一种考虑加工过程的直驱进给系统推力预测方法及系统

技术领域

本发明属于电机驱动与控制技术领域，具体涉及一种考虑加工过程的直驱进给系统推力预测方法及系统。

背景技术

永磁同步直线电机驱动下的直驱进给系统取消了所有中间机械传动环节，能够实现进给运动的“零传动”，具有结构简单、刚度大、进给速度高以及运动性能好等优点，在机器人、轨道交通、高速机床等领域具有良好的应用前景。然而没有了传动环节的缓冲，受驱动电路和电机结构非线性产生的推力谐波，直接作用于机械系统，造成了显著的位移波动，影响进给系统的运动性能。为此国内外学者针对直线电机推力波动问题，开展了大量的研究工作，提出了多种的结构优化与控制补偿方法，这些方法对于改善直驱进给系统的推力波动和运动精度具有重要的意义。

但是目前在高速机床的应用中，直驱进给系统的性能优势并没有得到充分发挥，推力分析与计算的相关研究工作中，主要是针对永磁同步直线电机本身，而对于驱动系统的动态特性以及应用场景关注还不够。尤其在高速机床复杂零件加工过程中，加工过程对于直驱进给系统推力特性的影响规律还没有完全揭示，电机推力预测与实际存在较大的误差，导致在实际应用中，尽管采用了相应的电机结构与推力补偿策略，但在电机推力中仍然有大量的谐波成分，影响进给系统的运动性能和最终的零件加工精度，制约了直驱进给系统的应用普及。

发明内容

本发明的目的在于提供一种考虑加工过程的直驱进给系统推力预测方法及系统，针对应用于高速机床中的直驱进给系统，解决现有技术中存在的关于直线电机推力特性表征不全面的问题，实现对加工过程中电机推力的精确预测，为进给系统的误差溯源以及进一步的结构优化与控制补偿提供理论依据。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供的一种考虑加工过程的直驱进给系统推力预测方法，包括如下步骤：

步骤1，获取直驱进给系统在加工过程中切削力三个方向上的频率特性；

步骤2，计算直驱进给系统在步骤1中所得切削力的扰动作用下的机械振动响应；

步骤3，根据步骤2中得到的机械振动响应，计算考虑机械振动响应的伺服驱动电流与电机气隙磁场；

步骤4，根据得到的伺服驱动电流与电机气隙磁场，计算得到考虑加工过程的直线电机推力；

步骤5，根据得到的直线电机推力，对直驱进给系统的推力进行预测。

优选地，步骤1中，获取得到的直驱进给系统在加工过程中切削力三个方向上的频率特性的具体表达式是：

其中，F

优选地，步骤2中，通过下式计算直驱进给系统在步骤1中所得的切削力扰动作用下的机械振动响应：

其中，X为机械系统的振动输出向量；x

优选地，步骤3中，根据步骤2中得到的机械振动响应，计算考虑机械振动响应的伺服驱动电流与电机气隙磁场，具体方法是：

其中，i

优选地，步骤4中，通过下式计算考虑加工过程的直线电机推力：

其中，F

优选地，步骤5中，根据得到的直线电机推力，对直驱进给系统的推力进行预测，具体方法是：

对得到的电机推力进行频谱分析，分析预测得到考虑加工过程的直驱进给系统推力，得到的考虑加工过程的直驱进给系统推力如下式所示：

F

其中，F

一种考虑加工过程的直驱进给系统推力预测系统，包括：

频率特性获取单元，用于获取直驱进给系统在加工过程中切削力三个方向上的频率特性；

机械振动响应计算单元，用于计算直驱进给系统在所得切削力的扰动作用下的机械振动响应；

分析模型建立单元，用于根据得到的机械振动响应，计算考虑机械振动响应的伺服驱动电流与电机气隙磁场；

推力计算单元，用于根据得到考虑机械振动响应的伺服驱动电流与电机气隙磁场，计算得到考虑加工过程的直线电机推力；

预测单元，用于根据得到的直线电机推力，对直驱进给系统的推力进行预测。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明所提出的考虑加工过程的直驱进给系统推力预测方法，在传统电机推力特性计算与分析的基础上，进一步分析了加工过程中切削力对伺服驱动系统与机械系统之间复杂机电耦合作用的影响，完善了直线电机输出特性的表征计算方法，该方法能够考虑零部件切削加工过程对直线电机的推力频谱特征进行全面的计算与分析，对于揭示直线电机实际工程应用中的推力波动问题的成因，以及进一步的结构优化和控制补偿具有重要意义。

附图说明

图1是考虑加工过程的直线电机推力计算过程；

图2是切削力扰动作用下的直驱进给系统；

图3是考虑加工过程与不考虑加工过程的直线电机推力对比。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1所示，本发明提供一种考虑加工过程的直驱进给系统推力预测方法，包括如下步骤：

