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[0001]本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于雕銑機(jī)的伺服位置控制方法，尤其涉及一種應(yīng)用于雕銑機(jī) 帶速度前饋及電流前饋的伺服位置控制方法，屬于伺服控制描述。

背景

[0002]雕銑機(jī)是一種使用小刀具、大功率和高速主軸電機(jī)的數(shù)控機(jī)床，其特點(diǎn)是既可以 雕刻，也可以銑削，廣泛應(yīng)用于精密模具粗細(xì)加工一次完成的場(chǎng)合。

[0003]基于圖1和圖2,說(shuō)明雕銑機(jī)控制系統(tǒng)部分的基本組成：上位機(jī)10負(fù)責(zé)完成工件 加工所需的軌跡規(guī)劃，X軸、Y軸和Z軸的伺服驅(qū)動(dòng)器工作在位置模式，負(fù)責(zé)接收上位機(jī)發(fā) 送的脈沖指令，同時(shí)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)穩(wěn)定、快速和精確地完成上位機(jī)期望的脈沖指令值。伺服 電機(jī)20的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)滾珠絲杠21轉(zhuǎn)換為負(fù)載22的直線運(yùn)動(dòng)，雕銑機(jī)的加工精度受以下 多個(gè)方面的影響：上位機(jī)規(guī)劃的軌跡曲線精度、絲杠和導(dǎo)軌的剛性、伺服驅(qū)動(dòng)器的控制性能 等。

[0004]伺服驅(qū)動(dòng)器的控制性能由位置控制環(huán)、速度控制環(huán)和電流控制環(huán)的綜合性能來(lái)決 定。位置控制器、速度控制器和電流控制器一般基于反饋信號(hào)，采用PID控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)閉 環(huán)控制。由于反饋信號(hào)需要經(jīng)過(guò)檢測(cè)部件進(jìn)行處理，具有一定的滯后性，因此伺服系統(tǒng)無(wú)法 實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。另外，滾珠絲杠21、負(fù)載22和導(dǎo)軌23之間存在著摩擦力，這部分摩擦力也 需要通過(guò)反饋閉環(huán)控制來(lái)克服，也影響伺服的快速響應(yīng)性能，尤其體現(xiàn)在伺服換相點(diǎn)處的 位置跟隨誤差較大。在實(shí)際的加工中，我們發(fā)現(xiàn)雕銑機(jī)的X軸、Y軸和Z軸在換相點(diǎn)處的位 置誤差大，造成在換相點(diǎn)處工件的輪廓加工精度變差，終的工件加工精度和加工效率 也相應(yīng)受到影響。

內(nèi)容

[0005]本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于雕銑機(jī)的伺服位置控制方法，解決了現(xiàn)有控制方法應(yīng)用 于雕銑機(jī)時(shí)雕銑機(jī)的X軸、Y軸和Z軸在換相點(diǎn)處的位置誤差較大的問(wèn)題。

[0006]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

一種應(yīng)用于雕銑機(jī)的位置控制方法，包括以下步驟：

第一步：將雕銑機(jī)的上位機(jī)發(fā)送的給定位置脈沖信號(hào)與伺服電機(jī)反饋的位置脈沖信 號(hào)相減后作為伺服驅(qū)動(dòng)器的位置控制器的輸入信號(hào)；

第二步：將伺服電機(jī)反饋的位置脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)微分器變成伺服電機(jī)反饋的速度信號(hào)； 第三步：將位置控制器的輸出信號(hào)加上前饋控制器輸出的前饋速度信號(hào)，然后減去伺 服電機(jī)反饋的速度信號(hào)作為速度控制器的輸入信號(hào)；其中，前饋控制器將上位機(jī)發(fā)送的位 置脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)微分處理及濾波處理獲得前饋速度信號(hào)；

