基于Isight的机床伺服参数优化技术研究.pdf

I 造 lI 化 基于I s i g h t 的机床伺服参数优化技术研究 St udy on m achi ne t ool ser v o par am e t er s opt i m i z at i on t echn ol ogy based on i si ght 孙名佳，曹文智，马晓波 S UN Mi n g - j i a ， C AO We n ． z h i ， MA X i a o ． b o 沈阳机床 集团有限责任公司 高档数控机床国家重点实验室，沈阳 1 1 0 1 4 2 摘 要在研究数控机床伺服进给机构数学模型的基础上，应用S i m u l i n k 建立其仿真模型。在研究伺服 进给机构特性的基础上，制定伺服参数优化的目标函数。之后给出了基于I s i 8 h t 软件，根据目 标函数和S i mu l in k 仿真模型的伺服参数优化技术。将优化参数应用于数控系统，得出实际优化 效果，并与仿真结果相比较验证该优化技术的实用性。 关键词机床；伺服参数优化；I s i s h t 中图分类号T P2 9 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 -0 1 3 4 2 0 1 3 0 8 下 - 0 0 2 7 -0 3 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． is s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 0 1 3 ． 0 8 ． 0 9 0 引言 现代数控机床要 求伺服控制向高精度 、高速 度方向发展 ，这就要求必须提高伺服控制 的响应 速度和跟随精度Ⅲ，而伺服参数优化技术正可以在 现有的基础上尽可能地提高 系统的动态性能 。通 常的伺服参数优化是基于经验 的工程调试法 ，这 种方法的优点是方便实用 ，适用于实际机床调试 。 缺点是很难找到最优 的参数 ，无法最大限度地发 挥机床的动态性能。因此需要一种既能找到最优参 数 ，又能适用于实际调试的参数优化技术。 本文介绍了基 于I s i g h t 与S i mu l i n k 仿真模型 的 伺服参数优化技术 。该技术可 以根据 目标 函数得 出最优 的伺服参数 。文 中还将仿真结果与实测结 果相比较 ，验证了该优化技术的实用性 。 1 伺服进给机构动力学建模 数控机床伺服进给机构框图如图1 所示，一般 包括控制 系统 、驱动器 、伺服 电机 和机 械传动 系 统四个部分 。它们的动力学模型如下所示。 图1 伺服进给机构框 图 控制 系统数控机 床伺服控制系统一般采用 三 闭环结构 ，其 中由内到外分别为 电流环 、速度 环和位置环 如图1 所示 。电流环和速度环采用 比 例 积分控制 P I 控制 ，位置环采用 比例控制 P 控 制 。为了保证系统的稳定性 ，控制器中还设置 了 电流滤波器和速度滤波器 。 驱动器 目前 常用 的驱动 器形 式为正弦波脉 宽调 1] S P WM ，一般可以将其 简化成一阶惯性环 节， 其时间常数为 聊，通常取 { ，式中 为S P WM三 角波载波频率 。S P WM逆变器的放 大系数 阜。式中 为S P WM逆变器输出 2 42 电压幅值， 为三角波载波的幅值 。 伺服 电机 目前数控机床 常用的伺服电机为 永磁交流 同步伺服电机 P MS M ，并且采用矢量控 制技术。其数控模型为 『 ] I Ra 一 I『‘ ] 1 Uq l， 其 中 为 q 轴 电 l l 笠一 旦 J l 一 互I 一 L J L j 流； 1 为转子角速度； 为绕组等效电阻；L a 为 电枢 电感 ； 为感 应 电动 势 系数 ； 为转矩 系 数； 为 电动机转子和负载总转动惯量 ； 为粘滞 摩擦 系数； 为电动机 负载转矩 。 。 为q 轴电压。 收稿日期2 0 1 3 - 0 4 - 1 0 基金项目国家重点基础研究发展计划 9 7 3 计划多轴联动数控机床伺服进给机构误差测试与溯源 2 0 l 2 c B 7 2 4 3 0 5 作者简介孙名佳 1 9 8 5一，男，辽宁人，电气工程师，硕士，研究方向为数控机床优化、机床电气设计与补偿和 机床调试等。 