一种用于数控系统基于误差测定的伺服参数自整定方法
【专利摘要】本发明涉及激光切割数控领域，具体的说是一种用于数控系统基于误差测定的伺服参数自整定方法。包括如下步骤：（1）图形输入；（2）位置指令序列生成；（3）伺服参数调整；（4）伺服传动；（5）反馈位置采集；（6）反馈位置图形拟合；（7）反馈位置生成图形；（8）图形比较；（9）分析误差：数控系统分析拟合曲线组成的图形和输入图形之间的轮廓误差，确定轮廓误差的位置和轮廓误差的大小，如轮廓误差大小符合预先设定的误差参数，则结束操作；反之，则返回第三步重新整定伺服参数，直至轮廓误差大小符合设定的误差参数。本发明同现有技术相比，能够清晰的看到伺服传动误差，自整定还可以消除人为因素影响，提升伺服参数设置的准确性以及可靠性。
【专利说明】
一种用于数控系统基于误差测定的伺服参数自整定方法
技术领域
[0001] 本发明涉及激光切割数控领域，具体的说是一种用于数控系统基于误差测定的伺 服参数自整定方法。
【背景技术】
[0002] 伴随科技的发展，激光切割技术逐步登上了历史的舞台，高速高精度成为激光切 割的追求，然而速度与精度却又相互制约，在保证速度的前提下，精度的提升成为行业发展 的关键。激光切割误差由插补指令误差、多轴伺服控制误差以及机床传动误差三部分组成。 其中指令误差是运动轨迹规划误差，现阶段的轨迹插补算法误差以及机床传动误差已经控 制在误差允许范围内。多轴伺服控制误差主要由各轴伺服控制参数设置不匹配导致，伺服 控制参数影响着激光切割机床各轴的动态响应速度，超调量，稳定性，以及多轴同步性等方 面，对数控机床的控制精度起到决定性作用。现阶段激光切割领域伺服参数整定主要依靠 经验进行手动设置，费时，耗力而且还受人为因素影响。
【发明内容】
[0003] 本发明为克服现有技术的不足，设计一种用于数控系统基于误差测定的伺服参数 自整定方法，使得伺服参数自整定更加智能，节约工时，提升效率。
[0004] 为实现上述目的，设计一种用于数控系统基于误差测定的伺服参数自整定方法， 其特征是包括如下步骤：
[0005] (1)图形输入:将图形数据输入数控系统，同时设置误差参数；
[0006] (2)位置指令序列生成:数控系统根据输入的图形生成位置指令序列；
[0007] (3)伺服参数调整；
[0008] (4)伺服传动:数控系统根据整定后的伺服参数，控制多轴加工系统进行加工；
[0009] (5)反馈位置采集:通过安装在多轴上的固定采样率采集编码器反馈多轴的坐标 数据；
[0010] (6)反馈位置图形拟合:数控系统通过转换矩阵将反馈的多轴坐标数据换算成图 形层位置数据，并将图形层位置数据通过插值拟合成曲线；
[0011] (7)反馈位置生成图形:数控系统将拟合成的曲线组成图形；
[0012] (8)图形比较:将拟合曲线组成的图形与输入图形比较；
[0013] (9)分析误差:数控系统分析拟合曲线组成的图形和输入图形之间的轮廓误差，确 定轮廓误差的位置和轮廓误差的大小，如轮廓误差大小符合预先设定的误差参数，则结束 操作;反之，则返回第三步重新整定伺服参数，直至轮廓误差大小符合设定的误差参数。
[0014] 所述伺服参数调整步骤中首先设定允许的传动滞后距离值，然后分别判断传动滞 后距离是否过大、判断轴角平分线是否存在偏差和判断轴过象限处是否存在偏差;在判断 传动滞后距离是否过大时，若实际传动滞后距离大于预先设定的允许传动滞后距离值，则 修改位置环增益Kp和速度前馈系数Vff，反之则结束参数调整;在判断轴角平分线是否存在 偏差时，若轴角平分线存在偏差，则检查位置环增益Kp和速度前馈系数Vff的一致性，若不 一致则修改位置环增益Kp和速度前馈系数Vff，反之则结束参数调整;在判断轴过象限处是 否存在偏差是，若轴过象限处存在偏差，则修改补偿速度CmpV和补偿时间CmpT，反之则结束 参数调整。