第四步：將速度控制器的輸出信號(hào)加上前饋控制器輸出的電流前饋信號(hào)，然后減去伺 服電機(jī)反饋的電流信號(hào)作為電流控制器的輸入信號(hào)；其中，前饋控制器將前饋速度信號(hào)經(jīng) 過(guò)微分處理及濾波處理獲得加速度信號(hào)，加速度信號(hào)乘以設(shè)定系數(shù)A得到加速度電流信號(hào)；將滾珠絲杠、負(fù)載和導(dǎo)軌之間的摩擦力乘以設(shè)定系數(shù)B得到摩擦力電流信號(hào)；將加速度 電流信號(hào)與摩擦力電流信號(hào)相加得到電流前饋信號(hào)；

第五步：將電流控制器的輸出信號(hào)作為功率驅(qū)動(dòng)板的輸入信號(hào)，功率驅(qū)動(dòng)板輸出三相 交流電驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)行。

[0007]本發(fā)明在傳統(tǒng)伺服控制方法的基礎(chǔ)上，增加電流前饋的主要作用是提升伺服的速 度響應(yīng)，降低速度跟蹤誤差；在伺服的速度跟蹤精度獲得提升的基礎(chǔ)上，增加速度前饋的主 要作用是提升伺服的位置響應(yīng)，降低伺服的位置跟蹤誤差。本發(fā)明中的控制方法應(yīng)用于雕 銑機(jī)時(shí)，減小了雕銑機(jī)的X軸、Y軸和Z軸在換相點(diǎn)處的位置誤差，提高了工件的加工精度 和加工效率。

附圖說(shuō)明

[0008]圖1為雕銑機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。

[0009]圖2為伺服驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部控制器與信號(hào)關(guān)系示意圖。

[0010]圖3為本發(fā)明方法應(yīng)用于雕銑機(jī)的示意圖。

[0011]圖4為換相點(diǎn)處實(shí)際的位置曲線、帶前饋控制的位置曲線及不帶前饋控制的位置 曲線關(guān)系圖。

[0012]圖5為摩擦力曲線。

[0013]圖6為實(shí)測(cè)的摩擦力對(duì)應(yīng)的電流數(shù)據(jù)。

[0014]圖7為加速度曲線。

[0015]圖8為為實(shí)測(cè)的加速度對(duì)應(yīng)的電流波形。

[0016]圖9為帶前饋控制的X軸位置偏差絲與不帶前饋控制的X軸位置偏差絲關(guān)系圖。

[0017]圖10為帶前饋控制的Y軸位置偏差絲與不帶前饋控制的X軸位置偏差絲關(guān)系圖。

實(shí)施

[0018]下面結(jié)合附圖和實(shí)施，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

[0019]圖1為雕銑機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，上位機(jī)10輸出3個(gè)位置信號(hào)p-l、P-2和P-3,分別 以脈沖形式發(fā)給X軸、Y軸和Z軸伺服驅(qū)動(dòng)器，X軸、Y軸和Z軸伺服驅(qū)動(dòng)器分別驅(qū)動(dòng)X軸、 Y軸和Z軸伺服電機(jī)。Y軸伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)工件加工臺(tái)面在Y軸方向運(yùn)動(dòng)；Z軸伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng) 主軸電機(jī)在Z軸方向運(yùn)動(dòng)，主軸電機(jī)帶動(dòng)刀具高速旋轉(zhuǎn)，負(fù)責(zé)雕銑工件；Z軸伺服電機(jī)與主 軸電機(jī)做為一個(gè)整體由X軸伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在X軸方向運(yùn)動(dòng)。

[0020]圖2為伺服驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部控制器與信號(hào)關(guān)系示意圖，其中20為伺服電機(jī)，21為滾 珠絲杠、22為負(fù)載，23為導(dǎo)軌。內(nèi)部控制器包括位置控制器、速度控制器、電流控制器和前 饋控制器。前饋控制器根據(jù)上位機(jī)給定的位置信號(hào)以及X軸、Y軸和Z軸的滾珠絲杠幅的 摩擦特性，分別計(jì)算出X軸、Y軸和Z軸各自對(duì)應(yīng)的速度前饋信號(hào)和電流前饋信號(hào)。

