一種動態平衡裝置控制系統及方法與流程

本發明涉及數控機床，具體為一種動態平衡裝置控制系統及方法。

背景技術：

1、數控機床是現代制造業的重要裝備，廣泛應用于各種工件的加工。在數控機床的工作過程中，由于切削力、振動等因素的影響，數控機床的工作部會產生一定的位移和變形；這種位移和變形會影響加工精度和質量，并且長時間的位移會對數控機床的電機造成不可逆的損壞，因此需要對數控機床工作部的受力狀態進行實時監測和平衡控制，以保證加工性能和維護數控機床的正常工作。

2、目前，傳統技術方案的方法是通過在數控機床工作部安裝氣囊或液壓裝置，利用氣壓或液壓的作用力來平衡外部作用力。但是傳統方案存在響應速度慢、控制精度低的缺陷，難以滿足高速、高精度加工的要求。同時，氣囊或液壓裝置的體積較大，占用空間多，不利于數控機床的小型化和集成化。

3、因此，亟需一種能夠實時監測數控機床工作部受力狀態，并根據實際受力情況和彈性元件特性，動態調節彈性元件參數，實現工作部受力平衡的控制方法和系統。

4、鑒于此，本發明提出一種動態平衡裝置控制系統及方法。

技術實現思路

1、為實現上述目的，本發明提供一種動態平衡裝置控制系統及方法，具體技術方案如下：

2、一種動態平衡裝置控制方法，包括：

3、獲取數控機床工作部在工作時豎直方向上的位移數據，根據位移數據計算數控機床工作部的受力數據，通過彈簧對數控機床工作部施加反作用力；

4、采用電動氣缸調節彈簧形變量，基于胡克定律，通過彈簧形變量控制彈簧彈力；

5、構建數控機床工作部彈跳閾值，并基于獲取的數控機床工作部在豎直方向上所需的反作用力，構建自適應的彈簧彈力計算模型，逆向求解電動氣缸伸縮量；

6、構建彈簧彈力損耗平衡模型，基于彈簧工作時間、工作次數以及受力情況，計算彈簧在不同時間下的彈力損耗，并根據彈力損耗計算彈簧形變量的補償值；

7、構建并訓練機器學習算法，對彈簧彈力損耗因子進行計算，根據數控機床工作部的位移量和彈簧彈力損耗因子，計算彈簧彈力對數控機床工作部提供的反作用力，實現數控機床工作部在豎直方向上的受力平衡。

8、優選的，獲取數控機床工作部在豎直方向上的位移數據，根據位移數據計算數控機床工作部的受力數據，根據牛頓第二定律計算數控機床工作部在豎直方向上受到的合外力；

9、通過彈簧對數控機床工作部施加反作用力，為使數控機床工作部在豎直方向受力平衡，通過彈簧提供與合外力大小相等且方向相反的支撐力；

10、所述彈簧頂部與電動氣缸頂部相連接，彈簧底部與數控機床工作部相連接，在豎直方向進行彈性形變；在數控機床的工作部固定不動時，所述彈簧通過電動氣缸的伸縮來控制彈簧形變量；

11、采用電動氣缸調節彈簧形變量，通過控制電動氣缸的伸縮量，改變彈簧形變量，使彈簧提供的反作用力滿足數控機床工作部受力平衡的要求。

12、優選的，通過位移傳感器采集數控機床工作部在工作時的位移量；構建數控機床工作部彈跳閾值，定義數控機床工作部在豎直方向上的彈跳閾值，當數控機床工作部在時間內的位移量時，視為發生彈跳；

13、設數控機床工作部的質量為，數控機床工作部在豎直方向上受到的合外力為，根據牛頓第二定律有：；其中為數控機床工作部在豎直方向的加速度，由位移傳感器采集到的位移量對時間的二階導數得到；

14、通過彈簧對數控機床工作部施加反作用力，設置彈簧提供豎直向上的支撐力，根據胡克定律，彈簧的支撐力與形變量成正比：；其中為彈簧剛度系數；

15、為使數控機床工作部在豎直方向受力平衡，通過彈簧提供與合外力大小相等、方向相反的支撐力：；

16、控制彈簧形變量實現數控機床工作部受力平衡，由公式可知，通過求解控制彈簧的形變量，使滿足：，實現受力平衡。

17、優選的，根據數控機床工作部在豎直方向上的位移量，計算所受合外力；

18、由于彈簧剛度系數非定值，構建自適應的彈簧彈力計算模型，定義彈簧的非線性剛度系數函數，將非線性剛度系數函數用分段函數表示：

19、

20、其中為個預設的受力分段點，為個對應的剛度系數；

21、將非線性剛度系數函數代入胡克定律，得到自適應的彈簧彈力計算模型：；

22、逆向求解電動氣缸伸縮量，由自適應彈簧彈力計算模型得到，為提供所需反作用力，彈簧形變量需滿足：；

23、電動氣缸的伸縮量與彈簧形變量相等，即；

24、根據計算得到的所需彈簧形變量，控制電動氣缸的伸縮量，即可使彈簧提供所需的反作用力，實現數控機床工作部的受力平衡。

25、優選的，由于彈簧在工作時會產生彈力損耗，引入彈簧彈力損耗因子，補償彈簧工作時的彈力損耗；

26、定義彈簧彈力損耗因子，表示彈簧在已工作時長、工作次數以及受力的情況下，彈力相對于初始值的損耗比例；

27、構建彈簧彈力損耗平衡模型，在自適應彈簧彈力計算模型的基礎上，引入彈力損耗因子，得到考慮彈力損耗的彈簧彈力計算模型：；其中為考慮彈力損耗后的實際彈簧彈力；

28、計算彈簧在不同時間下的彈力損耗，根據彈簧的工作時間、工作次數以及受力情況，代入彈力損耗因子表達式，計算出不同時間下的彈力損耗因子；將計算得到的彈力損耗因子代入考慮彈力損耗的彈簧彈力計算模型，得到實際彈簧彈力；

