一種基于pid在線標定機床的超高精密伺服驅動系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于PID在線標定機床的超高精密伺服驅動系統(tǒng)，以另外的超高精度三維定位儀，在線安裝在機床上，并由此三維定位儀所測得的絕對位置參數(shù)與當前設置的位置參數(shù)比較，計算獲得至少原伺服驅動系統(tǒng)的三個PID校正系數(shù)，然后輸出至機床各電機的伺服驅動系統(tǒng)，用于各電機的伺服驅動系統(tǒng)的PID系數(shù)校正，并得到校正后的PID值，由校正后的PID值控制各電機的伺服驅動，并對各電機進行運動控制及啟停，實現(xiàn)機床加工零配件精度達到超高精度。本發(fā)明整體的機械運動精度、加工精度達到±1μm 甚至±0.05um或更高的精度，并具有可再現(xiàn)性、可重復性、一致性。
【專利說明】
一種基于PID在線標定機床的超高精密伺服驅動系統(tǒng)
技術領域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種機床的伺服驅動系統(tǒng)，尤其涉及一種基于PID在線標定機床的超高精密伺服驅動系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]現(xiàn)有高精密機床采用由基本機床結構、同步/異步直流的單相/三相永磁電機、SVPWM為核心的伺服驅動器、螺旋絲桿/各減速機構的微進系統(tǒng)、氣浮傳動系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)、溫濕度補償系統(tǒng)、抗干擾控制與補償系統(tǒng)、執(zhí)行機構來提高精度，還與機械結構的材料/結構與選型(如大理石機床身)，傳動與加工機械剛度、彈性系數(shù)、熱脹冷縮系數(shù)，電機的特性等方面有關，且這方面現(xiàn)在已發(fā)展到了接近極限，從這方面來提高機床機床的加工精度至超高級別已經幾乎是不可能了，唯有伺服驅動器依靠位置傳感器、算法來提高至超高級別加工精度還有很大空間，而現(xiàn)有的伺服驅動器的整個驅動系統(tǒng)特別是三個PID自調節(jié)系統(tǒng)無論是動態(tài)精度還是累加精度，與當今需研發(fā)與生產的超高精密機床(當運動精度、加工精度±1μπι甚至±0.05um或更小的精度)相比較還是有很大的差距的。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的在于解決當前技術中存在的問題，提供一種基于PID在線標定機床的超高精密伺服驅動系統(tǒng)。
[0004]為達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術手段是:一種基于PID在線標定機床的超高精密伺服驅動系統(tǒng)，以另外的超高精度三維定位儀，在線安裝在機床上，并由此三維定位儀所測得的絕對位置參數(shù)與當前設置的位置參數(shù)比較，計算獲得至少原伺服驅動系統(tǒng)的三個PID校正系數(shù)，然后輸出至機床各電機的伺服驅動系統(tǒng)，用于各電機的伺服驅動系統(tǒng)的PID系數(shù)校正，并得到校正后的PID值，由校正后的PID值控制各電機的伺服驅動，并對各電機進行運動控制及啟停，實現(xiàn)機床加工零配件精度達到超高精度。
[0005]進一步的，所述計算獲得至少原伺服驅動系統(tǒng)的三個PID校正系數(shù)是指:在原伺服驅動系統(tǒng)，從積分I在一定時域內細化讓運動穩(wěn)定精確，在微分D對細微的運動進行定解及特解運算，使系統(tǒng)無限趨近一個目標參數(shù)，系統(tǒng)在SVPffM的精密矢量磁通環(huán)境下執(zhí)行微細運動，實現(xiàn)在終端末端的無限趨近或等于但不超越的精密微細運動，利用長時間段的高精度靜態(tài)PID來矯正原有PID系數(shù)，而后得到PID校正系數(shù)。
[0006]進一步的，所述伺服驅動系統(tǒng)包括依次連接的數(shù)據(jù)輸入單元、控制單元、驅動單元、傳動機構、執(zhí)行部件，所述控制單元包括運算控制器、系統(tǒng)位置控制器、速度控制器、SVPWM功率驅動控制器，通過數(shù)字控制，系統(tǒng)位置控制器、速度控制器、SVPWM功率驅動控制器的控制策略和算法均在運算控制器中實現(xiàn)，通過數(shù)據(jù)輸入單元先輸入原始基礎數(shù)據(jù)，然后通過SVP麗功率驅動控制器基于三相空間矢量電流SVP麗，以PARK或CLEAK算法產生近似圓形的旋轉磁通矢量電流給驅動單元的電機，電機產生近似圓形的旋轉磁通以使電機按照預設的空間轉動，同時由各種位置編碼器測得位置數(shù)據(jù)與原設置數(shù)據(jù)比較后由三個PID控制環(huán)生成矯正的PID系數(shù)，再給整個的SVPffM的電機三相驅動電路以生成新的經過校正的三相空間矢量SVPffM驅動電流，新的三相矢量驅動電流驅動電機精準穩(wěn)定地運動或加工目標。
