一种考虑系统延时的进给系统前馈方法及设备

本发明属于数控技术相关，更具体地，涉及一种考虑系统延时的进给系统前馈方法及设备。

背景技术：

1、数控机床是一种高效率、高精度、高自动化的加工设备，广泛应用于航空航天、汽车、医疗器械、工程机械等重大技术领域。随着现代制造业的发展，工业设计水平日趋成熟，零部件加工的精度要求不断提高，这对数控机床在位置跟踪误差控制、动态响应性能提升等方面提出了苛刻的要求。

2、目前，在数控机床领域，前馈控制方法已被广泛应用。前馈控制是一种基于对系统模型的预测来补偿系统误差的控制策略，通过在驱动控制环节中施加前馈控制，可以在系统出现误差前主动对其进行补偿，降低机床进给运动的位置跟踪误差，从而提高机床的动态性能，提高加工精度、加工效率和稳定性。

3、当前滚珠丝杠传动类型的机床应用最为广泛，针对此类型的机床，常用的前馈控制方法为基于指令的速度前馈、加速度前馈方法：通过在速度环施加速度前馈，可有效降低机床稳速段运行的位置跟踪误差；通过在电流环施加惯性力前馈，可改善机床变速段运行的位置跟踪误差。

4、数控机床进给系统是由数控系统、伺服控制系统、机械传动系统组成，其中数控系统端负责轨迹规划、输出指令；伺服控制系统负责运动控制、信号；机械传动系统负责完成运动。为完成整个控制过程，上述各系统间也存在数据的传输与通讯，具体如：数控系统输出位置指令和前馈指令，经过总线传输至伺服驱动器；伺服驱动器执行控制，以驱动机械系统运动；同时电机编码器、位置光栅尺等测量装置的信号会反馈至伺服驱动器参与闭环控制，同时反馈信号也会经过总线传输至数控系统进行分析和运算。

5、上述的数据传输过程将不可避免的导致不同控制信号之间的时序偏差，而在微米级的跟随精度控制水平下，信号时序的偏差会显著影响前馈控制的准确性，导致位置跟踪误差降低效果差。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种考虑系统延时的进给系统前馈方法及设备，其旨在解决信号时序的偏差显著影响前馈控制的准确性而导致跟踪误差降低效果差的问题。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种考虑系统延时的进给系统前馈方法，该方法包括以下步骤：

3、(1)给机床输入含有匀变速段及反向段的位置指令信号；

4、(2)开启速度加速度前馈功能，采集并记录此时匀变速段的位置跟踪误差数据e1；

5、(3)根据系统中存在的延时环节对速度前馈量与速度反馈量之间的相位差来进行速度前馈量时间偏移参数的调整，并采集及记录当前匀变速段的位置跟踪误差数据e2；

6、(4)对比位置跟踪误差数据e1及位置跟踪误差数据e2，并判断位置跟踪误差数据e2是否近0，如果是，则结束并得到使匀变速跟踪误差近0的最佳速度前馈量时间偏移参数；否则，根据得到的对比结果继续调整速度前馈量时间偏移参数，直至匀变速跟踪误差近0。

7、进一步地，调整速度前馈量时间偏移参数为正值，速度前馈量时间偏移参数调试范围是从1开始，依次增加，增加的范围按照匀变速段的位置跟踪误差情况而定。

8、进一步地，当位置跟踪误差数据e2比位置跟踪误差数据e1更加靠近0，但是仍然不在0附近，需要进一步增加速度前馈量时间偏移参数。

9、进一步地，当位置跟踪误差数据e2反向远离0位置，降低速度前馈量时间偏移参数的值。

10、进一步地，在速度反馈回路上添加延时环节，该延时环节被近似为一阶惯性环节；此时控制系统的传递函数为：

11、

12、系统的位置跟踪误差传递函数为当前传递函数与1的差值，即1-g(s)：

13、

14、进一步地，根据系统的位置跟踪误差传递函数，求得在机床运动时，由时间滞后引起的稳态误差表达式，系统在匀速运动、变速运动下的位置指令分别为：

15、

16、对输入信号进行拉氏变换得：

17、

18、根据拉氏变换得终值定理，求出在匀速运动和变速运动时由时间滞后引起的稳态误差表达式：

19、

20、变速段跟踪误差与滞后时间τ、加速度a成正比。

21、进一步地，系统反馈通路与前馈通路同时存在延时环节时，速度前馈通路也增加了一阶惯性环节求得前馈通路与反馈回路均存在延时环节时的位置跟踪误差表达式：

22、

23、式中，τv,τ分别为前馈通路和反馈回路的滞后时间。

24、进一步地，系统前馈回路和反馈回路同时存在时间滞后时，对匀速段的跟踪误差没有影响，变速段跟踪误差与τv,τ,a有关，当τv＝τ时，变速段跟踪误差同样不受时间滞后的影响。

