一種剛?cè)?機電耦合進(jìn)給系統(tǒng)的動態(tài)性能優(yōu)化設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種進(jìn)給系統(tǒng)的動態(tài)性能優(yōu)化設(shè)計方法。特別是涉及一種剛?cè)?機電 耦合進(jìn)給系統(tǒng)的動態(tài)性能優(yōu)化設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前的機床進(jìn)給系統(tǒng)機電耦合模型中機械結(jié)構(gòu)的建模方法大多為基于集中質(zhì)量 的剛體參數(shù)化建模方法，雖然建模效率較高，但無法真實反映機床各關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的柔性變 形。同時，進(jìn)給系統(tǒng)的運動精度與機電耦合特性密切相關(guān)，其機械結(jié)構(gòu)、伺服控制性能及其 兩者間的相互影響，共同制約著進(jìn)給系統(tǒng)的動態(tài)性能。
[0003] 因此，尋求一種剛?cè)?機電耦合進(jìn)給系統(tǒng)建模方法，通過對所建立響應(yīng)面模型仿 真分析，揭示機械結(jié)構(gòu)參數(shù)、伺服控制參數(shù)對進(jìn)給系統(tǒng)的動態(tài)性能的影響規(guī)律，并指導(dǎo)設(shè)計 人員進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，對改善進(jìn)給系統(tǒng)性能加快設(shè)計進(jìn)程具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種能夠更為全面的反映機床進(jìn)給系統(tǒng)的動 態(tài)性能的剛?cè)?機電耦合進(jìn)給系統(tǒng)的動態(tài)性能優(yōu)化設(shè)計方法。
[0005] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種剛?cè)?機電耦合進(jìn)給系統(tǒng)的動態(tài)性能優(yōu)化設(shè)計 方法，包括如下步驟：
[0006] 1)建立剛?cè)?機電耦合進(jìn)給系統(tǒng)模型；
[0007] 2)確定進(jìn)給系統(tǒng)動態(tài)性能優(yōu)化的設(shè)計變量、設(shè)計范圍以及評價指標(biāo)；
[0008] 3)采用中心復(fù)合試驗設(shè)計方法，在變量設(shè)計空間內(nèi)選取試驗樣本點；
[0009] 4)利用Matlab/Simulink軟件對試驗樣本點進(jìn)行分析計算，獲取相應(yīng)的響應(yīng)值；
[0010] 5)建立進(jìn)給系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制參數(shù)與動態(tài)性能評價指標(biāo)的響應(yīng)面模 型；
[0011] 6)分析設(shè)計變量對進(jìn)給系統(tǒng)動態(tài)性能的靈敏度影響，確定所述影響規(guī)律，并進(jìn)行 進(jìn)給系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制參數(shù)的優(yōu)化改進(jìn)。
[0012] 步驟1)所述的建立剛?cè)?機電耦合進(jìn)給系統(tǒng)模型，包括：
[0013] (1)建立機床進(jìn)給系統(tǒng)的CAD模型，并導(dǎo)入ANSYS軟件中建立進(jìn)給系統(tǒng)有限元模 型；
[0014] (2)在Matlab/Simulink軟件中建立進(jìn)給系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)的剛?cè)狁詈夏Ｐ停?br>[0015] (3)將進(jìn)給系統(tǒng)剛?cè)狁詈夏Ｐ团c控制進(jìn)給系統(tǒng)的伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行耦合得到剛 柔-機電耦合進(jìn)給系統(tǒng)模型。
[0016] 第（2)步所建立的進(jìn)給系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)的剛?cè)狁詈夏Ｐ椭校采砗凸ぷ髋_模型是基 于模態(tài)縮減法建立的柔性動力學(xué)模型，而滾珠絲杠模型是基于集中參數(shù)法建立的剛體動力 學(xué)模型，所述的剛?cè)狁詈夏Ｐ褪峭ㄟ^床身、工作臺和滾珠絲杠之間的作用關(guān)系，將所建立的 柔性動力學(xué)模型和剛體動力學(xué)模型耦合得到進(jìn)給系統(tǒng)剛?cè)狁詈夏Ｐ汀?br>[0017] 步驟2)中：
[0018] 所述的設(shè)計變量包括進(jìn)給系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制參數(shù)，其中，所述的機械結(jié) 構(gòu)參數(shù)有絲杠導(dǎo)程、螺母副剛度和工作臺質(zhì)量，所述的控制參數(shù)有位置環(huán)增益和速度環(huán)增 益；
[0019] 所述的變量設(shè)計范圍，是將所述的設(shè)計變量的初始值作為中間值，將初始值增大 20%作為設(shè)計變量的最大值，將初始值減小20%作為設(shè)計變量的最小值而構(gòu)成的范圍；
