一种机床进给系统的刚度阻尼辨识方法与流程

1.本发明属于数控机床进给系统参数辨识技术领域，更具体地，涉及一种机床进给系统的刚度阻尼辨识方法。


背景技术：

2.数控机床，作为一种高效率、高精度、高自动化的加工设备，在制造业中具有十分重要的地位。数控机床的应用范围越来越广泛，包括航空航天、汽车、核电、医疗机械、工程机械等领域。数控机床结构复杂，建立机床的动力学模型有助于分析机床的动态特性，对提高机床的加工精度，改善机床动态特性有着重要作用。
3.机床进给系统的动力学模型主要涉及其机械传动与执行系统。机械传动与执行系统主要由传动机构与执行机构组成，是一个典型的空间多体系统，进行建模时主要采用多体系统动力学的建模方式，进给系统参数辨识的目的是使得搭建的进给系统仿真模型具有更高的仿真精度，能够更加准确地反应真实机床进给系统的动态特性，从而使仿真模型能为提高机床进给系统的动态性能、跟踪精度、加工效率和加工质量提供更好的帮助。
4.机床进给系统是复杂的非线性系统，进给系统仿真模型往往包含大量的参数，其中存在一些难以测量或计算得到的参数，如丝杆刚度，阻尼系数，粘滞摩擦系数等。进给系统参数辨识的主要对象就是这些难以确定又对进给系统的动态特性有显著影响的参数。机床的丝杠刚度阻尼、丝杠螺母与工作台之间的接触刚度阻尼等对机床的模态影响很大，精确辨识刚度阻尼可以提高整体动力学模型的准确性，进而更加真实地反映机床进给系统的动态特性。
5.现有的对机床的刚度和阻尼进行辨识的方法大多需要对丝杠轴加以激励，采集信号进行分析，并根据相关公式计算机床的刚度和阻尼，往往只能分析单个零部件的刚度阻尼，而多体系统动力学模型对机床的动态特性的仿真的准确性受到各个零部件的影响，现有方法往往缺乏对动力学模型的整体分析，无法对刚度和阻尼进行精确辨识，进而不能有效地提高对机床动态特性仿真的准确性。


技术实现要素：

6.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种机床进给系统的刚度阻尼辨识方法，用以解决现有技术由于缺乏对动力学模型的整体分析而导致机床进给系统刚度和阻尼辨识的准确性较低，无法有效地提高对机床动态特性仿真的准确性的技术问题。
7.为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种机床进给系统的刚度阻尼辨识方法，包括以下步骤：
8.s1、建立机床进给轴机械部分的动力学模型；
9.s2、将第一预设速度信号作为机床进给轴驱动电机转速的仿真信号输入到机床进给轴机械部分的动力学模型中，得到机床工作台移动速度的仿真信号；对机床进给轴驱动电机转速的仿真信号和机床工作台移动速度的仿真信号进行频域分析，得到不同频率下机
床进给轴驱动电机转速的仿真值和机床工作台移动速度的仿真值；第一预设速度信号为具有不同频率的时变信号；
10.s3、根据不同频率下机床进给轴驱动电机转速的仿真值和对应的机床工作台移动速度的仿真值绘制bode图，得到动力学模型的频响特性曲线；频响特性曲线包括幅频特性曲线和相频特性曲线；
11.s4、基于机床进给轴的实际频响特性曲线辨识动力学模型中机床进给轴机械部分的各待辨识零部件的刚度和阻尼参数：更新动力学模型中机床进给轴机械部分的各待辨识零部件的刚度和阻尼参数，重复步骤s2
‑
s4进行迭代，直至动力学模型的频响特性曲线与机床进给轴的实际频响特性曲线的差异达到预设标准，此时，动力学模型中机床进给轴机械部分的各待辨识零部件的刚度和阻尼参数即为辨识得到的机床进给系统的刚度和阻尼；
12.其中，若动力学模型的共振频率和机床进给轴的共振频率的大小差异不超过预设共振频率阈值、动力学模型的共振频率所对应的进给轴驱动电机增益和实际机床进给轴的共振频率所对应的进给轴驱动电机增益的差异不超过预设增益阈值、动力学模型的幅频特性曲线与机床进给轴的实际幅频特性曲线的变化趋势一致且动力学模型的相频特性曲线与机床进给轴的实际相频特性曲线的变化趋势一致，则动力学模型的频响特性曲线与机床进给轴的实际频响特性曲线的差异达到预设标准。
