滑移，此时摩擦力可表示如下Ff(x)＝ktx当物体移动时即当滑移开始产生时方程可表示如下Ff(x.,t)=(Fc+Fv|x.|+Fs(γ,t2)11+(x(t-τL)x.s)2sgn(x.))]]>此处Fs(γ，t2)表示一上升的静摩擦，而它可以表示如下Fs(γ,t2)=Fs′a-(Fs′∞-Fs′a)t2t2+γ]]>Fc表示库仑摩擦，Fγ是粘性摩擦，Fs是斯氏(Stribeck)摩擦，而Fs，a是在先前步骤中静力矩的斯氏摩擦Fs，∞是在一长期的静止状态后的斯氏摩擦，Kt是在静状态下的刚性，Xs是斯氏摩擦的特征速度，τL是摩擦延迟时间，γ 是增强静摩擦参数，t2是保持(dwell)时间，而X是相对位移。
对于在模式中采用的多个参数，下述七个参数是估算的Fc,Fv,Fs,∞,kz,x.s,τL,γ]]>八个参数包括系统的当量质量(m)与七个估算参数成为参数矢量Zz=[m,Fc,Fv,Fs,∞,kz,x.s,τi,γ]T,z∈IR8]]>这样就描述了参数估算机构的运行，采用寻优计算算法来减少估算误差的摩擦控制器252的运行将详述如下估算误差(ep)来自估算参数矢量Z，其定义如下ep(z→,ti)=xp(z→,ti)-xm(z→^,ti),i=1,2,…,N8]]>此处Ns表示取样的总数，Xp(
，ti)是在带有作为变量的参数矢量Z的取样时间ti后系统的实际输出。而Xm(
，ti)表示具有用作变量的参数矢量Z的估算参数所确定的数学模式的输出。
Ns取样必须被收集，使每个参数的特征可以清楚地显示。参数Fc、Fr、Fs，∞、Xs是与速度有密切关系的参数，而为了反射这些参数，必须在数据位于其各不相同的固定速度下将它们试验性地收集起来，在数据的收集过程中需要存在运动与静止状态以得到在一段保持时间内与一特性曲线相对应的参数。按估算误差(ep)确定寻优函数
如下Je(z→^)=Σi=1Nsep2(z→^,ti)]]>作为缩小寻优函数
的最佳方法采用了一种寻优计算算法，这是与在前机构补偿器210中的模糊控制器212中采用的方法相同。现参照图7与8对该方法加以详述。
首先，在第一步(S1)中，随机地定出Np矢量以形成初始个体变量。
在第二步(S2)中，相应在第一步(S1)中产生的亲体个体，每个寻优函数使用取以计分给定寻优样本来进行计算。此处寻优样本包括通过若干次试验取得的数据和通过数学计算得到的数据。
在第三步(S3)中从Np体个体S借助变异技术产生Np子辈个体S，并在寻优程序中可表示如下σi=βJs(z→^i)]]>z→i′=z→i+N(0,σi),i=1,…,NP]]>此处σi表示标准的相对于寻优函数值的偏移比例，而N(0，σi)指示平均值为“0”而σi是具有高斯概率分布的随机数。
上述方程意味着当位于来自系统的输出与数学计算的误差之间的输出误差值较大时，随机数的变化范围展宽，其结果是从现在的亲体个体产生不同的子辈的概率较高。
在使用寻优策略时，采用具有下述方程的变异算法σ′i＝σiexp(τ′N(0，1)+τNi(0，1))z→i′=z→i+σiN(0,1),I=1,…,Np]]>
此处N(0，1)作为取决于σi的大小的比例常数意味着平均值为“0”和标准偏差为“1”。
随后在第四步(S4)中，借助于与在第三步中产生的子辈个体S相关的给定寻优样本对每个寻优函数进行计算和计分。
在第五与第六步中在采用寻优策略时，在选用具有与2Np个体S相关依次配置的最小寻优函数的优良Np个体时得到一新的世代，而在采用寻优程序时，当寻优函数值随机预定个体相比为小而该小值被设定作“胜”以计算每个乘法因子(S75)时，具有多次获胜的个体被选用构成一新的世代(S76)。
在采用普通算法时，与每个个体的寻优函数的总和相应的每个个体的寻优函数的大小范围成比例地选出的概率被决定(S85)，根据上述概率选出一个个体以形成子辈的新的世代(S86)，从而作为新世代的优良个体被选出。
在第七步中，在步骤6(S76，S86)中被选出的个体被加以判断看其是否令人满意。在满意时步骤结束，而在不满意时就重复步骤3(S3)直至得到满意的个体。
