一種測試滾珠絲杠副控制方法性能的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于高度精密傳動(dòng)副控制方法測試系統(tǒng)領(lǐng)域，涉及一種測試滾珠絲杠副控 制方法性能精度的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 高速滾珠絲杠副是代表當(dāng)前世界先進(jìn)水平的直線運(yùn)動(dòng)部件。作為數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)系 統(tǒng)的執(zhí)行單元，對保障和提高整個(gè)數(shù)控機(jī)床的加工精度、工作效率和綜合性能起著至關(guān)重 要的作用?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床功能的改善、水平的提高、性能的特色，已經(jīng)以功能部件的創(chuàng)新發(fā) 展和提高為保證。而這其中，對于這些重要的功能部件，利用性能優(yōu)越的控制方法來提高他 們的定位和跟蹤精度也是提高數(shù)控機(jī)床性能的重要組成部分。目前，國內(nèi)生產(chǎn)的大部分?jǐn)?shù) 控機(jī)床中用于以滾珠絲杠副為驅(qū)動(dòng)部件的進(jìn)給系統(tǒng)的控制方法大多采用傳統(tǒng)的PID控制 方法。然而，在實(shí)際的加工過程中，實(shí)際的系統(tǒng)具有非線性和不確定性的特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在 滾珠絲杠副本身就是一個(gè)柔性體，并且存在徑向跳動(dòng)誤差，而且由于數(shù)控機(jī)床加工的零件 質(zhì)量多變，因此系統(tǒng)的質(zhì)量存在不確定性。其次，對于高速定位系統(tǒng)的定位精度，閉環(huán)系統(tǒng) 的帶寬是一個(gè)最重要的因素，而上述的這些特性會(huì)影響系統(tǒng)帶寬從而降低定位精度最后導(dǎo) 致數(shù)控機(jī)床加工精度下降。綜上所述，傳統(tǒng)的控制方法無法滿足高速高精度進(jìn)給系統(tǒng)的要 求，開發(fā)自適應(yīng)高性能的控制方法，對于提高數(shù)控機(jī)床整體性能來說非常關(guān)鍵。而控制方法 的實(shí)際應(yīng)用不僅需要理論建模，更離不開實(shí)際的測試。
[0003] 目前，雖然有很多滾珠絲杠的性能檢測儀，不過主要針對的是檢測滾珠絲杠副本 身的性能參數(shù)，包括定位精度測試，反向間隙測試，溫度測試，噪聲測試等等。而針對使用控 制方法性能的測試系統(tǒng)還比較少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 技術(shù)問題：本發(fā)明提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)針對高速滾珠絲杠副控制方法性能測試的測 試滾珠絲杠副控制方法性能的方法。
[0005] 技術(shù)方案：本發(fā)明的測試滾珠絲杠副控制方法性能的方法，根據(jù)測得的跟蹤誤差 和閉環(huán)系統(tǒng)的帶寬來衡量控制方法的性能，包括以下步驟：
[0006] 1)選擇測試控制方法的跟蹤精度，設(shè)定工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的速度V、加速度a和最大位移 X來確定工作臺(tái)的運(yùn)行軌跡；
[0007] 選擇測試控制方法的閉環(huán)系統(tǒng)帶寬，設(shè)定掃頻信號(hào)的幅值A(chǔ)、起始頻率Utl和終止 頻率U 1來確定工作臺(tái)的掃頻運(yùn)動(dòng)軌跡；
[0008] 2)把工作臺(tái)位置移動(dòng)到試驗(yàn)的起始基準(zhǔn)點(diǎn)，根據(jù)測試需要增加質(zhì)量塊并啟動(dòng)滾珠 絲杠副控制方法，控制工作臺(tái)按照預(yù)設(shè)軌跡運(yùn)行；
[0009] 3)在工作臺(tái)運(yùn)行過程中，實(shí)時(shí)采集光柵尺反饋的工作臺(tái)直線位移和直線速度，數(shù) 據(jù)和旋轉(zhuǎn)編碼器反饋的滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)角位移和角速度數(shù)據(jù)；
[0010] 4)實(shí)時(shí)計(jì)算得到控制方法的跟蹤誤差，輸出跟蹤誤差曲線和最大跟蹤誤差：
[0011] 同時(shí)擬合出閉環(huán)系統(tǒng)的Bode圖，并將所述Bode圖中幅頻特性曲線下降到一 3分 貝所對應(yīng)的頻率作為閉環(huán)系統(tǒng)的帶寬；
[0012] 5)根據(jù)測試獲得的控制方法的跟蹤誤差和閉環(huán)系統(tǒng)帶寬對控制方法的性能進(jìn)行 評價(jià)。
[0013] 本發(fā)明方法的優(yōu)選方案中，步驟5)中，按照如下方法對控制方法的性能進(jìn)行評 價(jià)：
[0014] 跟蹤誤差越小，跟蹤精度就越尚，控制方法性能越尚；
[0015] 閉環(huán)系統(tǒng)帶寬越大，控制系統(tǒng)快速性越好，控制方法性能越高；
[0016] 在加入質(zhì)量塊之后，測試得到的跟蹤誤差增加越小，則說明控制方法具有更好的 穩(wěn)定性及魯棒性，控制方法性能越高。
[0017] 本發(fā)明方法的優(yōu)選方案中，步驟4)中，根據(jù)式（1)實(shí)時(shí)計(jì)算得到控制方法的跟蹤 誤差：
[0018] e = Xref-Xout (1)