[0007]更進一步的，所述伺服驅動系統(tǒng)還包括位置傳感器和速度傳感器，將位置傳感器、速度傳感器安裝在伺服運動鏈上的不同位置，形成全閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制，由上位機設置驅動單元的位置目標值給控制單元，控制單元結合上位機發(fā)來的SVPWM的設置的三相交流矢量實時驅動電流值并與本單元的設置值運算結合后產生的新的設置值，同時驅動單元的輸出SVPWM信號另一分支信號給位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的三個PID控制系統(tǒng)作為PID的基礎比較初值，同時由各傳感器檢測反饋回的當前位置、速度和電流的參數(shù)值分別輸入至驅動單元，然后分別與上述各基礎參數(shù)值按照PID的算法生成實時PID校正系數(shù)去產生新的對應三種控制的實時基礎參數(shù)值，再給驅動單元以實現(xiàn)運動或加工達到預期目標。
[0008]進一步的，所述另外的超高精度三維定位儀的發(fā)射裝置和接收裝置分別裝在機床的固定機床床身和轉動體上，由另外的超高精度三維定位儀測量絕對位置，消除傳動誤差，并和原系統(tǒng)的PID控制環(huán)形成了一個校正系統(tǒng)，形成以一個靜態(tài)的高精度在線校正儀校正低于其精度的原動態(tài)PID運動加工系統(tǒng)，從而控制電機實現(xiàn)機械運動精度和加工精度。
[0009]更進一步的，所述超高精度三維定位儀為顯微攝影三維激光標定儀，電機為三相永磁同步電機、三相交流伺服電機，基于SVPffM算法的矢量電流形成包圓旋轉磁場控制電機轉動、啟停、阻尼、轉矩、速度，結合傳動機構，進行超高精密的運動及加工控制，最終實現(xiàn)超高精密機床系統(tǒng)加工出來的零配件精度達到± I?0.05um的超高精度。
[0010]本發(fā)明的有益效果在于:將另外的超高精度三維定位儀發(fā)射或接收裝置直接安裝在機床轉動體上，不再產生現(xiàn)有的機床光柵儀整體安裝在運動體上帶來的系統(tǒng)誤差、累積誤差，消除PID的基礎設置參數(shù)與反饋參數(shù)的兩個基準設置值和反饋值的誤差，獲得的PID實時修正值極準確，從而控制電機實現(xiàn)N多軸乃至于整體的機械運動精度、加工精度達到土Ιμπι甚至±0.05um或更高的精度，并具有可再現(xiàn)性、可重復性、一致性。
【附圖說明】
[0011]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步的闡述。
[0012]圖1本發(fā)明的結構框架示意圖；
圖2本發(fā)明的驅動不意圖；
圖3本發(fā)明的控制單元連接示意圖。
【具體實施方式】
[0013]如圖1、2、3所示的一種基于PID在線標定機床的超高精密伺服驅動系統(tǒng)，以另外的超高精度三維定位儀，充分發(fā)揮其超高的絕對位置的定位精度、超高的幾何解析能力，在線安裝在超高精度的伺服驅動器或機床系統(tǒng)上，并由此超高精度三維定位儀所測得的絕對位置參數(shù)與當前設置的位置參數(shù)比較，計算獲得至少原伺服器的三個PID校正系數(shù)，然后輸出至精密機床的各電機的伺服驅動系統(tǒng)，用于各電機的伺服系統(tǒng)的PID系數(shù)校正，并實現(xiàn)新的PID值，由各電機的PID控制伺服驅動，并對各電機的運動參數(shù)進行超高精密的運動控制及啟停，最終實現(xiàn)超高精密機床系統(tǒng)加工出來的零配件精度達到超高精度，應用“寬靜態(tài)”組合式高精度靜態(tài)PID的方法來去矯正另一套如本文所述的機床的精度保障系統(tǒng)，三個PID控制環(huán)，簡單的講即為一個靜態(tài)的高精度PID環(huán)去控制另外的動態(tài)的低精度的PID環(huán)的技術。實質上就是用一個高精度的尺子去校準和標定一個低精度的尺子而讓目標的運動即加工參數(shù)的精度達到極高的指標。