29、計算彈簧形變量的補償值，由考慮彈力損耗的彈簧彈力計算模型可知，為補償彈力損耗，使實際彈簧彈力達到所需的支撐力，即，需對彈簧形變量進行補償；令，得到彈簧形變量的補償值：；電動氣缸伸縮量的補償值；

30、在電動氣缸的伸縮量中增加電動氣缸伸縮量的補償值，將補償后的電動氣缸的伸縮量代入電動氣缸控制中，即在考慮彈力損耗的情況下，實現數控機床工作部在豎直方向上的受力平衡。

31、優選的，采集彈簧歷史工作數據，包括彈簧的已工作時長、工作次數、受力和對應的彈力損耗因子，形成數據集；

32、選擇已工作時長、工作次數和受力作為輸入特征，彈力損耗因子作為輸出目標；將數據集隨機劃分為訓練集和測試集；

33、構建支持向量回歸svr模型，選擇高斯核函數作為svr模型的核函數，引入松弛變量，構建svr模型的優化目標；將優化問題轉化為對偶問題，引入拉格朗日乘子進行求解；

34、訓練與優化支持向量回歸svr模型，使用訓練集數據，通過求解svr模型的對偶問題，得到最優的拉格朗日乘子和svr模型的模型參數；使用測試集數據對訓練好的svr模型進行評估，計算預測值與真實值之間的誤差，使用均方誤差、平均絕對誤差、決定系數的指標評估模型的預測性能；

35、根據模型評估結果，調整svr模型的超參數，包括懲罰系數、損失函數的參數以及核函數的帶寬參數；使用網格搜索的優化方法，在超參數空間中搜索最優的超參數組合；重復模型訓練和評估步驟，直到獲得預期的預測性能。

36、優選的，采用訓練好的模型計算彈力損耗因子，將訓練好的svr模型部署到數控機床的控制系統中，實現在線預測功能；

37、在數控機床運行過程中，實時采集彈簧的已工作時長、工作次數和受力，將其輸入svr模型，得到預測的彈力損耗因子；

38、彈力損耗補償，將預測得到的彈力損耗因子代入彈簧形變量的補償公式：

39、

40、計算出實時的彈簧形變量補償值，將計算得到的彈簧形變量補償值傳遞給電動氣缸，調整電動氣缸的伸縮量，以補償彈簧的彈力損耗。

41、一種動態平衡裝置控制系統，其用于實現所述的一種動態平衡裝置控制方法，包括：位移數據獲取模塊、彈簧形變量調節模塊、彈簧形變量計算模塊、補償值計算模塊以及彈力損耗因子計算模塊；

42、所述位移數據獲取模塊，用于獲取數控機床工作部在工作時豎直方向上的位移數據，根據位移數據計算數控機床工作部的受力數據，通過彈簧對數控機床工作部施加反作用力；

43、所述彈簧形變量調節模塊，采用電動氣缸調節彈簧形變量，基于胡克定律，通過彈簧形變量控制彈簧彈力；

44、所述彈簧形變量計算模塊，用于構建數控機床工作部彈跳閾值，并基于獲取的數控機床工作部在豎直方向上所需的反作用力，構建自適應的彈簧彈力計算模型，逆向求解電動氣缸伸縮量；

45、所述補償值計算模塊，用于構建彈簧彈力損耗平衡模型，基于彈簧工作時間、工作次數以及受力情況，計算彈簧在不同時間下的彈力損耗，并根據彈力損耗計算彈簧形變量的補償值；

46、所述彈力損耗因子計算模塊，用于構建并訓練機器學習算法，對彈簧彈力損耗因子進行計算，根據數控機床工作部的位移量和彈簧彈力損耗因子，計算彈簧彈力對數控機床工作部提供的反作用力，實現數控機床工作部在豎直方向上的受力平衡。

47、一種電子設備，包括：處理器和存儲器，其中，所述存儲器中存儲有可供處理器調用的計算機程序；所述處理器通過調用所述存儲器中存儲的計算機程序，執行所述的一種動態平衡裝置控制方法。

48、一種計算機可讀存儲介質，儲存有指令，當所述指令在計算機上運行時，使得計算機執行所述的一種動態平衡裝置控制方法。

49、本發明的有益效果：本發明通過獲取位移數據并計算受力數據，實現對數控機床工作部受力狀態的實時監測，為后續的動態平衡控制提供數據基礎，提高控制的針對性和有效性。

50、本發明采用電動氣缸調節彈簧形變量，基于胡克定律控制彈簧彈力，實現對數控機床工作部施加精確可控的反作用力，提高受力平衡控制的靈活性和精度。

51、本發明構建彈跳閾值和自適應彈簧彈力計算模型，通過逆向求解電動氣缸伸縮量，實現對數控機床工作部所需反作用力的精確控制，提高系統的自適應能力和控制性能。

52、本發明構建彈簧彈力損耗平衡模型，考慮彈簧工作時間、次數和受力情況，計算彈簧彈力損耗并進行補償，確保彈簧在長期使用過程中的彈力穩定性，提高系統的可靠性。

53、本發明構建并訓練機器學習算法，計算彈簧彈力損耗因子，結合位移量和損耗因子計算彈簧提供的反作用力，實現數控機床工作部的智能化自適應平衡控制，提高控制精度和效率。