[0019] 其中e為系統(tǒng)跟蹤誤差；Xref為系統(tǒng)輸入的直線位移參考值，X _為光柵尺反饋的 工作臺(tái)直線位移實(shí)際值。
[0020] 本發(fā)明方法的優(yōu)選方案中，步驟4)中，根據(jù)式（2)，（3)擬合出閉環(huán)系統(tǒng)的Bode 圖：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種測試滾珠絲杠副控制方法性能的方法，其特征在于，該方法根據(jù)測得的跟蹤誤 差和閉環(huán)系統(tǒng)的帶寬來衡量控制方法的性能，包括以下步驟： 1) 選擇測試控制方法的跟蹤精度，設(shè)定工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的速度V、加速度a和最大位移X來 確定工作臺(tái)的運(yùn)行軌跡； 選擇測試控制方法的閉環(huán)系統(tǒng)帶寬，設(shè)定掃頻信號(hào)的幅值A(chǔ)、起始頻率Otl和終止頻率 ω i來確定工作臺(tái)的掃頻運(yùn)動(dòng)軌跡； 2) 把工作臺(tái)位置移動(dòng)到試驗(yàn)的起始基準(zhǔn)點(diǎn)，根據(jù)測試需要增加質(zhì)量塊并啟動(dòng)滾珠絲杠 副控制方法，控制工作臺(tái)按照預(yù)設(shè)軌跡運(yùn)行； 3) 在工作臺(tái)運(yùn)行過程中，實(shí)時(shí)采集光柵尺反饋的工作臺(tái)直線位移和直線速度，數(shù)據(jù)和 旋轉(zhuǎn)編碼器反饋的滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)角位移和角速度數(shù)據(jù)； 4) 實(shí)時(shí)計(jì)算得到控制方法的跟蹤誤差，輸出跟蹤誤差曲線和最大跟蹤誤差： 同時(shí)擬合出閉環(huán)系統(tǒng)的Bode圖，并將所述Bode圖中幅頻特性曲線下降到一 3分貝所 對應(yīng)的頻率作為閉環(huán)系統(tǒng)的帶寬； 5) 根據(jù)測試獲得的控制方法的跟蹤誤差和閉環(huán)系統(tǒng)帶寬對控制方法的性能進(jìn)行評價(jià)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測試滾珠絲杠副控制方法性能的方法，其特征在于，所述步 驟5)中，按照如下方法對控制方法的性能進(jìn)行評價(jià)： 跟蹤誤差越小，跟蹤精度就越尚，控制方法性能越尚； 閉環(huán)系統(tǒng)帶寬越大，控制系統(tǒng)快速性越好，控制方法性能越高； 在加入質(zhì)量塊之后，測試得到的跟蹤誤差增加越小，則說明控制方法具有更好的穩(wěn)定 性及魯棒性，控制方法性能越高。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的測試滾珠絲杠副控制方法性能的方法，其特征在于，所述 步驟4)中，根據(jù)式（1)實(shí)時(shí)計(jì)算得到控制方法的跟蹤誤差： e = Xref_Xout ⑴ 其中e為系統(tǒng)跟蹤誤差；xMf為系統(tǒng)輸入的直線位移參考值，Xtjut為光柵尺反饋的工作 臺(tái)直線位移實(shí)際值。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的測試滾珠絲杠副控制方法性能的方法，其特征在于，所述 步驟4)中，根據(jù)式（2)，（3)擬合出閉環(huán)系統(tǒng)的Bode圖：
其中，f為閉環(huán)系統(tǒng)的相頻，M為閉環(huán)系統(tǒng)的幅頻，C1為系統(tǒng)輸入矩陣的最小二乘解，c 2 為系統(tǒng)輸出矩陣的最小二乘解，A為輸入掃頻信號(hào)的幅值。
【專利摘要】一種測試滾珠絲杠副控制方法性能的方法，系統(tǒng)包括測控單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和反饋單元，測控單元包括計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；執(zhí)行機(jī)構(gòu)為滾珠絲杠副進(jìn)給實(shí)驗(yàn)臺(tái)；反饋單元為安裝于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器和光柵尺。運(yùn)動(dòng)控制器計(jì)算機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)時(shí)通信，運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)送控制指令通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)通過兩個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器和光柵尺反饋型號(hào)組成閉環(huán)的控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對不同型號(hào)的滾珠絲杠副在不同負(fù)載情況下的控制方法性能的測試，通過對控制方法的跟蹤精度和系統(tǒng)帶寬進(jìn)行測試來綜合的評價(jià)該控制方法的性能，測試過程中實(shí)時(shí)性好，方便快捷，可靠性高。
【IPC分類】G05B23-02
【公開號(hào)】CN104731088
【申請?zhí)枴緾N201510156143
【發(fā)明人】湯文成, 包達(dá)飛, 董亮, 史培捷
【申請人】東南大學(xué)
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2015年4月2日