高精度靜態(tài)PID的系數(shù)之所以可以達到超高精度，這是因為，此種PID校正系數(shù)的獲得可以利用在til?ti2這樣一個較長的時間段內，并利用起始點和終點的絕對位置，如利用激光“狹縫光”，即采用幾何尺寸/波長極小的激光并利用單頻激光或者雙頻激光干涉方法，或電容式、顯微數(shù)碼等高精密位置定位儀，即超高精度的絕對位置數(shù)值獲得技術手段，并利用絕對編碼技術/算法以及增量編碼技術/算法獲得的單點數(shù)據(jù)/或多組數(shù)據(jù)的加權均值、迭代求導數(shù)等，來推算出高精度的絕對位置數(shù)據(jù)，相對位置數(shù)據(jù)或者絕對角度數(shù)據(jù)，并與PID系統(tǒng)的設置的初始數(shù)據(jù)進行比較，并根據(jù)PID的算法推算出新的PID的校正系數(shù)或標定系數(shù)，前面所述獲得的反饋回來的這個校正系數(shù)是由于在til?ti2是在一個較長的時間段內的值，由此獲得PID值是由于在較長的時間段內也即在運動系統(tǒng)較長的距離并進行一系列的微分、積分、導數(shù)/偏導數(shù)、甚至于高階微分、柯西中值定理運算后，這樣獲得的最終結果數(shù)值即為常規(guī)伺服器如三環(huán)新的超高精度的PID校正系數(shù)值，并輸入與結合至原伺服器的各PID控制系統(tǒng)中并重新實現(xiàn)機械系統(tǒng)運動及加工的超高精度，尤其是運動或加工的接近末端的微小運動參數(shù)及加工的參數(shù)，利用基于解析幾何、微分及積分常微分等數(shù)學模型的算法精細精密控制實現(xiàn)，并達到可再現(xiàn)性、可重復性、一致性。
[0014]當系統(tǒng)進行超高精密地運動或加工并無限趨近一個目標參數(shù)時，是不允許“過沖”的，即目標頭“超限”，會造成被加工的零配件有瑕疵及報廢的嚴重后果，而且會由于系統(tǒng)或目標頭由于一直在做基于拉普拉斯的中值定理的框架下的微細小的趨近運動，會過沖時再返回做微細小的趨近運動，循環(huán)往復，最終在不停的找位置，表現(xiàn)在運動終端如磨床的轉盤在不停地有抖動現(xiàn)象的故障，嚴重時會飛車。本方案從兩方面解決，(I)原PID控制系統(tǒng)，多從積分I角度下功夫，細化與詳細綜合地在一定時域內讓運動穩(wěn)定、精確，在微分D方面對細微的運動進行定解及特解的運算與設計，以使系統(tǒng)無限趨近一個目標參數(shù)時，系統(tǒng)并結合SVPffM的算法即“包圓”精密矢量磁通的環(huán)境下實現(xiàn)微細運動尤其是趨近終端末端的無限趨近或等于但永遠不超越的精密微細運動或加工的參數(shù)(超精密的位置或角度參數(shù))。(2)應用上文所述較長時間段的“寬靜態(tài)”組合式高精度靜態(tài)PID的方法來去矯正(I)條所述的PID系數(shù)，并去控制精密的運動及加工。
[0015]實際上最頂層設備結構為所述超高精度三維定位儀，為如顯微攝影三維激光標定儀。在線標定的一定實時性機床超高精密伺服驅動系統(tǒng)具體原理，伺服驅動器的重點是超高精度驅動如三相永磁同步電機、三相交流伺服電機等的基于SVPWM算法的矢量電流致使的“包圓”旋轉磁場使電機轉動、啟停、阻尼功能及轉矩、速度等控制的參與下，并最終結合減速系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)，進行超高精密的運動及加工控制，實現(xiàn)超高精密的參數(shù)及性能指標。
[0016]本方案的重點即是，以另一套的超高精度的三維定位儀，如顯微攝影三維激光標定儀，在線安裝在超高精度的伺服驅動器或機床系統(tǒng)上，系統(tǒng)并由本標定儀所測得的絕對位置參數(shù)與當前設置的位置參數(shù)比較并由軟件計算，獲得至少三個PID校正系數(shù)(此系數(shù)精度特別高)，然后輸出至精密機床的各電機的伺服驅動系統(tǒng)，并給各伺服系統(tǒng)如圖編碼器的PID系數(shù)用于校正用，并實現(xiàn)新的PID值，以實現(xiàn)由此各單元的運動電機的PID控制的伺服驅動，并對電機的運動參數(shù)進行超高精密的運動控制及啟停，最終實現(xiàn)超高精密機床系統(tǒng)加工出來的零配件精度達到± 1〃、土 Ιμπι甚至0.05um、0.05〃的超高精度，并且可實現(xiàn)運動及加工的超高精度，達到可再現(xiàn)性、可重復性、一致性。
[0017]其次為所述常規(guī)伺服器系統(tǒng)，控制單元是整個系統(tǒng)的核心，包括系統(tǒng)位置控制器、速度控制器、SVPffM功率驅動控制器進行全數(shù)字化控制，伺服系統(tǒng)進入智能化階段，其中DSP以其高速計算能力和特殊的硬件結構成為伺服控制系統(tǒng)中的主流處理器。通過數(shù)字控制，可以排除模擬電路的非線性誤差、調整誤差以及漂移等因素的影響，大大提高了伺服系統(tǒng)的性能。三個控制器的控制策略和算法均在DSP/FPGA中以軟件方式實現(xiàn)，提高了系統(tǒng)的靈活性，為復雜控制算法的運用奠定了基礎，從而使控制性能進一步提高。