13.进一步优选地，机床进给轴的实际频响特性曲线的获取方法，包括：
14.s01、将第二预设速度信号输入到机床进给轴的驱动电机中，运行机床，采集机床进给轴驱动电机的转角信号和机床工作台的移动位移信号，进而得到机床进给轴驱动电机的转速信号及机床工作台的移动速度信号；对机床进给轴驱动电机的转速信号及机床工作台的移动速度信号进行频域分析，得到不同频率下机床进给轴驱动电机的转速和机床工作台的移动速度；第二预设速度信号为具有不同频率的时变信号；
15.s02、根据不同频率下机床进给轴的驱动电机的转速及机床工作台的移动速度绘制bode图，得到机床进给轴的实际频响特性曲线。
16.进一步优选地，通过机床伺服系统将第二预设速度信号输入到机床进给轴的驱动电机中，以避免从数控系统输入速度信号时，实际输入到电机端的速度信号由于衰减而达不到期望的激励效果。
17.进一步优选地，上述机床进给轴的实际频响特性曲线的获取方法还包括在步骤s01之前执行的步骤s00；
18.步骤s00包括：当机床工作台在进给轴的不同位置时，将第二预设速度信号输入到机床进给轴的驱动电机中，运行机床，采集机床进给轴的驱动电机转角和机床工作台的实际位移；若进给轴不同位置处的共振频率的大小差异超过预设共振频率阈值，或不同位置处的共振频率所对应的进给轴驱动电机增益的差异超过预设增益阈值，则在机床工作台处于进给轴的不同位置时，分别执行步骤s01
‑
s02，得到机床进给轴不同位置处的实际频响特性曲线，此时机床进给轴的实际频响特性曲线为机床进给轴不同位置处的实际频响特性曲线，操作结束。
19.进一步优选地，上述步骤s4为：基于机床进给轴不同位置处的实际频响特性曲线分别辨识动力学模型中机床进给轴机械部分的各待辨识零部件的刚度和阻尼参数；具体包括：
20.更新动力学模型中机床进给轴机械部分的各待辨识零部件的刚度和阻尼参数，重复步骤s2
‑
s4进行迭代，直至动力学模型的频响特性曲线与机床进给轴当前待辨识位置处的实际频响特性曲线的差异达到预设标准，此时，动力学模型中机床进给轴机械部分的各待辨识零部件的刚度和阻尼参数即为机床进给轴当前待辨识位置处的刚度和阻尼；其中，机床进给轴当前待辨识位置为机床进给轴不同位置中的一处位置；
21.对机床进给轴其他位置处的刚度和阻尼分别按照上述过程进行辨识，得到机床进给轴不同位置处的刚度和阻尼，即机床进给系统的刚度和阻尼。
22.进一步优选地，上述第一预设速度信号的波形为chirp波形。
23.进一步优选地，上述第二预设速度信号的波形为chirp波形。
24.进一步优选地，将机床进给轴的驱动电机转速及机床工作台的移动速度根据丝杠导程换算为同一单位后绘制bode图，得到机床进给轴的频响特性曲线。
25.进一步优选地，预设机床进给轴机械部分的各待辨识零部件的刚度和阻尼参数的优化范围，选取对应优化范围内的参数值更新动力学模型中机床进给轴机械部分的各待辨识零部件的刚度和阻尼参数。
26.进一步优选地，采用粒子群算法更新动力学模型中机床进给轴机械部分的各待辨识零部件的刚度和阻尼参数。
27.第二方面，本发明还提供一种机器可读存储介质，所述机器可读存储介质存储有机器可执行指令，所述机器可执行指令在被处理器调用和执行时，所述机器可执行指令促使所述处理器实现如上所述的机床进给系统的刚度阻尼辨识方法。
28.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