25、本发明还提供了一种考虑系统延时的进给系统前馈系统，所述系统包括存储器及处理器，所述存储器储存有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时执行如上所述的考虑系统延时的进给系统前馈方法。

26、本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有机器可执行指令，所述机器可执行指令在被处理器调用和执行时，所述机器可执行指令促使所述处理器实现如上所述的考虑系统延时的进给系统前馈方法。

27、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的考虑系统延时的进给系统前馈方法及设备主要具有以下有益效果：

28、1.本方法通过对延时环节进行补偿，减小了前馈控制中各环节时序对位置跟踪误差的影响，在传统前馈方法的基础上进一步降低了机床进给系统的位置跟踪误差，达到了微米级(5μm以内)的位置跟踪误差控制水平。

29、2.本发明对控制回路存在延时环节的情况进行了分析，探究了系统反馈回路以及前馈通路存在延时环节时，对不同速度工况下(匀速运动，匀变速运动)系统跟踪误差的影响，以及对控制系统中存在的简单延时环节提出了补偿方案，可以有效得补偿时序偏差对位置跟踪误差的影响。

30、3.本发明通过对传递函数进行补偿，对速度前馈量进行时序上的处理，提升了前馈控制的准确性，与传统的速度加速度前馈方法相比，进一步提升了机床进给系统的动态响应性能，进一步降低了机床进给的位置跟踪误差，提升了机床的加工精度。

31、4.本发明涉及的参数更少，操作更简单，实时性更强。

1.一种考虑系统延时的进给系统前馈方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的考虑系统延时的进给系统前馈方法，其特征在于：调整速度前馈量时间偏移参数为正值，速度前馈量时间偏移参数调试范围是从1开始，依次增加，增加的范围按照匀变速段的位置跟踪误差情况而定。

3.如权利要求1所述的考虑系统延时的进给系统前馈方法，其特征在于：当位置跟踪误差数据e2比位置跟踪误差数据e1更加靠近0，但是仍然不在0附近，需要进一步增加速度前馈量时间偏移参数。

4.如权利要求1所述的考虑系统延时的进给系统前馈方法，其特征在于：当位置跟踪误差数据e2反向远离0位置，降低速度前馈量时间偏移参数的值。

5.如权利要求1所述的考虑系统延时的进给系统前馈方法，其特征在于：在速度反馈回路上添加延时环节，该延时环节被近似为一阶惯性环节；此时控制系统的传递函数为：

6.如权利要求5所述的考虑系统延时的进给系统前馈方法，其特征在于：根据系统的位置跟踪误差传递函数，求得在机床运动时，由时间滞后引起的稳态误差表达式，系统在匀速运动、变速运动下的位置指令分别为：

7.如权利要求1所述的考虑系统延时的进给系统前馈方法，其特征在于：系统反馈通路与前馈通路同时存在延时环节时，速度前馈通路也增加了一阶惯性环节求得前馈通路与反馈回路均存在延时环节时的位置跟踪误差表达式：

8.如权利要求7所述的考虑系统延时的进给系统前馈方法，其特征在于：系统前馈回路和反馈回路同时存在时间滞后时，对匀速段的跟踪误差没有影响，变速段跟踪误差与τv,τ,a有关，当τv＝τ时，变速段跟踪误差同样不受时间滞后的影响。

9.一种考虑系统延时的进给系统前馈系统，其特征在于：所述系统包括存储器及处理器，所述存储器储存有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时执行权利要求1-8任一项所述的考虑系统延时的进给系统前馈方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于：所述计算机可读存储介质存储有机器可执行指令，所述机器可执行指令在被处理器调用和执行时，所述机器可执行指令促使所述处理器实现权利要求1-8任一项所述的考虑系统延时的进给系统前馈方法。