[0015] 所述反馈位置图形拟合中转换矩阵是指通过采集编码器反馈获得的多轴实时坐 标与输入图形坐标之间形成的映射关系。
[0016] 本发明同现有技术相比，能够清晰的看到伺服传动误差，节约时间以及人力资源， 自整定还可以消除人为因素影响，提升伺服参数设置的准确性以及可靠性;提高伺服参数 整定的效率。
【附图说明】
[0017] 图1为本发明误差测定的流程图。
[0018] 图2为本发明中伺服参数自整定的流程图。
【具体实施方式】
[0019] 下面根据附图对本发明做进一步的说明。
[0020] 多轴伺服控制轮廓误差形成原因，主要集中在以下三方面:各轴伺服控制存在滞 后误差;各轴伺服控制系统稳定性以及超调量问题;伺服控制过程系统存在阻力。其中各轴 伺服控制滞后主要与其位置环增益以及速度前馈系数相关，轴之间要保证伺服控制动态响 应特性的匹配，否则就引起较大的轮廓控制误差，造成加工图形变形。在机床刚性允许的情 况下，要尽量增加各轴伺服控制刚性，减少控制滞后误差，保证稳定性的同时，提升系统动 态响应特性;在系统刚性不足的情况下，可以通过提升速度前馈系数，减少控制滞后误差， 提升系统动态响应特性。伺服系统的超调量与稳定性，主要与伺服控制参数相关，参数调整 后要通过系统对特定信号的响应结果，判断系统稳定性。机床加工时各轴都存在改变运动 方向的情况--又称过象限，此时摩擦力因为静摩擦力与动摩擦力转换会改变方向以及大 小，导致额外的控制滞后误差，本发明通过过象限补偿速度以及补偿时间参数对其进行补 偿，减少控制误差。
[0021] 本发明使用时，伺服控制通过位置编码器反馈值可获取实时位置信息，将其与加 工图形层坐标形成映射关系，获取转换矩阵。在加工过程中以固定采样率采集编码器反馈 数据，通过转换矩阵换算成图形层位置数据，并将其通过插值拟合成曲线，与加工图形进行 对比，便可以获取加工过程中多轴伺服控制的轮廓误差。完成误差测定过程。
[0022] 具体流程如下:先将图形数据输入数控系统，同时设置误差参数;随后由数控系统 根据输入的图形数据生成位置指令序列；由数控系统先行设置伺服参数，包括位置环增益 Kp，速度环增益Kv，速度环积分时间常数Ts，速度前馈系数Vff，过象限补偿速度CmpV和过象 限补偿时间CmpT;数控系统根据整定的伺服参数，控制多轴加工系统进行加工;通过安装在 多轴工位上的固定采样率采集编码器反馈多轴的实时坐标数据;数控系统通过转换矩阵反 馈的多轴实时坐标数据换算成图形层位置数据，并将图形层位置数据通过插值拟合成曲 线;再有数控系统将拟合成的曲线组成图形;将拟合成的曲线组成的图形与输入图形比较， 分析误差。
[0023] 实施例：
[0024] 以X、Y双轴伺服传动系统为例，首先确定内环速度环参数。速度环增益Kv影响伺服 的响应速度，在伺服系统稳定的前提下，应尽量增大速度环增益，提升速度环响应速度。选 取不同速度加工一条直线通过误差测定结果分析是否震荡现象，发生震荡时证明速度环增 益参数设置过大，此时适量减少速度环增益至不震荡，完成对速度环的整定过程。
[0025]速度环整定结束，开始整定位置环增益Κρ以及速度前馈补偿参数Vff。通过分析伺 服控制系统伯德图以及通过伺服系统传递函数理论推导，为了保证Χ，γ轴相频一致性，需要 将每轴的位置环增益以及速度前馈系数设置为相同值。其参数值可以通过对线段的误差测 定以及圆的误差测定结果分析确定，位置环增益与速度前馈主要影响位置滞后量。伺服传 动位置滞后量为：
[0027] 其中，Vff为速度前馈系数，V为实时速度，Κρ为位置增益环。