29.1、本发明提供了一种机床进给系统的刚度阻尼辨识方法，建立了机床进给轴机械部分的动力学模型，并对动力学模型中各待辨识零部件的刚度和阻尼参数进行训练，使动力学模型的频响特性曲线与机床进给轴的实际频响特性曲线的差异达到预设标准，来对动力学模型中的各待辨识零部件的刚度和阻尼参数进行辨识，该方法将机床进给轴机械部分作为一个整体进行建模，在辨识的过程中以机床进给系统的频响特性的差异为判断标准，能够考虑到机床进给轴机械部分各个零部件之间相互的影响，动力学模型中待辨识的刚度和阻尼参数的辨识精度较高，能够有效地提高对机床动态特性仿真的准确性。
30.2、本发明所提供的机床进给系统的刚度阻尼辨识方法，与现有的数控机床进给系统刚度阻尼辨识方法相比，立足于机床整体动力学模型，参数辨识准确度由动力学模型仿真结果来评判，机床刚度阻尼参数辨识准确度的提高能够直接提高动力学模型的仿真准确度。
31.3、本发明所提供的机床进给系统的刚度阻尼辨识方法，与现有的数控机床进给系统刚度阻尼辨识方法相比，采用智能优化算法优化参数，将动力学模型求解和智能优化算法相结合，可以高效地对数控机床的刚度阻尼参数进行辨识，大大提高了刚度阻尼参数辨识的效率和准确度，同时对于其他参数的辨识也有参考意义。
附图说明
32.图1为本发明实施例1所提供的机床进给系统的刚度阻尼辨识方法流程图；
33.图2为本发明实施例1所提供的采用mworks搭建的机床进给轴机械部分的动力学
模型示意图；
34.图3为本发明实施例1所提供的一种具体实施方式下的机床进给系统的刚度阻尼辨识方法流程图；
35.图4为本发明实施例1所提供的初始刚度和阻尼参数下动力学模型的频响特性曲线示意图；
36.图5为本发明实施例1所提供的辨识后的刚度和阻尼参数下的动力学模型的频响特性曲线示意图。
具体实施方式
37.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
38.实施例1、
39.一种机床进给系统的刚度阻尼辨识方法，如图1所示，包括以下步骤：
40.s1、建立机床进给轴机械部分的动力学模型；
41.本实施例中采用mworks建立机床进给轴机械部分的动力学模型；具体地，如图2所示，对机床进给轴机械部分的实际结构进行简化，将其划分为若干子结构，基于动力学定理建立机床进给轴机械部分的数学模型。
42.根据机床的实际结构，经过不同方式和程度的简化，可以建立起不同的动力学模型，最常见的有集中质量模型、分布质量模型、有限元模型以及混合模型。本实施例所建立的机床进给轴机械部分的动力学模型为集中质量模型，其中具有转动惯量或者质量的零部件有联轴器、滚珠丝杠及工作台；所建立的动力学模型需要能够真实地反映机床的动态特性，能够根据输入信号仿真得到机床工作台的位移、速度，且仿真误差在合理范围内。本实施例的机床进给轴机械部分的动力学模型含有的刚度阻尼包括联轴器扭转刚度及阻尼、丝杠扭转刚度及阻尼、丝杠轴向刚度及阻尼和接触刚度及阻尼；除了以上转动惯量和刚度阻尼参数外，本实施例的机床进给轴动力学模型还包括：工作台stribeck摩擦模型的相关参数和机床反向间隙参数。在本实施例中，部分参数可以通过查表或者辨识实验得到可靠结果，故具体需要辨识的刚度阻尼参数为联轴器扭转阻尼、丝杠轴向阻尼、丝杠扭转阻尼、接触刚度和接触阻尼。
43.s2、将第一预设速度信号作为机床进给轴驱动电机转速的仿真信号输入到机床进给轴机械部分的动力学模型中，得到机床工作台移动速度的仿真信号；对机床进给轴驱动电机转速的仿真信号和机床工作台移动速度的仿真信号进行频域分析，得到不同频率下机床进给轴驱动电机转速的仿真值和机床工作台移动速度的仿真值；第一预设速度信号为具有不同频率的时变信号；
44.本实施例中，第一预设速度信号的波形为chirp波形；chirp波的频率是连续变化的，对其进行傅里叶变换的时候，可以包含所有的频率的分量。
45.s3、根据不同频率下机床进给轴驱动电机转速的仿真值和对应的机床工作台移动速度的仿真值绘制bode图，得到动力学模型的频响特性曲线；频响特性曲线包括幅频特性
