【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及智能刀具加工領(lǐng)域，具體是用于智能刀具位移補償?shù)母咚賹崟r信號采集及控制系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
1、在精密加工領(lǐng)域，智能刀具在提升制造效率、精度和可靠性方面發(fā)揮著日益關(guān)鍵的作用。智能刀具集成了傳感器、執(zhí)行器和控制算法，能夠?qū)崟r監(jiān)測并調(diào)整加工過程。這些刀具可以自動檢測和補償因刀具磨損、溫度變化、機械振動及其他干擾引起的偏差，從而提高加工質(zhì)量并減少停機時間。
2、在智能刀具系統(tǒng)中，由于刀具磨損等原因，一個主要的挑戰(zhàn)是對加工操作中刀具位移的精確實時補償。如果位移誤差未能及時修正，可能導(dǎo)致最終產(chǎn)品的缺陷、刀具壽命的降低以及生產(chǎn)成本的增加。傳統(tǒng)的位移補償方法通常采用前饋反饋控制的固定算法，但通常缺乏對加工環(huán)境動態(tài)變化的適應(yīng)性，如意外擾動或工況變化。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的是提供用于智能刀具位移補償?shù)母咚賹崟r信號采集及控制系統(tǒng)，包括開發(fā)板、io模塊、信號調(diào)理器、驅(qū)動放大器；
2、所述信號調(diào)理器采集智能刀具的實時位移信號數(shù)據(jù)，并通過io模塊傳輸至開發(fā)板；
3、所述開發(fā)板集成有arm和高性能計算單元；
4、開發(fā)板的arm端和高性能計算單元通過ipc協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸；
5、所述開發(fā)板的arm端接收io模塊的實時位移信號數(shù)據(jù)；
6、所述高性能計算單元對實時位移信號數(shù)據(jù)進行處理，生成控制信號，并傳回至arm端；
7、所述arm端通過io模塊將控制信號傳輸至驅(qū)動放大器；
8、所述驅(qū)動放大器對控制
9、所述高性能計算單元集成有前饋控制器、反饋控制器以及等效擾動觀測器w(t)＝wff(t)+wfb(t)+wdc(t)；
10、所述前饋控制器對給定的參考軌跡位移補償輸入信號r(t)進行分析，計算前饋控制量wff(t)；
11、所述反饋控制器基于期望輸出與實際輸出的實時誤差e(t)生成反饋控制量wfb(t)，對動態(tài)誤差進行修正；
12、所述等效擾動觀測器計算擾動觀測量wdc(t)，并對控制信號進行動態(tài)補償。
13、進一步，前饋控制量wff(t)如下所示：
14、
15、式中，b1、b2為常量，r(t)為參考軌跡位移補償輸入信號。
16、進一步，反饋控制量wfb(t)如下所示：
17、wfb(t)＝kie1(t)+kpe2(t)+kde3(t)(2)
18、式中，ki、kp、kd為pid參數(shù)；e1(t)＝e(t)、e(t)為實時誤差。
19、進一步，等效擾動觀測器根據(jù)擴展?fàn)顟B(tài)空間方程構(gòu)建得到；
20、擴展?fàn)顟B(tài)空間方程如下所示：
21、
22、式中，x1和x2為狀態(tài)變量，b1、b2為常量，q(t)為整體等效擾動，y為系統(tǒng)的輸出；
23、等效擾動觀測器如下所示：
24、
25、式中，z1、z2、z3是狀態(tài)x1、x2、x3的估計，β1、β2、β3是設(shè)計的狀態(tài)觀測器增益，為狀態(tài)觀測器輸出。
26、進一步，整體等效擾動q(t)由狀態(tài)觀測器中的z3觀測得到。
27、進一步，補償控制器進行擾動補償控制的擾動觀測量wdc(t)如下所示：
28、
29、式中，b2為常量；z3是狀態(tài)x3的估計。
30、進一步，所述開發(fā)板通過ethercat協(xié)議與多個io模塊進行高速通信，通信速率為100mbps-1gbps。
31、進一步，開發(fā)板的arm端運行l(wèi)inux系統(tǒng)，高性能計算單元運行實時操作系統(tǒng)。
32、進一步，開發(fā)板在linux環(huán)境下開發(fā)。
33、進一步，開發(fā)時，利用實時補丁對linux系統(tǒng)進行改造，使開發(fā)板以微秒級支持ethercat協(xié)議；所述實時補丁包括但不限于rt-preempt、xenomai。
34、本專利技術(shù)的技術(shù)效果是毋庸置疑的，本專利技術(shù)的有益效果如下：
35、1)通過在開發(fā)板的高性能計算單元中嵌入先進的位移補償算法，并利用ethercat和ipc協(xié)議進行快速數(shù)據(jù)通信，該系統(tǒng)實現(xiàn)了精確、低延遲的補償，顯著提升了智能刀具在高速加工應(yīng)用中的性能和效率。
36、2)響應(yīng)時間顯著縮短：傳統(tǒng)分散控制系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸和處理過程中往往存在較大的延遲，導(dǎo)致系統(tǒng)整體響應(yīng)時間較長。本專利技術(shù)通過引入ethercat高速通訊協(xié)議，實現(xiàn)了微秒級的數(shù)據(jù)傳輸和處理，使系統(tǒng)響應(yīng)時間大幅縮短。這種提升特別體現(xiàn)在高頻數(shù)據(jù)采集和實時控制任務(wù)中，確保系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)外部變化，極大提高了控制過程的實時性和效率。
37、3)同步性提升：通過采用ethercat協(xié)議，在整個系統(tǒng)運行過程中，能夠確保多個io模塊和開發(fā)板之間的數(shù)據(jù)交換以極高的同步精度進行。通過實時調(diào)度和精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)內(nèi)各個硬件裝置可以保持微秒級同步，減少了因硬件之間的不同步導(dǎo)致的信號延遲和誤差，進而提高了加工的一致性和產(chǎn)品質(zhì)量。
38、4)實時數(shù)據(jù)處理與協(xié)調(diào)：本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理和控制決策中具有卓越的實時性能。整套系統(tǒng)支持數(shù)據(jù)在傳輸時直接在設(shè)備節(jié)點中處理，使數(shù)據(jù)傳輸和計算幾乎同步完成。這樣，在需要高頻數(shù)據(jù)采集和復(fù)雜計算的情況下，系統(tǒng)能夠在極短時間內(nèi)完成輸入信號的采集、分析、處理和反饋，大大提高了實時控制能力和系統(tǒng)響應(yīng)速度。
