[发明专利]一种基于动态测试数据的进给系统闭环时域仿真方法

说明书

本发明提供一种基于动态测试数据的进给系统闭环时域仿真方法，包括如下步骤：1.基于伺服电机自激励进行动态测试与频响估计，对激励与响应信号进行频响估计得到1入3出频响阵；2.基于进给系统控制结构，得到指令位移输入到工作台面位移响应输出的闭环频率特性；3.利用傅里叶逆变换求取进给系统的单位脉冲响应；将单位脉冲响应与指定位移指令进行时域卷积，求得闭环时域响应输出作为进给系统闭环时域仿真输出。本发明克服了相关方法的建模复杂性与建模精度或辨识精度的问题，具有简单直接、精度高的特点。提供了一种进给系统高阶动态特性的实验建模与时域仿真方法，可用于单轴运动精度的预测与评价，也可用于控制器的设计与参数优化设置。

技术领域

本发明属于进给系统动态特性建模与时域仿真技术，涉及动态测试技术、频响估计方法与时域仿真方法，具体为一种基于动态测试数据的进给系统闭环时域仿真方法。

背景技术

数控机床是重要的机械制造装备，进给轴的性能是机床实现高速高精加工的前提与基础。在机床设计与调试阶段，往往需要通过对进给轴的指令输入与实际响应进行时域考察，从而分析其稳态误差、动态误差，进行性能评价，用于进一步的优化设计与控制器参数优化设置。

进行时域分析最直接的方法是利用系统的内部信号采集功能，即利用伺服或数控系统提供的扭矩指令、位移指令和位移反馈等信号进行分析。这种方法的一个局限是无法采集闭环外的工作台处或主轴端部的运动信号，而这些点的误差响应正是直接影响加工质量的；另一个局限是该法无法应用于设计阶段，必须在机械、控制完全安装好后才能施行，此时进行的分析得到的结果很难再用于机械的结构优化与控制器的选取。

另一个最常用的方法是采用多刚体动力学或有限元方法对机械部分进行建模，再考虑控制作用构成机电集成模型，往往获得传递函数形式或状态空间方程形式的模型，再进行时域仿真分析。这种方法的局限是存在模型复杂性与准确性的矛盾，采用低阶模型计算效率高、便于分析，但误差大，特别是在动态误差的预测上误差更大；采用高阶或有限元模型则带来计算效率低、模型参数辨识困难等问题。

第三种方法是将动态特性测试得到的脉冲响应或频率响应辨识为传递函数或状态空间模型，再进行时域分析。这种方法同样面临待辨识模型阶次的选择、辨识效率与精度的权衡等问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于动态测试数据的进给系统闭环时域仿真方法，直接应用动态测试数据进行时域仿真，具有计算过程简洁和精度高的特点，同时避免了直接建模或模型辨识所带来的效率与精度问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于动态测试数据的进给系统闭环时域仿真方法，包括如下步骤，

步骤1，基于伺服电机自激励进行动态测试与频响估计，对激励与响应信号进行频响估计得到1入3出频响阵；

步骤2，根据被控对象模型和步骤1中得到的1入3出频响阵，基于进给系统的控制结构，得到指令位移输入到工作台面位移响应输出的闭环频率特性；

步骤3，根据步骤2中的闭环频率特性，利用傅里叶逆变换求取进给系统的单位脉冲响应；将单位脉冲响应与指定位移指令进行时域卷积，求得闭环时域响应输出作为进给系统闭环时域仿真输出。

优选的，步骤1中，使用进给系统的伺服电机产生一定幅值与频宽的扫频激励扭矩，分别利用编码器、长光栅与加速度传感器采集电机转子、滑台底部与工作台面处的动态响应，对激励与响应信号进行频响估计求取电机-编码器频响、电机-长光栅频响和电机-工作台频响，并构成1入3出频响阵。

进一步，采用的电机扫频激励扭矩如下，

T₁(t)＝Asin(ω_t(t)t)

ω_t(t)＝a+bt,t∈[0,t₀]