曲线和相频特性曲线；其中，频响特性曲线包括幅频特性曲线和相频特性曲线；幅频特性曲线用于反映机床进给轴系统增益与频率关系。
46.具体地，本实施例中将机床进给轴驱动电机转速的仿真值及机床工作台移动速度的仿真值根据丝杠导程换算为同一单位后再绘制bode图。
47.s4、基于机床进给轴的实际频响特性曲线辨识动力学模型中机床进给轴机械部分的各待辨识零部件的刚度和阻尼参数：更新动力学模型中机床进给轴机械部分的各待辨识零部件的刚度和阻尼参数，重复步骤s2
‑
s4进行迭代，直至动力学模型的频响特性曲线与机床进给轴的实际频响特性曲线的差异达到预设标准，此时，动力学模型中机床进给轴机械部分的各待辨识零部件的刚度和阻尼参数即为辨识得到的机床进给系统的刚度和阻尼；
48.其中，若动力学模型的共振频率和机床进给轴的共振频率的大小差异不超过预设共振频率阈值、动力学模型的共振频率所对应的进给轴驱动电机增益和实际机床进给轴的共振频率所对应的进给轴驱动电机增益的差异不超过预设增益阈值、动力学模型的幅频特性曲线与机床进给轴的实际幅频特性曲线的变化趋势一致且动力学模型的相频特性曲线与机床进给轴的实际相频特性曲线的变化趋势一致，则动力学模型的频响特性曲线与机床进给轴的实际频响特性曲线的差异达到预设标准。具体地，本实施例中，预设共振频率阈值取值为10hz，预设增益阈值取值为3db。
49.进一步地，机床进给轴的实际频响特性曲线的获取方法，包括：
50.s01、将第二预设速度信号输入到机床进给轴的驱动电机中，运行机床，采集机床进给轴驱动电机的转角信号和机床工作台的移动位移信号，进而得到机床进给轴驱动电机的转速信号及机床工作台的移动速度信号；对机床进给轴驱动电机的转速信号及机床工作台的移动速度信号进行频域分析，得到不同频率下机床进给轴驱动电机的转速和机床工作台的移动速度；其中，第二预设速度信号为具有不同频率的时变信号；
51.第二预设速度信号与第一预设速度信号可以相同也可以不同；本实施例中，第二预设速度信号与第一预设速度信号相同，波形都为chirp波形；
52.为了避免从数控系统输入预设速度信号时，实际输入到电机端的速度信号由于衰减而达不到期望的激励效果，本实施例中，通过机床伺服系统将预设速度信号输入到机床进给轴的驱动电机中。具体地，将机床热机1小时，通过机床伺服系统将与步骤s2相同的指定频率范围及幅值的chirp波速度信号输入电机，运行机床，采集电机编码器及光栅尺数据，得到机床进给轴的驱动电机转速及机床工作台的移动速度。若机床进给轴未配备光栅尺，则可以使用激光干涉仪或者平面光栅采集机床工作台的实际位移。
53.s02、根据不同频率下机床进给轴的驱动电机的转速及机床工作台的移动速度绘制bode图，得到机床进给轴的实际频响特性曲线。
54.具体地，本实施例将机床进给轴的驱动电机转速及机床工作台的移动速度根据丝杠导程换算为同一单位后再绘制bode图。
55.优选地，上述机床进给轴的实际频响特性曲线的获取方法还包括在步骤s01之前执行的步骤s00；
56.步骤s00包括：当机床工作台在进给轴的不同位置时，将预设速度信号输入到机床进给轴的驱动电机中，运行机床，采集机床进给轴的驱动电机转角和机床工作台的实际位移；若进给轴不同位置处的共振频率的大小差异超过预设共振频率阈值，或不同位置处的
共振频率所对应的进给轴驱动电机增益的差异超过预设增益阈值，则说明机床进给轴不同位置处的刚度阻尼差异较大，此时需要在机床工作台处于进给轴的不同位置时，分别执行步骤s01
‑
s02，得到机床进给轴不同位置处的实际频响特性曲线，此时机床进给轴的实际频响特性曲线为机床进给轴不同位置处的实际频响特性曲线，操作结束。本实施例中，预设共振频率阈值取值为10hz，预设增益阈值取值为3db。
57.在这种情况下，上述步骤s4为：基于机床进给轴不同位置处的实际频响特性曲线分别辨识动力学模型中机床进给轴机械部分的各待辨识零部件的刚度和阻尼参数；具体包括：