第3 5 卷第8 期2 0 1 3 0 8 下 [ 2 7 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 造 匐 似 机械传动 系统 一般 的单轴直连式机械传动 系统将 滚珠 丝杠 与 伺服 电机转 子通 过联 轴器 相 连 ，将 电机轴 的旋转运动转换 成工作 台的直线运 动 。建模 不仅要考虑各机械部件 的转动惯量 ，还 要考虑 电机转子与丝杠 ，丝杠与丝母等部件间的 连接 刚度 ，并且要根据实际情况做具体调整 ，下 面给出了参考的动力学模型 一 O I - 0 2 j d 2 0 e 1 - 0 2 一 一 M 笋 一 0 2 X P／ 其 中J 为电机 转子的转动惯 量，T 为电机输 出力矩 ， 0 为电机转子旋转角度，K。 为电机转子 与丝杠间的连接刚度 ， 0 为滚珠丝杠旋转角度， J 。 为滚珠丝杠的转动惯量 ，x 为将滚珠丝杠旋转角 度按照导程 P 折算出的直线位移，K 为丝母与丝 杠 间的连接 刚度 ，x 为工作 台的直线位移 ，M为 工作台与丝母的总质量。 2 基于I s i g h t 的伺服参数优化 I s i g h t 件是 由美国的易擎软件公司 E n g i n e o u s S o f t w a r e ，I n e 近年来推出的一个集工业优化设计 和 自动化分析计算于一体的多学科优化软件 】 。它 能够集成商用CA D、C AE和 自编软件的多学科联 合仿真 ，实现传统手工设计、分析 与优化流程的 自动化和标准化 ，进行多方案 自动评估 比较 ，最 大限度重用模型 、流程和知识，提高设计效率， 缩短设计周期。 基于I s i g h t 软件 ，应用伺服进给机构S i mu l i n k 仿真模型可 以实现伺服参数的 自动优化 。下面将 以我公司西门子8 4 0 D数控 系统实验 台为例介绍该 优化技术。 2 ． 1伺服进给机构S imu l in k 仿真模型 西 门子8 4 0 D实验台配有两个规格相 同的永磁 交流 同步电机 ，分别为X轴和Y轴 ，无机械传动部 分 。现在 以X轴为例建立S i mu l i n k 仿真模型 ，其结 构框图如图2 所示。 图2 西 门子8 4 0 D实验 台X轴结构框 图 [ 2 8 1 第3 5 卷第8 期2 0 1 3 0 8 下 值 根据上文介绍的建模原理 ，应用S i mu l i n k 搭建 了仿真模型，如图3 所示 。 图3 S i m u l i n k 仿真模型 2 ．2优化测试设计与目标函数的制定 伺服参数优化的 目的是提高机床的响应速 度 和跟随精度 。伺服参数优化主要以速度环阶跃 响 应、速度环扰动阶跃 响应和位置环阶跃响应等 测 试结果为依据 ，目标 函数 的制定需要综合考虑这 些测试结果。因此优化测试设计为 应用仿真模型同时进行速度环阶跃 响应 、速 度环扰动阶跃响应和位置环阶跃响应测试 。并 以 一 定的采样频率记录各测试过程的输入和输 出值 等参数，数据记录点数为N，现定义 速度环阶跃响应跟随误差绝对值之和a 口 ∑I n ,e, 一 ，z ， f l ， 其 中 删 为 速 度 环 阶 跃 晌 i 1 应的速度设定值， ， f 为速度环阶跃响应的速 度实际值 。 速度环扰动 阶跃 响应速 度实 际值 的绝对值之 和b b ∑l ， I ， 其中 f 为 速度 环扰 动阶 跃 i i 响应的速度实际值 。 无超调情况下 ，位置环阶跃 响应跟随误差绝 对值 之 和C N I 1 c IX s f 一 ‰ f l ， if m a x x f f X se ， ， i 1 ， 2 ， 3 ⋯ N【 ’ C o O ， ／f m a x x ∞ ， f X s ， i 1 ， 2 ， 3 ⋯ NJ 其 中 为位置环阶跃 响应 的位置设定值，x Q a i 为位置环阶跃响应的位置实际值 。 综合考虑速度环和位置环的动态特性 ，目标 函数f 制定为 f -- 0 ． 0 1 * a 0 ． 0 1 b c 2 优化 目的是令f 值最小。 2 ．3 Is ig h t 优化流程搭建 需 要 优 化 的 伺 服 参 数 为 速 度 环 比例 增 益 K p ，速度环积分时间常数 T n ，位置环比例增益 Kv 。 I s i g h t 优化流程包括一个O p t i mi z a t i o n 模块和一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m