[0018]按照高精度的目的位置/各運行區(qū)域段、力矩、速度、加速度、各種慣性、矢量運動等的要求下產生轉動或停止過程，并要運動平穩(wěn)、可靠。并于高精密伺服器先輸入原始基礎數(shù)據(jù)，然后通過基于三相空間矢量電流SVP麗技術，以PARK或CLEAK算法產生近似圓形的旋轉磁通矢量電流給三相直流電機，即三相電機產生近似圓形的旋轉磁通以使電機按照預設的電機空間轉動來轉動。同時由各種位置編碼器如激光光柵傳感器測得位置數(shù)據(jù)與原設置數(shù)據(jù)比較后
由三個PID控制環(huán)生成矯正的PID系數(shù)，再給整個的SVPffM的電機三相驅動電路以生成新的經過校正的三相空間矢量SVPWM驅動電流，并在新的三相矢量功率電流驅動電機精準、穩(wěn)定、可靠地運動或加工目標。
[0019]以常規(guī)的精密機床系(磨床)統(tǒng)拓撲圖為例，結合本方案即基于PID在線標定機床的超高精密伺服驅動系統(tǒng)，詳述其如何在線式地實時標定與控制其整個機床系統(tǒng)實現(xiàn)尤其是微小系統(tǒng)精細精密參數(shù)的控制。
[0020]在機床的伺服系統(tǒng)中，常常要求對執(zhí)行機構的運動速度和位置、驅動電機的實時矢量電流加以精密控制控制，這往往歸結為對驅動機械運動的交流伺服電機進行速度和位置、SVPWM電流環(huán)以如SVPffM的算法控制。根據(jù)位置和速度傳感器安裝在伺服運動鏈上的位置不同，可以分為全閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制。
[0021]包括上位機界面軟件單元設置伺服電機驅動的機構達到的位置目標值給控制單元值，再輸入給控制裝置單元、FPGA(位置環(huán)和速度環(huán)控制軟件/硬件)單元，當然此嵌入式單元既可以結合上位機發(fā)來的如SVPffM的設置的三相交流矢量實時驅動電流值并與本單元的設置值運算結合后產生的新的設置值，當然也可以本單元在軟件的控制下自行產生，再通過控制裝置輸出驅動機構并輸出給伺服電機單元，以驅動電機精密的按照矢量電流形成的“包圓”旋轉磁場作用下并按照規(guī)定的位置轉動；同時驅動機構的輸出SVPWM信號另一分支信號給位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的三個PID控制系統(tǒng)(在FPGA(位置環(huán)和速度環(huán)控制軟件/硬件)單元作為PID的基礎設置比較初值，同時由各傳感器單元檢測反饋回的當前位置、速度和電流的參數(shù)值也分別輸入至本單元，然后分別與上述各基礎參數(shù)值按照PID的算法生成實時PID校正系數(shù)去產生新的對應三種控制的實時基礎參數(shù)值再給驅動機構以實現(xiàn)較精密地將運動或加工達到預期目標，但是傳統(tǒng)的私服系統(tǒng)即原PID控制的系統(tǒng)，如圖3電機到齒輪、減速機、再到圓盤末端的傳感器采集并反饋回的位置參數(shù)傳動拓撲系統(tǒng)，實際上這樣一個系統(tǒng)會由此會帶來傳動誤差反饋回的位置參數(shù)具有誤差且有累積誤差，分別與上述各基礎參數(shù)值按照PID的算法生成實時PID校正系數(shù)去產生新的對應三種控制的實時基礎參數(shù)值(SET)就會有誤差，即再給驅動機構以電機、傳動系統(tǒng)致使的運動參數(shù)或加工參數(shù)(如位置參數(shù)、角度、曲面等幾何參數(shù))就會出現(xiàn)誤差，致使加工的零配件出現(xiàn)加工誤差，甚至使整個機械運動系統(tǒng)出現(xiàn)如“飛車”、失控的故障。
[0022]而本方案即一種基于PID在線標定伺服系統(tǒng)，其安裝和測量結構是讓整個激光標定儀的發(fā)射裝置和接收裝置分別裝在超高精密機床的固定機床床身和轉動體如轉盤上，標定儀測量絕對位置時完全消除了傳動誤差，并且還和原系統(tǒng)的較精密位置PID控制環(huán)一起形成了一個校正系統(tǒng)，總結為整個系統(tǒng)屬于高精密的在線校正參數(shù)系統(tǒng)去校正另一套原動態(tài)的PID稍微不精密的甚至于有累積誤差的運動、加工系統(tǒng)，從而控制電機實現(xiàn)N多軸乃至于整體的機械運動精度、加工精度如± 1〃、土 Ιμπι甚至± 0.05um、土 0.05〃或更高的的精度。
