一种滚珠丝杠进给系统摩擦补偿方法
【专利摘要】本发明公开一种滚珠丝杠进给机构摩擦补偿方法。在分析系统实际摩擦现象基础上，提出摩擦力矩在速度区间的分段模型，采用斯特克贝里模型对低速区间摩擦建模，对数模型对高速区间摩擦进行建模。利用混合遗传算法辨识出摩擦模型未知参数，并基于该辨识出的摩擦模型估测出实时速度下的摩擦补偿量，通过补偿量前馈的方式实现了对系统摩擦的补偿。本发明提出的分段摩擦模型精确地描述了滚珠丝杠进给系统中的摩擦，且设计的混合遗传算法准确地摩擦模型的参数进行辨识，利用基于摩擦模型前馈的补偿方式，提高了滚珠丝杠进给系统的运动精度，可广泛应用于各类含滚珠丝杠进给机构的系统。
【专利说明】一种滚珠丝杠进给系统摩擦补偿方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种机床伺服进给系统的摩擦补偿方法，提出一种基于分段摩擦模型的摩擦误差补偿方法，属于高精度机床的控制【技术领域】。
【背景技术】
[0002]随着工业生产对机床加工精度的要求越来越高，消除摩擦对机床加工核心部件一滚珠丝杠机构运动精度的影响已成为提高机床加工精度的重要手段。作为一种干扰因素，摩擦能使高精度进给机构在位置跟踪时出现“削顶”现象，速度跟踪时出现“过零畸变”现象。在位置伺服控制时，摩擦还是导致“死区”和“极限换振荡”的主要原因，因而对于精密加工，超精密加工领域，摩擦干扰的影响不容忽视。
[0003]为了消除非线性摩擦对进给系统运动性能的影响，国内外学者在研究摩擦补偿控制策略方面做了如下研究:
[0004]I)基于库伦摩擦+粘性摩擦模型的补偿法
[0005]该方法设计了基于速度和位置信号的摩擦参数观测器，实现了对系统的摩擦补偿。此补偿方法优点在于模型简单，但是所选用的摩擦模型属于静态摩擦模型，其无法描述摩擦完整特性，因而在实际应用中存在很大局限。
[0006]2)基于力矩传感器反馈控制的补偿法
[0007]该思想是在机器人基部安装力矩传感器，通过基部测量的力矩信号计算出各关节上的净力矩，从而构成力矩反馈回路。力矩反馈控制虽然不依赖于模型，但由于传感器价格高，安装困难等原因，其应用亦受到限制。
[0008]3)基于模糊控制的摩擦干扰补偿法
[0009]该方法针对摩擦的非线性环节，采用模糊聚簇技术进行建模，从大量数据中提取出摩擦环节的模糊模型并进行补偿。但是模糊控制学习能力不强，设计时控制规则过于依赖经验和专家知识，此缺点限制了模糊逻辑控制在实际补偿中应用。
[0010]目前在消除摩擦干扰的各种方法中，基于摩擦模型补偿的方法因为其成本较低，实现较为方便，成为机床进给机构中消除摩擦影响最为常用的方法。
【发明内容】
[0011]本发明适用于基于模型的摩擦补偿方式，提出了滚珠丝杠进给机构中摩擦力矩关于速度的分段模型，特别是在系统高速运行阶段，通过对实测的摩擦数据进行分析，并结合现有的相关理论，提出了高速阶段对数摩擦模型，能够反映“粘性摩擦增速随速度增加而降低”这一现象，同时利用混合遗传算法对模型中的待辨识参数进行精确辨识，最后利用摩擦补偿量前馈输入的方式对系统进行了摩擦误差的补偿，提高了滚珠丝杠进给机构的运动精度。
[0012]为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案:
[0013]一种滚珠丝杠进给系统摩擦补偿方法，其特征在于步骤如下:[0014]步骤I首先控制滚珠丝杠进给系统，使滚珠丝杠分别以从小到大的速度Vl、V2,V3>…、V53匀速运转,分别获取速度为Vp v2、v3、…、V53时系统的摩擦力矩?\、T2、T3、…、T53，并将速度和摩擦力矩组成系统摩擦数据离散样本序列St= {(Vl、?\)、(v2、T2)、…、(ν53、T53) }，