39、5)控制精度顯著提升：本專利技術(shù)集成了用于實現(xiàn)高速控制算法的高性能計算單元，并結(jié)合團隊自主研發(fā)的壓電補償微位移控制算法，實現(xiàn)了對復(fù)雜工況下刀具磨損的精確控制。實驗表明，該系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的定位誤差顯著降低。例如，在納米級運動控制中，本系統(tǒng)通過實時補償外部擾動和系統(tǒng)非線性因素，使定位精度提升超過30％，相比傳統(tǒng)系統(tǒng)更能滿足高精度加工和精密裝配需求。
40、6)系統(tǒng)穩(wěn)定性增強：本專利技術(shù)采用多層次控制架構(gòu)和冗余設(shè)計，有效提升了系統(tǒng)在復(fù)雜工況下的穩(wěn)定性。通過對外部擾動和內(nèi)部誤差的實時補償，系統(tǒng)在長時間運行中能夠保持穩(wěn)定性能，顯著降低了因外部因素引起的停機或故障風(fēng)險，提高了設(shè)備運行的可靠性。
41、本專利技術(shù)將高速數(shù)據(jù)通信與先進的三自由度控制算法相結(jié)合，顯著提升了智能刀具在復(fù)雜加工條件下的穩(wěn)定性和精確性，減少了加工誤差，延長了刀具使用壽命，并降低了生產(chǎn)成本，為工業(yè)應(yīng)用中的高精度加工提供了創(chuàng)新且高效的解決方案
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1.用于智能刀具位移補償?shù)母咚賹崟r信號采集及控制系統(tǒng)，其特征在于：包括開發(fā)板、IO模塊、信號調(diào)理器、驅(qū)動放大器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于智能刀具位移補償?shù)母咚賹崟r信號采集及控制系統(tǒng)，其特征在于，前饋控制量wFF(t)即計算模型的逆如下所示：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于智能刀具位移補償?shù)母咚賹崟r信號采集及控制系統(tǒng)，其特征在于，反饋控制量wFB(t)如下所示：
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于智能刀具位移補償?shù)母咚賹崟r信號采集及控制系統(tǒng)，其特征在于，等效擾動觀測器根據(jù)擴展?fàn)顟B(tài)空間方程構(gòu)建得到；
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于智能刀具位移補償?shù)母咚賹崟r信號采集及控制系統(tǒng)，其特征在于，整體等效擾動q(t)由狀態(tài)觀測器中的z3觀測得到。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于智能刀具位移補償?shù)母咚賹崟r信號采集及控制系統(tǒng)，其特征在于，補償控制器進行擾動補償控制的擾動觀測量wDC(t)如下所示：
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于智能刀具位移補償?shù)母咚賹崟r信號采集及控制系統(tǒng)，其特征在于：所述開發(fā)板通過EtherCAT協(xié)議與多個IO模塊進
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于智能刀具位移補償?shù)母咚賹崟r信號采集及控制系統(tǒng)，其特征在于：開發(fā)板的ARM端運行Linux系統(tǒng)，高性能計算單元運行實時操作系統(tǒng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于智能刀具位移補償?shù)母咚賹崟r信號采集及控制系統(tǒng)，其特征在于：開發(fā)板在Linux環(huán)境下開發(fā)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的用于智能刀具位移補償?shù)母咚賹崟r信號采集及控制系統(tǒng)，其特征在于：開發(fā)時，利用實時補丁對Linux系統(tǒng)進行改造，使開發(fā)板以微秒級支持EtherCAT協(xié)議；所述實時補丁包括但不限于RT-Preempt、Xenomai。
...【技術(shù)特征摘要】
1.用于智能刀具位移補償?shù)母咚賹崟r信號采集及控制系統(tǒng)，其特征在于：包括開發(fā)板、io模塊、信號調(diào)理器、驅(qū)動放大器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于智能刀具位移補償?shù)母咚賹崟r信號采集及控制系統(tǒng)，其特征在于，前饋控制量wff(t)即計算模型的逆如下所示：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于智能刀具位移補償?shù)母咚賹崟r信號采集及控制系統(tǒng)，其特征在于，反饋控制量wfb(t)如下所示：
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于智能刀具位移補償?shù)母咚賹崟r信號采集及控制系統(tǒng)，其特征在于，等效擾動觀測器根據(jù)擴展?fàn)顟B(tài)空間方程構(gòu)建得到；
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于智能刀具位移補償?shù)母咚賹崟r信號采集及控制系統(tǒng)，其特征在于，整體等效擾動q(t)由狀態(tài)觀測器中的z3觀測得到。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于智能刀具位移補償?shù)母咚賹崟r信號采集及控制系統(tǒng)，其特征在于，補償控制器進行...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：黃濤，林志成，王迎斌，何濤，曹華軍，陶桂寶，
申請(專利權(quán))人：重慶大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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