[0023]之所以讓三維校正儀的如高精密光柵儀，其光柵發(fā)射或接收直接安裝在轉動的圓盤上，讓光柵接收部分或發(fā)射部分安裝在機床支架上，這種做法是區(qū)別于之前精密機床的如光柵儀整個系統(tǒng)安裝在運動體上如圓盤上并受電機的傳動系統(tǒng)誤差、累積誤差影響下而形成的伺服系統(tǒng)整個的PID位置控制環(huán)等，之前的做法必然使在PID控制的實時控制參數(shù)必然使之運動參數(shù)及加工參數(shù)帶來偏差及累積偏差，總之本方案引入了在線三維激光標定儀，并采取如上特殊的安裝方式，能消除PID的基礎設置參數(shù)與反饋參數(shù)的兩個基準設置值和反饋值的誤差，即經PID算法運算后獲得的PID實時修正值即會極準確，從而控制電機實現(xiàn)N多軸乃至于整體的機械運動精度、加工精度如± 1〃、土 Ιμπι甚至土 0.05um、± 0.05〃或更高的的精度，并達到可再現(xiàn)性、可重復性、一致性。
[0024]結合PID算法、SVPWM、信號補償?shù)人惴?，實現(xiàn)各項功能和參數(shù)。主要模塊為，三個PID控制環(huán)的實現(xiàn)與控制，初始化，SVPffM的信號產生，在線三維激光標定儀實現(xiàn)在線實時生成三個原系統(tǒng)PID控制環(huán)的系數(shù)與校正功能，消除溫濕度、電磁干擾、振動干擾等的補償算法軟件實現(xiàn)單元、過流欠壓檢測控制等。
[0025]在接近目標的過程中，對伺服電機設置初始參數(shù)，伺服電機的三相正弦波功率驅動信號的產生為，采用脈沖調制或三角波調制矩形波PWM并調制用LC諧振電路生成正弦波。在接近過程中，時間為tm，在加工過程中，時間為tn，把這兩個時間段分別細分為更小的時間段tmi段和tni段。先舉例tmi段，在這個時間段，主要用兩種高精度編碼器定位傳感，獲得的數(shù)據(jù)和初始數(shù)據(jù)比較，獲得的差值先由微處理器處理后存儲下來。值得注意的是，我們采集的只是瞬時數(shù)據(jù)，需再測tmi時間段其他點的差值，再用PID技術進行相關的比例、微分和積分算法和處理過程(積分可讓數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定平滑，微分可讓數(shù)據(jù)更高效、細節(jié)展開“數(shù)據(jù)，，)
采用DSP+FPGA組合的原因:由于整個數(shù)據(jù)采集以及運算過程數(shù)據(jù)量巨大，實時性比較強，而且是高速運動，交給FPGA運行，因此對于微處理器以及存儲系統(tǒng)提出了很高的要求，DSP由于運算能力強，有些甚至可以達到一個機器周期3ns，而且數(shù)據(jù)包發(fā)給上位機進行實時處理或者在后臺進行慢速詳細的處理。
[0026]核心要求是三個閉環(huán)PID系數(shù)的最優(yōu)化設計、SVPffM信號在矢量空間參數(shù)位置分布的最優(yōu)化設計，以及“提前策略”的相關PID參數(shù)的最優(yōu)化設計。
[0027]CPLD/FPGA和DSP—起構成了交流伺服系統(tǒng)的硬件平臺。
[0028]CPLD/FPGA主要是承擔實時性、反應速度快的功能單元環(huán)節(jié)，如本方案三相SVPWM信號的產生環(huán)節(jié)以及速度環(huán)PID、位置環(huán)PID、電流環(huán)PID的控制過程，DSP則負責基準信號漂移的矯正，整個運動系統(tǒng)控制的各單元的協(xié)調，與上位機的通信，承擔一些數(shù)字濾波器的算法任務，如FIR、IIR還有一些FFT的算法。在本伺服器方案中，采用FPGA+DSP的組合方案方式，讓其形成各自擅長的模塊任務劃分的分配格局，形成總的技術方案的框架。
[0029]由于矢量控制方法在實現(xiàn)時要進行復雜的坐標變換，運算量較大，并且需要準確的轉子磁鏈以及電機的精確模型，因而對電機的參數(shù)依賴性大，難以保障完全解耦，使控制系統(tǒng)打折。新型高速微處理器、電機控制專用DSP以及大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷嫵傻乃欧到y(tǒng)控制單元將全面代替以模擬電子器件和分立器件為主的模擬控制單元，從而實現(xiàn)完全數(shù)字化的交流伺服系統(tǒng)。全數(shù)字化的突出優(yōu)點是使控制系統(tǒng)軟件化，即實現(xiàn)軟件伺服，它具有極好的柔性功能，在相同的硬件情況下，通過改變軟件就可以實現(xiàn)多種不同的控制功能，甚至不同種類的交流伺服電機能用相同的硬件通過不同的軟件模塊分別進行控制。