[0020] 所述的評價指標(biāo)是指進(jìn)給系統(tǒng)的響應(yīng)效率評價指標(biāo)、定位精度評價指標(biāo)和延遲特 性評價指標(biāo)。
[0021] 所述的進(jìn)給系統(tǒng)的響應(yīng)效率評價指標(biāo)為：
[0022]
[0023] 其中，tp為進(jìn)給系統(tǒng)走完行程的理論時刻，t。為實際位移到達(dá)理想位移誤差e范 圍內(nèi)的時刻，為測試結(jié)束時刻；
[0024] 所述的定位精度評價指標(biāo)，是選取進(jìn)給系統(tǒng)走完行程的理論時刻作為特征點，將 在理論時刻的實際位移與理想位移的比作為定位精度的評價指標(biāo)；
[0025] 所述的延遲特性評價指標(biāo)，是將進(jìn)給系統(tǒng)實際達(dá)到峰值的時刻與進(jìn)給系統(tǒng)到達(dá)峰 值的理論時刻的比作為延遲特性的評價指標(biāo)。
[0026] 步驟5)中所述的響應(yīng)面模型，是以進(jìn)給系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制參數(shù)作為設(shè) 計變量，進(jìn)給系統(tǒng)的響應(yīng)效率評價指標(biāo)、定位精度評價指標(biāo)和延遲特性評價指標(biāo)作為輸出 響應(yīng)值，建立的n個設(shè)計變量的二階響應(yīng)面模型表示為：
[0027]
[0028] 式中：y為輸出變量；Xi為設(shè)計變量；n為設(shè)計變量的個數(shù)；0為待定系數(shù)，由最小 二乘回歸法擬合得到。
[0029] 步驟6)中所述的分析設(shè)計變量對進(jìn)給系統(tǒng)動態(tài)性能的靈敏度影響，確定所述影 響規(guī)律，并進(jìn)行進(jìn)給系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制參數(shù)的優(yōu)化改進(jìn)，是通過對進(jìn)給系統(tǒng)的響 應(yīng)效率評價指標(biāo)、定位精度評價指標(biāo)和延遲特性評價指標(biāo)的響應(yīng)面模型的分析計算，所述 的分析計算是采用局部靈敏度分析方法，具體是對機械結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制參數(shù)中的一個設(shè)計 變量在變量設(shè)計范圍之內(nèi)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，其它的設(shè)計變量取初始值，計算模型在所述的進(jìn) 行參數(shù)調(diào)整的設(shè)計變量每次參數(shù)調(diào)整前后響應(yīng)值的相對變化量，就是進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和 控制參數(shù)對評價指標(biāo)的靈敏度。按所述的方法依次分析其它設(shè)計變量，根據(jù)得到的靈敏度 分析結(jié)果，確定設(shè)計變量對進(jìn)給系統(tǒng)動態(tài)性能影響規(guī)律。針對影響規(guī)律，對原始設(shè)計方案的 結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整改進(jìn)，提高進(jìn)給系統(tǒng)的動態(tài)性能。
[0030] 本發(fā)明的一種剛?cè)?機電耦合進(jìn)給系統(tǒng)的動態(tài)性能優(yōu)化設(shè)計方法，是基于模態(tài)縮 減法的剛?cè)狁詈辖７椒?，并與伺服控制系統(tǒng)耦合建立進(jìn)給系統(tǒng)機電耦合模型仿真分析， 能夠更為全面的反映機床進(jìn)給系統(tǒng)的動態(tài)性能。本發(fā)明通過對進(jìn)給系統(tǒng)動態(tài)性能響應(yīng)面模 型分析計算，得到機械結(jié)構(gòu)和控制參數(shù)對進(jìn)給系統(tǒng)動態(tài)性能的影響規(guī)律，指導(dǎo)進(jìn)給系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)及控制參數(shù)的優(yōu)化改進(jìn)。
【附圖說明】
[0031] 圖1是本發(fā)明剛?cè)醎機電耦合進(jìn)給系統(tǒng)的動態(tài)性能優(yōu)化設(shè)計方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0032] 下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明的一種剛?cè)?機電耦合進(jìn)給系統(tǒng)的動態(tài)性能優(yōu) 化設(shè)計方法做出詳細(xì)說明。
[0033] 如圖1所示，本發(fā)明的一種剛?cè)?機電耦合進(jìn)給系統(tǒng)的動態(tài)性能優(yōu)化設(shè)計方法，其 特征在于，包括如下步驟：
[0034] 1)建立剛?cè)?機電耦合進(jìn)給系統(tǒng)模型，包括：
[0035] (1)建立機床進(jìn)給系統(tǒng)的CAD模型，并導(dǎo)入ANSYS軟件中建立進(jìn)給系統(tǒng)有限元模 型；