[0021]圖3為本發(fā)明方法應(yīng)用于雕銑機(jī)的示意圖。本發(fā)明方法應(yīng)用于雕銑機(jī)控制系統(tǒng)中 的X軸、Y軸和Z軸伺服驅(qū)動(dòng)器，X軸、Y軸和Z軸伺服驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部控制器與信號(hào)關(guān)系都是 相同的。

[0022]速度前饋和電流前饋的控制原理為：前饋控制器將上位機(jī)發(fā)送的位置脈沖指令經(jīng) 過(guò)微分處理獲得速度指令信號(hào)，但從離散的位置脈沖指令中通過(guò)微分獲取的速度信號(hào)含有噪聲信號(hào)，影響控制效果，所以需要經(jīng)過(guò)濾波處理，獲得光滑的速度指令信號(hào)。用同樣的方 法，將速度指令信號(hào)先經(jīng)過(guò)微分處理，再經(jīng)過(guò)濾波處理獲得加速度指令信號(hào)，由于系統(tǒng)加速 度乘以系統(tǒng)慣量所得的值與伺服電機(jī)需要提供的加速力矩成線性關(guān)系，而伺服電機(jī)提供的 加速力矩與電流也成線性關(guān)系，所以加速度值乘以一個(gè)系數(shù)后就可以獲得加速度對(duì)應(yīng)的電 流，所乘的加速度對(duì)應(yīng)到相應(yīng)的電流前饋量的比例系數(shù)可以由用戶來(lái)設(shè)定。通過(guò)伺服電機(jī) 帶動(dòng)滾珠絲杠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來(lái)確定摩擦模型所需的參數(shù)，摩擦力乘以一個(gè)系數(shù)后就可以獲得摩 擦力對(duì)應(yīng)的電流前饋量，所乘的摩擦力對(duì)應(yīng)到相應(yīng)的電流前饋量的比例系數(shù)可以由用戶來(lái) 設(shè)定。將加速度對(duì)應(yīng)的電流前饋量與摩擦力對(duì)應(yīng)的電流前饋量疊加后獲得終的電流前饋 量。

[0023]下面結(jié)合圖5、圖6、圖7及圖8具體說(shuō)明摩擦力對(duì)應(yīng)到相應(yīng)的電流前饋量的比例 系數(shù)及加速度對(duì)應(yīng)到相應(yīng)的電流前饋量的比例系數(shù)的設(shè)定原則。圖5為摩擦力曲線，其中 正向摩擦力和反向摩擦力對(duì)稱，摩擦力大值約為〇o 02。圖6為實(shí)測(cè)的摩擦力對(duì)應(yīng)的電流 數(shù)據(jù)，正向電流和反向電流對(duì)稱，在摩擦力為大值的時(shí)間段內(nèi)，對(duì)應(yīng)的電流值是波動(dòng)的， 對(duì)波動(dòng)的電流值做取平均值處理。在摩擦力為大值〇. 02時(shí)，對(duì)應(yīng)的電流平均值約為0. 2, 所以摩擦力對(duì)應(yīng)到相應(yīng)的電流前饋量的比例系數(shù)約為〇. 2 + 0. 02=10。圖7為加速度曲線， 其中正向加速度與反向加速度對(duì)稱，加速度大值約為2. 2。圖8為實(shí)測(cè)的加速度對(duì)應(yīng)的電 流波形，其中正向電流和反向電流對(duì)稱，在加速度為大值的時(shí)間段內(nèi)，對(duì)應(yīng)的電流值是波 動(dòng)的，對(duì)波動(dòng)的電流值做取平均值處理。在加速度為大值2. 2時(shí)，對(duì)應(yīng)的電流平均值約為 1. 3,所以加速度對(duì)應(yīng)到相應(yīng)的電流前饋量的比例系數(shù)約為1. 3 + 2. 2=0. 59。