[0030]以一個極高的在線靜態(tài)精度系統(tǒng)來校正本不太高的精度系統(tǒng)，即在線式一定實時標定/校正的超高精度的伺服驅動系統(tǒng)，即在5軸或更多軸的超精密機床系統(tǒng)上應用另一套PID控制的三維坐標定位儀(如高精密光柵將發(fā)射端或接收端裝在機床固定架)，另一接收端或發(fā)射端并裝在某軸運動系上的末端(如高精密磨床X軸的轉動動軸即圓盤上)，此處再安裝絕對位置精密光柵定位儀(參數(shù)0.05um、0.05〃或更小的精度)/電容式絕位高精密定位儀或顯微數(shù)碼高精密定位儀(這兩種高精密絕對位置定位儀只需將儀器探頭安裝在相對動軸的固定支架上)等，可以將此X軸設置運動一定柵格位置的值與以上絕對位置定位的高精密柵格設置數(shù)據(jù)一同輸入在線三維矯正儀的PID電路，并用算法計算出PID誤差系數(shù)，此誤差系數(shù)去校正如五軸超精密機床的控制伺服器的原有各個電機速度環(huán)PID、位置環(huán)PID、電流環(huán)PID的系數(shù)，即用本高精密的系數(shù)去一定實時性地按照特高精密的域來去校正以上所述的三個PID系數(shù)，從而可以預見性的、一定實時性的、學習性的、歷史經驗總結性的，讓在線三維校正儀和控制伺服器來去控制五軸超高精密機床或其他精密運動的電機并驅動目標頭如刀頭、銑頭、磨頭等進行超高精密的運動或加工尺寸，其精度可達到±1〃、± Iym甚至0.0511111、0.05〃或更小的精度。
[0031]本超高精密伺服系統(tǒng)技術優(yōu)勢在于，其控制目標運動或加工的參數(shù)具有非常高的精度，如超高精密機床做到加工精度為± 1〃、± Ιμπι甚至0.05um、0.05〃或更小的精度，并且可以實現(xiàn)在本伺服系統(tǒng)控制下的各種機械運動及加工的各種指標參數(shù)的超高再現(xiàn)性、超高一致性、超高穩(wěn)定性。并由伺服控制器自身的如速度環(huán)PID、位置環(huán)PID、電流環(huán)PID的技術的PID系數(shù)即內外環(huán)，還有各種光電激光編碼器/電容式編碼器的定位儀來控制與控制運動加工的幾何尺寸精度，但由于以上所述受限于本身的精度系數(shù)及分辨率控制精度、溫飄、機械形變、振動/電磁干擾等因素造成的累積誤差，特別是伺服控制器自身的如速度環(huán)PID、位置環(huán)PID、電流環(huán)PID的PID系數(shù)即內外環(huán)，還有一影響系統(tǒng)精度的原因，詳述，舉例如光電編碼傳感器的檢測信號，再到放大單元、濾波、AD，轉換為數(shù)字信號，再作為PID的輸入時并與基礎設置數(shù)據(jù)比較運算生成新的PID的新的系數(shù)后，由于以上所述的各種漂移影響，既有隨機的也有累積的，至此時已發(fā)生偏差，導致PID控制精度較低，且有累積誤差，而且自身系統(tǒng)無法校正，再由于此時有誤差的PID控制電機電流的大小及相位，扭矩，阻尼電流，啟動與停止的慣性大小等因素，致使進一步控制運動的速度/加速度/轉矩，轉動的乃至于整個運動系統(tǒng)致使機床系統(tǒng)運動精度及加工精度較低或出現(xiàn)加工參數(shù)出現(xiàn)誤差，且加工零配件等的精度較低或一致性、可“再現(xiàn)性”差，特別是并且由原各傳感器采集多種數(shù)據(jù)并與起始設置數(shù)據(jù)比較運算后生成PID修正系數(shù)去修正與生成新的以上所述控制數(shù)據(jù)并控制電機運行，由于在這過程中由于電機運轉、齒輪、減速機、再到終端執(zhí)行機械系統(tǒng)，再加之溫濕度的變化漂移影響，振動、射線電磁干擾等因素的影響，并且是隨機的、實時的、累積的，以至最終的運動精度、加工精度沒有達到預期，即出現(xiàn)了偏差，而且出現(xiàn)加工機件穩(wěn)定性、一致性、可重復性等的性能較差，特別當運動精度、加工精度如± 1〃、土 Iwn甚至0.05um、0.05〃或更小的精度的要求提出后，對整個機床系統(tǒng)提出極高的要求，因此本技術方案因應而生，為此采用了一個絕對位置精密光柵定位儀+電容式高精密位置定位儀的在線組合方式、角度測試儀去修正及標定精度較低穩(wěn)定性差的精密機床系統(tǒng)技術的超高精密機床，，即“寬靜態(tài)”組合式高精度靜態(tài)PID控制的系統(tǒng)去校正/標定動態(tài)的較低精度的PID控制系統(tǒng)的技術。使其機床系統(tǒng)運動精度、加工精度如± 1〃、± Iym甚至0.05um、0.05〃或更小的精度，并能降低對精密機床的材料及結構的要求，降低成本及機械結構制作難度。