[0028] 伺服传动滞后代表着系统的响应速度，会降低系统伺服刚性，形成轮廓误差。因此 应在在没有引起震荡和超调的情况下，应该尽量增大位置环增益Κρ以及速度前馈系数Vff， 提升系统的响应速度，减小由滞后引起的轮廓误差。
[0029] 伺服传动过程还需要考虑阻力影响，其中形成轮廓误差起主导作用的是过象限动 静摩擦力的转换以及力的变向，形成力的突变。为了减小过象限力改变的影响，在伺服系统 中引入了过象限补偿速度CmpV以及过象限速度补偿时间CmpT两个参数。其值的确定通过系 统加工圆的误差测定结果分析确定。如果圆误差测定结果在X，Y轴角平分线处存在X轴的超 前或者滞后，此时需要检测是否位置环增益以及速度前馈系数设置正常。通过误差测定结 果分析是否在Χ，Υ轴过象限处存在超前滞后现象，如果存在则需要增加补偿速度以及补偿 时间以减少偏差，通过循环调整参数误差测定，选取轮廓误差最小的参数设为伺服参数，完 成伺服参数的自整定。
【主权项】
1. 一种用于数控系统基于误差测定的伺服参数自整定方法，其特征是包括如下步骤： (1) 图形输入:将图形数据输入数控系统，同时设置误差参数； (2) 位置指令序列生成:数控系统根据输入的图形生成位置指令序列； (3) 伺服参数调整； (4) 伺服传动:数控系统根据整定后的伺服参数，控制多轴加工系统进行加工； (5) 反馈位置采集:通过安装在多轴上的固定采样率采集编码器反馈多轴的坐标数据； (6) 反馈位置图形拟合:数控系统通过转换矩阵将反馈的多轴坐标数据换算成图形层 位置数据，并将图形层位置数据通过插值拟合成曲线； (7 )反馈位置生成图形:数控系统将拟合成的曲线组成图形； (8) 图形比较:将拟合曲线组成的图形与输入图形比较； (9) 分析误差:数控系统分析拟合曲线组成的图形和输入图形之间的轮廓误差，确定轮 廓误差的位置和轮廓误差的大小，如轮廓误差大小符合预先设定的误差参数，则结束操作； 反之，则返回第三步重新整定伺服参数，直至轮廓误差大小符合设定的误差参数。2. 如权利要求1所述的一种用于数控系统基于误差测定的伺服参数自整定方法，其特 征是:所述伺服参数调整步骤中首先设定允许的传动滞后距离值，然后分别判断传动滞后 距离是否过大、判断轴角平分线是否存在偏差和判断轴过象限处是否存在偏差;在判断传 动滞后距离是否过大时，若实际传动滞后距离大于预先设定的允许传动滞后距离值，则修 改位置环增益Kp和速度前馈系数Vff，反之则结束参数调整;在判断轴角平分线是否存在偏 差时，若轴角平分线存在偏差，则检查位置环增益Kp和速度前馈系数Vff的一致性，若不一 致则修改位置环增益Kp和速度前馈系数Vff，反之则结束参数调整;在判断轴过象限处是否 存在偏差是，若轴过象限处存在偏差，则修改补偿速度CmpV和补偿时间CmpT，反之则结束参 数调整。3. 如权利要求1所述的一种用于数控系统基于误差测定的伺服参数自整定方法，其特 征是:所述反馈位置图形拟合中转换矩阵是指通过采集编码器反馈获得的多轴实时坐标与 输入图形坐标之间形成的映射关系。
【文档编号】G05B19/4099GK106094733SQ201610586452
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月25日 公开号201610586452.1, CN 106094733 A, CN 106094733A, CN 201610586452, CN-A-106094733, CN106094733 A, CN106094733A, CN201610586452, CN201610586452.1
【发明人】万章, 石斌
【申请人】上海柏楚电子科技有限公司