步骤一：通过实验测试或者理论计算，获取直驱进给系统在加工过程中切削力三个方向上的频率特性：

其中，F

步骤二：建立直驱进给系统的机械动力学模型，即：

其中，X为机械系统的振动输出向量；M,C,K分别为直驱机械系统的惯量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；F

将直驱进给系统机械动力学模型和步骤一所得切削力相结合，计算得到加工过程中的机械系统振动响应：

其中，X为机械系统的振动输出向量；x

步骤三：考虑步骤二得到的加工过程中机械系统振动响应，如图2所示，计算考虑机械振动响应的伺服驱动电流与电机气隙磁场：

其中，i

步骤四：根据得到的考虑机械振动响应影响的伺服驱动电流以及电机气隙磁场，计算得到考虑加工过程的直线电机推力：

其中，F

步骤五：对步骤四得到的电机推力进行频谱分析，分析加工过程中直驱进给系统推力谐波的主要来源，指导进一步的结构优化和控制补偿。

得到的直线电机推力如下式所示：

F

其中，F

本发明提供的一种考虑加工过程的直驱进给系统推力预测系统，包括：

频率特性获取单元，用于获取直驱进给系统在加工过程中切削力三个方向上的频率特性；

机械振动响应计算单元，用于计算直驱进给系统在所得切削力的扰动作用下的机械振动响应；

分析模型建立单元，用于根据得到的机械振动响应，计算考虑机械振动响应的伺服驱动电流与电机气隙磁场；

推力计算单元，用于根据得到考虑机械振动响应的伺服驱动电流与电机气隙磁场，计算得到考虑加工过程的直线电机推力；

预测单元，用于根据得到的直线电机推力，对直驱进给系统的推力进行预测。

实施案例

具体的，以一台直线电机驱动的高速五轴加工中心为实施案例，选择x轴作为测试对象，刀具和切削参数如表1所示。切削力利用Ki st ler 9265B测功机进行测量，采样频率为20kHz，采用数控系统(Heidenhain,LMP28-200-3WDE-232)监控软件测量电机推力，采样频率为1kHz。

表1加工参数表

1)通过实验测试或者理论计算，获取加工过程中切削力三个方向上的频率特性：

2)建立直驱进给系统的机械动力学模型，计算考虑切削力扰动作用下的机械不同方向上的动态振动响应:

3)考虑步骤二得到的加工过程中机械振动响应，算考虑机械振动响应的伺服驱动电流与电机气隙磁场：

4)根据得到的考虑机械振动响应影响的伺服驱动电流以及电机气隙磁场，计算得到考虑加工过程的直线电机推力：

由于该加工中心中所有直线电机部分性能参数未知，受限于实验条件，未开展参数辨识工作，因此仅对频率成分进行验算。提取相应的频率，将理论计算结果和实验测试结果进行对比，如表2-4所示。由表可得，在零件加工过程中，由于切削力谐波和推力原有谐波耦合作用，确实会产生大量的新生推力谐波成分，其频率的实验测试结果与理论计算结果最大偏差仅为2.03％，证明了前面推力特性建模与计算的可靠性和有效性。

表2第一阶切削力谐波对直线电机推力特性的影响结果

表3第二阶切削力谐波对直线电机推力特性的影响结果

表4第三阶切削力谐波对直线电机推力特性的影响结果

5)根据第四步得到的电机推力进行频谱分析，分析加工过程中直驱进给系统推力谐波的主要来源，得到：

F

根据各个谐波的频率分布可得，加工过程中直驱进给系统的推力谐波主要来源于五方面，其一是由原本驱动电路非线性和电机结构非线性产生的低频波动，其二是由于切削力扰动产生的电机调节推力，其三是由于加工过程切削力通过改变气隙磁场所产生的新的推力谐波，其四是由于加工过程切削力通过影响驱动电流所产生的新的推力谐波，其四是其他因素导致的推力谐波。

对比考虑加工过程与不考虑加工过程中推力的频率特性，如图3所示，可以得出切削力扰动主要通过两种途径影响直线电机的输出推力：一种是通过产生进给位移波动，生成编码器反馈误差，通过伺服驱动器，与原有推力谐波发生耦合作用，产生新的推力谐波，在此过程中，如果线性编码器安装不恰当，会产生非理想的编码器误差，加剧耦合现象；第二种是三个方向的多频切削力扰动会加剧直驱进给系统机械部件的振动，其中具有法向分量的机械振动会引起直线电机气隙波动，进而直接产生新的推力谐波成分。因此针对应用于高速机床中的直驱进给系统，应该根据机床结构形式，优化结构布局，减小切削力扰动对直驱进给系统的影响，此外应根据推力谐波的频率分析特征，添加相应的控制策略，改善加工过程中的推力波动现象，保证零件的加工精度。