[0032]之所以定義并應用“寬靜態(tài)”組合式高精度靜態(tài)PID的方法來去矯正另一套如本文所述的機床的精度保障系統(tǒng)，三個PID控制環(huán)，簡單的講即為一個靜態(tài)的高精度PID環(huán)去控制另外的動態(tài)的低精度的PID環(huán)的技術。實質上就是用一個高精度的尺子去校準和標定一個低精度的尺子而讓目標的運動即加工參數(shù)的精度達到極高的指標。高精度靜態(tài)PID的系數(shù)之所以可以達到超高精度，這是因為，此種PID校正系數(shù)的獲得可以利用在til?ti2這樣一個較長的時間段內，并利用起始點和終點的絕對位置，如利用激光“狹縫光”，即采用幾何尺寸/波長極小的激光并利用單頻激光或者雙頻激光干涉方法，或電容式、顯微數(shù)碼等高精密位置定位儀，即超高精度的絕對位置數(shù)值獲得技術手段，并利用絕對編碼技術/算法以及增量編碼技術/算法獲得的單點數(shù)據(jù)/或多組數(shù)據(jù)的加權均值，來推算出高精度的絕對位置數(shù)據(jù)，相對位置數(shù)據(jù)或者絕對角度數(shù)據(jù)，并與PID系統(tǒng)的設置的初始數(shù)據(jù)進行比較，并根據(jù)PID的算法推算出新的PID的校正系數(shù)或標定系數(shù)，前面所述獲得的反饋回來的這個校正系數(shù)是由于在t i I?t i 2是在一個較長的時間段內的值，由此獲得PID值是由于在較長的時間段內也即在運動系統(tǒng)較長的距離并進行一系列的微分、積分、導數(shù)/偏導數(shù)、甚至于高階微分、柯西中值定理運算后，這樣獲得的最終結果數(shù)值即為PID校正系數(shù)值，眾所周知在一個較長距離的進行一系列的微分求導數(shù)其精度是非常高的并且是穩(wěn)定的、一致性相當好的，并且此參數(shù)值可再現(xiàn)性極好，如磨床上的轉盤在做圓周運動的時候當轉盤初次掃過til?ti2段的距離/角度sil?si2時候，并結合溫濕度的漂移補償技術、振動補償技術、外界電磁場干擾補償技術，使得轉盤每次掃過這一段距離即sil?si2系統(tǒng)會測控并計算出，從而獲得與上一次比較而獲得一個完全一樣并且是極高的PID校正系數(shù)，即又實現(xiàn)了本系統(tǒng)的PID控制系數(shù)的可再現(xiàn)性，總結歸納即為本靜態(tài)高精度的PID系數(shù)產生控制系統(tǒng)實際上是利用了，以高等數(shù)學為算法并且在一個較長的時間域即距離差域/角度差域來從微觀角度極限角度去分析和實現(xiàn)運動參數(shù)的微小的參數(shù)變化及控制，并對最終的結果以微小的角度利用拉氏中值定理及多階常微分等數(shù)學分析手段來去無限趨近一個極高的加工精度或等于，從數(shù)學分析角度來看，即從極限值角度及其他的均衡取平均值的數(shù)學手段或技術手段分析一個較長的數(shù)值域即解析結果，其精度和穩(wěn)定性肯定而且必須要比一個較短的時間域要高的多，現(xiàn)有的機床系統(tǒng)其PID控制環(huán)，它們所獲得的PID校正系數(shù)都屬于動態(tài)的，并有累計誤差，屬于在時間域/空間位置域極小的一個范圍內測量并運算獲得的，由以上論證可知此PID校正系數(shù)會精度低及可控制靠性差，如果機床單純依賴于此PID控制環(huán)去控制機床的運動精度、加工精度，可預料到最終的加工精度不會太高。這進一步證明了，利用本技術方案一靜態(tài)高精密PID校正系數(shù)控制的超高精密機床系統(tǒng)，可以讓超高精密機床系統(tǒng)加工出來的零配件精度達到± 1〃、土 Ιμπι甚至0.05um、0.05〃的超高精度，并且實現(xiàn)系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性，且讓加工出來的工件做到一致性非常好，且極大地降低了對機床的機械結構及材料方面的甚至于機械加工工藝上的要求或技術參數(shù)，也降低了成本。
[0033]超高精密機床及車床應用牽涉以下技術理論，機械系統(tǒng)機械/復雜的運動參數(shù)設計與把控(速度、加速度、回轉、回差、剛度、熱脹冷縮、振動、形變等參數(shù)，溫度補償濕度補償、振動控制、中心線/中心值的在積分微分以及復變微積分/多重的指引下的復雜多軸及精密的進給及運動的精密機床加工，無限逼近無限趨近，微米級、納米級)，并與復變函數(shù)，微積分，線性代數(shù)，F(xiàn)FT,FAT，高數(shù)及工程技術，物理細分原理，自然科學之間的建模，聯(lián)系，互譯與軟件平臺/中間件/固件/封裝庫結合及一些常規(guī)算法/遺傳算法/進化算法/軟件自身學習算法優(yōu)化算法，仿真，一起構成最穩(wěn)定的、最優(yōu)化的、最高性價比的且重復實現(xiàn)性能指標的軟硬件系統(tǒng)或產品。
[0034]總之，本在線標定的超高精度的機床伺服驅動系統(tǒng)利用控制學與反饋校正、補償?shù)募夹g，并在高等數(shù)學的框架下，又利用了電子學、機械運動學、計算機仿真學、力學、計算機學、PID、FFT、FIR等的一整套方法及技術做出的高新技術產品。
[0035]申請實施例只是用于說明本申請所公開的技術特征，本領域技術人員通過簡單的替換所進行的改變，仍然屬于本申請所保護的范圍。
【主權項】