如在上文中所详述的，在比例-导数控制器220中的第二个加法器225被输入-用于减小最小误差的信号以抵消摩擦。
这样，最终提供给系统的控制输入Du(K)，是由比例-导数控制输入与摩擦-补偿控制输入之和产生。
如上文中所详述的，本发明借助于在寻优计算中产生的模糊调节来进行位置控制并在寻优计算中借助于估算摩擦在短时间内执行精确的位置控制。
进一步地，按本发明可以用一般的控制输入技术来代替比例一导数控制输入Du(K)向系统输入；例如像被广泛地应用于工业的比例控制、比例一导数控制或比例-导数-积分控制的一般反馈控制技术，或是例如是自适应控制的现代控制技术，或是可变结构控制。所以摩擦补偿器可被用于各种一般的控制机构中，这使它可以得到广泛的应用。
虽然为描述本发明而公开了一些最佳实例，但本专业的普通技术人员可以理解在权利要求书中所列举的本发明的界限和精神的范围内还可存在有各种改良、补充和代换的可能性。
权利要求
1.一种用于机床的位置控制装置，包括前置机构模糊补偿器，它在从机床定位系统发出的位置反馈输出信号中获得误差及误差变率后按寻优计算算法输出模糊补偿信号；比例导数控制器，在获得从前置机构模糊补偿器的输出信号的误差与系统的输出信号后执行比例导数控制并输出一转矩值；一个执行器，用于使转矩乘以预定的系数，以获得一控制信号，并将该控制信号输入该系统。
2.如权利要求1中的装置，其中，前置机构模糊补偿器包括第一减法器，用于取得输入位置信号与来自系统的输出信号间的误差；模糊控制器，用于在确定误差变率后按寻优计算算法执行模糊控制并输出补偿值；延迟器，用于将模糊控制器输出的补偿值加以延迟以得到一段取样时间；第一加法器，用于把从模糊控制器得到的补偿值加到被延迟器延迟的补偿值上；第二加法器，用于把第一加法器的输出加到输入位置信号上以向比例导数控制器输出新的补偿信号。
3.如权利要求1的装置，其中比例导数控制器包括用于获得从系统输出的信号与从前置机构模糊补偿器发出的补偿信号间的误差的第二减法器；用于将补偿信号乘以一个增益的放大器；用于从误差与从执行比例导数控制的控制信号获得误差变率的比例微分器；用于把放大器的输出加到控制信号上以获得用于位置控制的转矩值的第三加法器；
4.一种用于机床的位置控制装置，包括前置机构模糊补偿器，用于在获得误差与来自输入位置信号的误差变率与从机床定位系统输出的位置反馈信号后按寻优计算算法输出模糊补偿信号；比例导数控制器，用于在获得来自前置机构模糊补偿器的输出信号的误差与系统的输出信号后执行比例导数控制与输出一转矩值；摩擦补偿器，用于接收从系统输出的信号以运行对应于摩擦力的参数、根据寻优计算算法从参数中估算系统的摩擦力并对其进行补偿；执行器，用于将摩擦补偿器输出的转矩值乘以预定的系数以获得控制信号并将其送至系统。
5.如权利要求4的装置，其中摩擦补偿器包括用于估算摩擦力参数的参数估算机构；用于使根据估算参数确定的摩擦计算从系统估算输出的与来自系统的实际输出比较以输出用于减小按比较结果取得的误差值的信号的摩擦控制器。
6.如权利要求5的装置，其中，估算机构模拟来自运动方程与所模拟的摩擦的摩擦力，估算八个参数矢量z＝[m，Fc，Fv，Fs，∞，Kt，Xs，TL，γ]T，z∈IR8其中m表示运动部分的当量质量；Fc为库仑摩擦；Fv为粘性摩擦；Fs为斯氏摩擦；Fs，a是静力矩的斯氏摩擦；Fs，∞为在长期静止状态后的斯氏摩擦；Kt是静止状态下的刚度；Xs是斯氏摩擦的特征速度；τL是摩擦延迟时间；t2是保持时间；γ为增长静摩擦参数。
全文摘要
用于机床的位置控装置，例如SMD安装器，其具有在尽可能短的时间内将头架移到可期望的位置的能力，这一功能是借助于按寻优计算算法对头架的位置以及用于引导头架寻向元件的摩擦及头架的运动摩擦进行估算而实现的。
文档编号G05D3/12GK1159618SQ9612333
公开日1997年9月17日 申请日期1996年11月23日 优先权日1995年11月23日
发明者金钟焕, 全廷悦 申请人:Lg产电株式会社