[发明专利]一种刚柔-机电耦合进给系统的动态性能优化设计方法

摘要

一种刚柔‑机电耦合进给系统的动态性能优化设计方法：建立刚柔‑机电耦合进给系统模型；确定进给系统动态性能优化的设计变量、设计范围以及评价指标；采用中心复合试验设计方法，在变量设计空间内选取试验样本点；利用Matlab/Simulink软件对试验样本点进行分析计算，获取相应的响应值；建立进给系统的机械结构参数和控制参数与动态性能评价指标的响应面模型；分析设计变量对进给系统动态性能的灵敏度影响，确定所述影响规律，并进行进给系统的机械结构参数和控制参数的优化改进。本发明通过对进给系统动态性能响应面模型分析计算，得到机械结构和控制参数对进给系统动态性能的影响规律，指导进给系统结构及控制参数的优化改进。

主权项

1.一种刚柔‑机电耦合进给系统的动态性能优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：1)建立刚柔‑机电耦合进给系统模型；所述的建立刚柔‑机电耦合进给系统模型，包括：(1)建立机床进给系统的CAD模型，并导入ANSYS软件中建立进给系统有限元模型；(2)在Matlab/Simulink软件中建立进给系统机械结构的刚柔耦合模型；所建立的进给系统机械结构的刚柔耦合模型中，床身和工作台模型是基于模态缩减法建立的柔性动力学模型，而滚珠丝杠模型是基于集中参数法建立的刚体动力学模型，所述的刚柔耦合模型是通过床身、工作台和滚珠丝杠之间的作用关系，将所建立的柔性动力学模型和刚体动力学模型耦合得到进给系统刚柔耦合模型；(3)将进给系统刚柔耦合模型与控制进给系统的伺服控制系统进行耦合得到刚柔‑机电耦合进给系统模型；2)确定进给系统动态性能优化的设计变量、设计范围以及评价指标；其中：所述的设计变量包括进给系统的机械结构参数和控制参数，其中，所述的机械结构参数有丝杠导程、螺母副刚度和工作台质量，所述的控制参数有位置环增益和速度环增益；所述的变量设计范围，是将所述的设计变量的初始值作为中间值，将初始值增大20％作为设计变量的最大值，将初始值减小20％作为设计变量的最小值而构成的范围；所述的评价指标是指进给系统的响应效率评价指标、定位精度评价指标和延迟特性评价指标；所述的进给系统的响应效率评价指标为：其中，tp为进给系统走完行程的理论时刻，tc为实际位移到达理想位移误差ε范围内的时刻，te为测试结束时刻；所述的定位精度评价指标，是选取进给系统走完行程的理论时刻作为特征点，将在理论时刻的实际位移与理想位移的比作为定位精度的评价指标；所述的延迟特性评价指标，是将进给系统实际达到峰值的时刻与进给系统到达峰值的理论时刻的比作为延迟特性的评价指标；3)采用中心复合试验设计方法，在变量设计空间内选取试验样本点；4)利用Matlab/Simulink软件对试验样本点进行分析计算，获取相应的响应值；5)建立进给系统的机械结构参数和控制参数与动态性能评价指标的响应面模型；所述的响应面模型，是以进给系统的机械结构参数和控制参数作为设计变量，进给系统的响应效率评价指标、定位精度评价指标和延迟特性评价指标作为输出响应值，建立的n个设计变量的二阶响应面模型表示为：式中：y为输出变量；xi为设计变量；n为设计变量的个数；β为待定系数，由最小二乘回归法拟合得到；6)分析设计变量对进给系统动态性能的灵敏度影响，确定所述影响规律，并进行进给系统的机械结构参数和控制参数的优化改进；所述的分析设计变量对进给系统动态性能的灵敏度影响，确定所述影响规律，并进行进给系统的机械结构参数和控制参数的优化改进，是通过对进给系统的响应效率评价指标、定位精度评价指标和延迟特性评价指标的响应面模型的分析计算，所述的分析计算是采用局部灵敏度分析方法，具体是对机械结构参数和控制参数中的一个设计变量在变量设计范围之内进行参数调整，其它的设计变量取初始值，计算模型在所述的进行参数调整的设计变量每次参数调整前后响应值的相对变化量，就是进给系统结构参数和控制参数对评价指标的灵敏度；按上述的方法依次分析其它设计变量，根据得到的灵敏度分析结果，确定设计变量对进给系统动态性能影响规律；针对影响规律，对原始设计方案的结构参数和控制参数进行相应的调整改进，提高进给系统的动态性能。