[〇〇24] 以圖3中的X軸伺服驅(qū)動(dòng)器1為例，說(shuō)明伺服驅(qū)動(dòng)器的控制信號(hào)關(guān)系以及速度前 饋和電流前饋的計(jì)算方法。上位機(jī)發(fā)送的給定位置脈沖信號(hào)P-1和伺服電機(jī)反饋的位置脈 沖信號(hào)1-3相減后作為位置控制器的輸入信號(hào)。從給定位置脈沖信號(hào)P-1中提取速度前饋 量1-4和加速度前饋量，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)分析加速度前饋量與電流前饋量之間的比例關(guān)系，找 出加速度前饋量與電流前饋量之間比例系數(shù)，用戶將該比例系數(shù)輸入伺服參數(shù)表中，由此 獲得加速度前饋量對(duì)應(yīng)的電流前饋量。伺服電機(jī)反饋的位置脈沖信號(hào)1-3經(jīng)過(guò)微分器后獲 得伺服電機(jī)反饋的速度信號(hào)1-2 ;位置控制器的輸出信號(hào)先加上前饋控制器輸出的前饋速 度信號(hào)1-4,然后減去伺服電機(jī)反饋的速度信號(hào)1-2作為速度控制器的輸入信號(hào)。通過(guò)實(shí)驗(yàn) 來(lái)獲取摩擦模型所需的參數(shù)，摩擦力與電流前饋量的比例系數(shù)由用戶來(lái)設(shè)定，由此獲得摩 擦力對(duì)應(yīng)的電流前饋量，前饋控制器將加速度前饋量對(duì)應(yīng)的電流前饋量加上摩擦力對(duì)應(yīng)的 電流前饋量作為終的電流前饋信號(hào)1-5。速度控制器的輸出信號(hào)先加上前饋控制器輸出 的電流前饋信號(hào)1-5,然后減去伺服電機(jī)反饋的電流信號(hào)1-1作為電流控制器的輸入信號(hào)。 電流控制器的輸出信號(hào)作為功率驅(qū)動(dòng)板的輸入信號(hào)，后功率驅(qū)動(dòng)板輸出三相交流電驅(qū)動(dòng) 伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)滾珠絲杠轉(zhuǎn)換為負(fù)載的直線運(yùn)動(dòng)。Y軸伺服驅(qū)動(dòng)器 2和Z軸伺服驅(qū)動(dòng)器3的控制原理同X軸伺服驅(qū)動(dòng)器1，其中2-1和3-1為伺服電機(jī)反饋的 電流信號(hào)，2-2和3-2為伺服電機(jī)反饋的速度信號(hào)，2-3和3-3為伺服電機(jī)反饋的位置脈沖 信號(hào)，2-4和3-4為前饋控制器輸出的前饋速度信號(hào)，2-5和3-5為前饋控制器輸出的電流 前饋信號(hào)。

[0025] 為了說(shuō)明本發(fā)明技術(shù)產(chǎn)生的實(shí)際技術(shù)效果，在雕銑機(jī)上進(jìn)行畫圓實(shí)驗(yàn)，觀察在換 相點(diǎn)處圓弧的曲線精度是否改善。上位機(jī)將圓軌跡信號(hào)發(fā)送給X軸和Y軸伺服，首*行不帶速度前饋及電流前饋的實(shí)驗(yàn)，然后進(jìn)行帶速度前饋及電流前饋的實(shí)驗(yàn)，判斷在換相點(diǎn)處 兩次實(shí)驗(yàn)中哪次實(shí)驗(yàn)的實(shí)際位置曲線更加接近給定位置曲線，越接近給定位置曲線說(shuō)明實(shí) 際的工件加工效果更好。由圖4的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：在雕銑機(jī)上使用帶速度前饋及電流前饋 的位置控制方式以后，在換相點(diǎn)處實(shí)際的位置曲線更加接近給定的位置曲線。給定位置與 實(shí)際位置之間的差值為位置偏差量，位置偏差量越小意味著位置跟蹤效果更好，由圖9和 圖10的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：使用帶速度前饋及電流前饋的位置控制方式以后，X軸和Y軸位置 偏差量降低了。