[0036] 在Pro/E軟件中建立機床進(jìn)給系統(tǒng)的實體模型，并進(jìn)行簡化處理，刪除對分析結(jié) 果近乎無影響的小結(jié)構(gòu)信息。
[0037] 將機床進(jìn)給系統(tǒng)簡化模型導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS中，定義材料屬性，建立 實體單元和Combinl4彈簧阻尼單元，在各結(jié)構(gòu)件的結(jié)合面處建立相應(yīng)的硬點對，添加邊界 條件和載荷、劃分有限元網(wǎng)格，其中，導(dǎo)軌、絲杠作為機床關(guān)鍵運動部件，其連接剛度通過導(dǎo) 軌絲杠產(chǎn)品手冊得到，阻尼參數(shù)參考相關(guān)文獻(xiàn)獲得，根據(jù)查得數(shù)據(jù)設(shè)置彈簧阻尼單元的實 常數(shù)，建立進(jìn)給系統(tǒng)有限元模型。
[0038] (2)在Matlab/Simulink軟件中建立進(jìn)給系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)的剛?cè)狁詈夏Ｐ停?br>[0039] 應(yīng)用ANSYS命令流來提取所述進(jìn)給系統(tǒng)有限元模型各結(jié)構(gòu)件的full文件、各結(jié)合 面所有硬點位置坐標(biāo)參數(shù)以及剛度阻尼值等參數(shù)，并應(yīng)用模態(tài)縮減軟件MORforANSYS，對各 結(jié)構(gòu)件分別進(jìn)行模態(tài)縮減處理，獲取各結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣、輸入和輸出矩陣，產(chǎn) 生的縮減模型幾乎包含了原始有限元模型的所有參數(shù)信息。在本發(fā)明實施例中將各結(jié)構(gòu)件 縮減后的矩陣設(shè)為100階，以保證縮減的模型的精度。
[0040] 將各結(jié)構(gòu)件的縮減矩陣導(dǎo)入到Matlab軟件中，建立多自由度系統(tǒng)的運動微分方 程，可表示為：
[0041]
[0042] 式中，MKi、DKi、KKi為縮減后進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)件i的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣； B、C分別為進(jìn)給系統(tǒng)的輸入和輸出矩陣。
[0043] 在Matlab/Simulink環(huán)境下，采用狀態(tài)空間建模方法，把各結(jié)構(gòu)件的運動微分方 程轉(zhuǎn)化成狀態(tài)空間方程，如下式所示：
[0044]
[0045] 應(yīng)用集中參數(shù)法建立滾珠絲杠結(jié)構(gòu)的剛體動力學(xué)模型，同樣用上述方法轉(zhuǎn)化成狀 態(tài)空間方程。
[0046] 所建立的進(jìn)給系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)的剛?cè)狁詈夏Ｐ椭?，床身和工作臺模型是基于模態(tài)縮 減法建立的柔性動力學(xué)模型，而滾珠絲杠模型是基于集中參數(shù)法建立的剛體動力學(xué)模型， 所述的剛?cè)狁詈夏Ｐ褪峭ㄟ^床身、工作臺和滾珠絲杠之間的作用關(guān)系，將所建立的柔性動 力學(xué)模型和剛體動力學(xué)模型耦合得到進(jìn)給系統(tǒng)剛?cè)狁詈夏Ｐ汀?br>[0047] (3)將進(jìn)給系統(tǒng)剛?cè)狁詈夏Ｐ团c控制進(jìn)給系統(tǒng)的伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行耦合得到剛 柔-機電耦合進(jìn)給系統(tǒng)模型。
[0048] 本發(fā)明實施例中采用典型的三環(huán)PID伺服控制系統(tǒng)，在Matlab/Simulink中建立 了包含位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)與交流同步伺服電機的伺服控制系統(tǒng)模型，根據(jù)伺服控制系 統(tǒng)與進(jìn)給系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)間的輸入輸出關(guān)系，將伺服控制系統(tǒng)模型與進(jìn)給系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)的剛 柔耦合模型進(jìn)行耦合，建立剛?cè)?機電耦合進(jìn)給系統(tǒng)仿真模型。
[0049] 2)確定進(jìn)給系統(tǒng)動態(tài)性能優(yōu)化的設(shè)計變量、設(shè)計范圍以及評價指標(biāo)，其中：
[0050] 所述的設(shè)計變量包括進(jìn)給系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制參數(shù)，其中，所述的機械結(jié) 構(gòu)參數(shù)有絲杠導(dǎo)程、螺母副剛度和工作臺質(zhì)量，所述的控制參數(shù)有位置環(huán)增益和速度環(huán)增 益；
[0051] 所述的變量設(shè)計范圍，是將所述的設(shè)計變量的初始值作為中間值，將初始值增大 20%作為設(shè)計變量的最大值，將初始值減小20%作為設(shè)計變量的最小值而構(gòu)成的范圍；
[0052] 所