1.一種基于PID在線標定機床的超高精密伺服驅動系統(tǒng)，其特征在于:以另外的超高精度三維定位儀，在線安裝在機床上，并由此三維定位儀所測得的絕對位置參數(shù)與當前設置的位置參數(shù)比較，計算獲得至少原伺服驅動系統(tǒng)的三個PID校正系數(shù)，然后輸出至機床各電機的伺服驅動系統(tǒng)，用于各電機的伺服驅動系統(tǒng)的PID系數(shù)校正，并得到校正后的PID值，由校正后的PID值控制各電機的伺服驅動，并對各電機進行運動控制及啟停，實現(xiàn)機床加工零配件精度達到超高精度。2.根據(jù)權利要求1所述的基于PID在線標定機床的超高精密伺服驅動系統(tǒng)，其特征在于:所述計算獲得至少原伺服驅動系統(tǒng)的三個PID校正系數(shù)是指:在原伺服驅動系統(tǒng)，從積分I在一定時域內細化讓運動穩(wěn)定精確，在微分D對細微的運動進行定解及特解運算，使系統(tǒng)無限趨近一個目標參數(shù)，系統(tǒng)在SVPffM的精密矢量磁通環(huán)境下執(zhí)行微細運動，實現(xiàn)在終端末端的無限趨近或等于但不超越的精密微細運動，利用長時間段的高精度靜態(tài)PID來矯正原有PID系數(shù)，而后得到PID校正系數(shù)。3.根據(jù)權利要求1所述的基于PID在線標定機床的超高精密伺服驅動系統(tǒng)，其特征在于:所述伺服驅動系統(tǒng)包括依次連接的數(shù)據(jù)輸入單元、控制單元、驅動單元、傳動機構、執(zhí)行部件，所述控制單元包括運算控制器、系統(tǒng)位置控制器、速度控制器、SVPWM功率驅動控制器，通過數(shù)字控制，系統(tǒng)位置控制器、速度控制器、SVPffM功率驅動控制器的控制策略和算法均在運算控制器中實現(xiàn)，通過數(shù)據(jù)輸入單元先輸入原始基礎數(shù)據(jù)，然后通過SVPffM功率驅動控制器基于三相空間矢量電流SVPWM，以PARK或CLEAK算法產生近似圓形的旋轉磁通矢量電流給驅動單元的電機，電機產生近似圓形的旋轉磁通以使電機按照預設的空間轉動，同時由各種位置編碼器測得位置數(shù)據(jù)與原設置數(shù)據(jù)比較后由三個PID控制環(huán)生成矯正的PID系數(shù)，再給整個的SVPWM的電機三相驅動電路以生成新的經過校正的三相空間矢量SVPffM驅動電流，新的三相矢量驅動電流驅動電機精準穩(wěn)定地運動或加工目標。4.根據(jù)權利要求3所述的基于PID在線標定機床的超高精密伺服驅動系統(tǒng)，其特征在于:所述伺服驅動系統(tǒng)還包括位置傳感器和速度傳感器，將位置傳感器、速度傳感器安裝在伺服運動鏈上的不同位置，形成全閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制，由上位機設置驅動單元的位置目標值給控制單元，控制單元結合上位機發(fā)來的SVPWM的設置的三相交流矢量實時驅動電流值并與本單元的設置值運算結合后產生的新的設置值，同時驅動單元的輸出SVPWM信號另一分支信號給位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的三個PID控制系統(tǒng)作為PID的基礎比較初值，同時由各傳感器檢測反饋回的當前位置、速度和電流的參數(shù)值分別輸入至驅動單元，然后分別與上述各基礎參數(shù)值按照PID的算法生成實時PID校正系數(shù)去產生新的對應三種控制的實時基礎參數(shù)值，再給驅動單元以實現(xiàn)運動或加工達到預期目標。5.根據(jù)權利要求1所述的基于PID在線標定機床的超高精密伺服驅動系統(tǒng)，其特征在于:所述另外的超高精度三維定位儀的發(fā)射裝置和接收裝置分別裝在機床的固定機床床身和轉動體上，由另外的超高精度三維定位儀測量絕對位置，消除傳動誤差，并和原系統(tǒng)的PID控制環(huán)形成了一個校正系統(tǒng)，形成以一個靜態(tài)的高精度在線校正儀校正低于其精度的原動態(tài)PID運動加工系統(tǒng)，從而控制電機實現(xiàn)機械運動精度和加工精度。6.根據(jù)權利要求5所述的基于PID在線標定機床的超高精密伺服驅動系統(tǒng)，其特征在于:所述超高精度三維定位儀為顯微攝影三維激光標定儀，電機為三相永磁同步電機、三相交流伺服電機，基于SVPffM算法的矢量電流形成包圓旋轉磁場控制電機轉動、啟停、阻尼、轉矩、速度，結合傳動機構，進行超高精密的運動及加工控制，最終實現(xiàn)超高精密機床系統(tǒng)加工出來的零配件精度達到± I?0.05um的超高精度。
【文檔編號】G05B19/19GK105824290SQ201610279878
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年4月28日
【發(fā)明人】葉志剛
【申請人】葉志剛