58.更新动力学模型中机床进给轴机械部分的各待辨识零部件的刚度和阻尼参数，重复步骤s2
‑
s4进行迭代，直至动力学模型的频响特性曲线与机床进给轴当前待辨识位置处的实际频响特性曲线的差异达到预设标准，此时，动力学模型中机床进给轴机械部分的各待辨识零部件的刚度和阻尼参数即为机床进给轴当前待辨识位置处的刚度和阻尼；其中，机床进给轴当前待辨识位置为机床进给轴不同位置中的一处位置；
59.对机床进给轴其他位置处的刚度和阻尼分别按照上述过程进行辨识，得到机床进给轴不同位置处的刚度和阻尼，即机床进给系统的刚度和阻尼。
60.在一个可选实施方式中，机床进给系统的刚度阻尼辨识方法，如图3所示，包括：
61.(1)预设机床进给轴机械部分的各待辨识零部件的刚度和阻尼参数(即联轴器扭转阻尼、丝杠轴向阻尼、丝杠扭转阻尼、接触刚度和接触阻尼)的初始值；
62.(2)将chirp波速度信号作为机床进给轴驱动电机转速的仿真信号输入到机床进给轴机械部分的动力学模型中，得到机床工作台移动速度的仿真信号；对机床进给轴驱动电机转速的仿真信号和机床工作台移动速度的仿真信号进行频域分析，得到不同频率下机床进给轴驱动电机转速的仿真值和机床工作台移动速度的仿真值；
63.(3)根据不同频率下机床进给轴驱动电机转速的仿真值和对应的机床工作台移动速度的仿真值绘制bode图，得到当前刚度阻尼参数下的动力学模型的频响特性曲线；具体地，初始刚度和阻尼参数下动力学模型的频响特性曲线如图4所示，其中，频响特性曲线包括幅频特性曲线和相频特性曲线；并与机床进给轴的实际频响特性曲线相比较，判断当前刚度阻尼参数下动力学模型的频响特性曲线与机床进给轴的实际频响特性曲线的差异是否达到预设标准或当前迭代次数达到预设迭代次数，若是，则转至步骤(5)；否则，转至步骤(4)；
64.(4)对各待辨识零部件的刚度和阻尼参数进行优化更新，转至步骤(2)；
65.本实施例中，采用粒子群算法对各待辨识零部件的刚度和阻尼参数进行优化更新；进一步地，可以预设机床进给轴机械部分的各待辨识零部件的刚度和阻尼参数的优化范围，选取对应优化范围内的参数值更新动力学模型中机床进给轴机械部分的各待辨识零部件的刚度和阻尼参数。具体地，设置粒子群算法的迭代次数、更新步长等参数，在预设的机床进给轴机械部分的各待辨识零部件的刚度和阻尼参数的优化范围内，采用粒子群算法改变各待辨识零部件的刚度和阻尼参数值，写入动力学模型中，之后重复步骤(2)和步骤(3)得到参数调整后的频响特性曲线差异，根据差异，调整下次迭代的参数值，重复该过程，直到达到预设迭代次数或者动力学模型的频响特性曲线与机床进给轴的实际频响特性曲线的差异达到预设标准。本实施例中，丝杠轴向阻尼和接触阻尼优化范围为[4e4,1.2e5]，单
位为n.s/m；接触刚度的优化范围为[3.5e8,1.05e9]，单位为n/m；迭代次数设置为100，种群大小设置为30，优化目标个数为3，丝杠轴向阻尼和接触阻尼的个体速度变化范围(粒子群算法中的参数，即更新步长)设置为[
‑
100,100]，接触刚度的个体速度变化范围设置为[
‑
10000,10000]。
[0066]
(5)动力学模型中机床进给轴机械部分的各待辨识零部件的刚度和阻尼参数即为辨识得到的机床进给系统的刚度和阻尼，操作结束；辨识后的刚度和阻尼参数下的动力学模型的频响特性曲线如图5所示。
[0067]
实施例2、
[0068]
一种机器可读存储介质，所述机器可读存储介质存储有机器可执行指令，所述机器可执行指令在被处理器调用和执行时，所述机器可执行指令促使所述处理器实现实施例1所述的机床进给系统的刚度阻尼辨识方法。
[0069]
相关技术方案同实施例1。
[0070]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。