[0015]步骤2设:νζ为低、高速区间最佳分界速度，分别对低速、高速运行时系统的摩擦建模，
[0016]步骤3使用步骤I得到的系统摩擦数据离散样本序列St={(Vl、T1)、(v2, T2)、…、(v53> T53)}，分别对低速、高速运行时系统的摩擦模型中的待辨识参数进行辨识，得到辨识后的低速、高速运行时系统的摩擦模型，
[0017]步骤4将电机的期望速度Vd代入辨识后的低速、高速运行时系统的摩擦模型，得到期望速度为Vd时系统所需的摩擦力矩补偿量T (Vd)，并求得等效的速度补偿增量Vf，
[0018]步骤5将速度补 偿增量Vf叠加到期望速度Vd上，获得补偿速度Vdf，并得到所述补偿速度Vdf对应的电机控制电压信号Udf,再将电机控制电压信号Udf转换为电机驱动电压U用于电机驱动。
[0019]在|v| Svz的低速区间，摩擦模型采用斯特克贝里模型；在|v|>vz的高速区间，采用对数摩擦模型，
[0020]所述斯特克贝里模型为:
[0021]
【权利要求】
1.一种滚珠丝杠进给系统的摩擦补偿方法，其特征在于步骤如下: 步骤I首先控制滚珠丝杠进给系统，使滚珠丝杠分别以从小到大的速度νι、ν2、ν3、…、V53匀速运转，分别获取速度为Vp v2、v3>…、V53时系统的摩擦力矩!\、T2, T3>…、T53,并将速度和摩擦力矩组成系统摩擦数据离散样本序列St=KvpT1)' (v2、T2)、…、(ν53、Τ53)}，步骤2设Vz为低、高速区间最佳分界速度，分别对低速、高速运行时系统的摩擦建模，步骤3使用步骤I得到的系统摩擦数据离散样本序列St={ (Vl、T1)、(v2、T2)、…、(v53、T53M，分别对低速、高速运行时系统的摩擦模型中的待辨识参数进行辨识，得到辨识后的低速、高速运行时系统的摩擦模型， 步骤4将电机的期望速度Vd代入辨识后的低速、高速运行时系统的摩擦模型，得到期望速度为Vd时系统所需的摩擦力矩补偿量T (Vd)，并求得等效的速度补偿增量Vf， 步骤5将速度补偿增量Vf叠加到期望速度Vd上，获得补偿速度Vdf，并得到所述补偿速度Vdf对应的电机控制电压信号Udf,再将电机控制电压信号Udf转换为电机驱动电压U用于电机驱动。
2.根据权利要求1所述的滚珠丝杠进给系统的摩擦补偿方法，其特征在于:在|v|≤vz的低速区间，摩擦模型采用斯特克贝里模型；在|v|>vz的高速区间，采用对数摩擦模型， 所述斯特克贝里模型为:
3.根据权利要求2所述的滚珠丝杠进给系统的摩擦补偿方法，其特征在于:对低速、高速运行时系统摩擦模型的待辨识参数进行辨识的方法为: 步骤3.1令i=4, i为循环指针， 步骤3.2选择Vi为分界速度，则低速摩擦数据为Stl= {(VpT1)K…、高速摩擦数据为Sth={(vi+2、Ti+2)、…、(v53、T53)}，基于Stl及Sth，采用混合遗传算法辨识得出斯特克贝里摩擦模型待辨识参数Tc；、Ts、Vs、。2的辨识值分别为Ts, Vs,之以及对数摩擦模型待辨识参数ξ 1、ξ 2、ξ 3的辨识值分别为1、1、I,,则分界速度为Vi时系统摩擦模型式如下:
4.根据权利要求3所述的滚珠丝杠进给系统的摩擦补偿方法，其特征在于:对参数T。、Ts、Vs, σ2> ξ2> ξ3进行辨识的混合遗传算法步骤如下: 1)待辨识参数编码 首先将所有待辨识参数可行解范围设定为[-10，10]，利用16位二进制序列对每个待辨识参数进行编码，编码精度δ为:
【文档编号】G05B19/404GK103926875SQ201410157347
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月18日 优先权日:2014年4月18日
【发明者】胡建中, 武奎, 许飞云, 贾民平, 黄鹏 申请人:东南大学