外文翻译--五轴联动机床的刀具轨迹控制方案 中文版.doc

五轴联动机床的刀具轨迹控制方案Chih-ChingLoFengChia大学，机械工程学院，Taichung407,台湾2000年11月16日收稿，2001年5月8日发表翻译：孟志民B机制051摘要本文介绍五轴联动机床制造应用中的一个新的伺服操纵方法。提出这样的方法来消除直接错误所产生的背离误差、方位误差和跟踪延迟误差，这些误差直接关系到五轴联动机床的刀具轨迹控制。为了达到这项目的，所设想的五轴联动控制系统是基于并列驱动基础（五个驱动轴是一起工作的）和并列刀具基础之间的现实变化。关键词：五轴联动机床，伺服控制，刀具轨迹控制1介绍为了在机械加工中获得高精度的CNC（计算机数字控制），对多轨运动准确行的协调是设计伺服驱动系统最为重要的一步。用机器制造复杂表面时为了同步不同的轴运动，一个常规多轴的伺服操纵系统包括一个分类机和几个轴向控制器。分类机引起是相对制件的期望工具运动，然后分解期望行动对分开的驱动轴【1-4】的参考位置命令。实际运动由驱动轴实现。每个轴都是由一个轴驱动器所控制，他们的任务是跟踪轴向位置命令（例如：消除沿每个驱动轴的位置误差）。许多研究员开发了改进一个单独轴的跟踪的准确性控制算法，传统算法根据反馈原则【5，6】。另外，前馈控制算法可以被实施增添跟踪的表现。目前，Tomizuka做出了一个重要的贡献，他提出了跟踪控制器的零阶段误差（ZPETC）。基于ZPETC的方法，一些变化或辅助算法被提出（例如，适应ZPETC）【8，9】。虽然每个单独轴的跟踪的表现可以用上述方法显著改进，多轴的的整体控制刀具轨迹总是没有被保证【6】。多轴的伺服系统评估的一个典型的表现索引是轮廓偏差，那些表示从期望刀具轨迹的偏差。为了有效的减少轮廓偏差，韩国人【10】提出了一个交叉干扰控制器（CCC），它构建于平行轴向控制器之间。一个典型的交叉干扰的控制器包括轮廓偏差和控制定律的实时演算消灭轮廓偏差。基于CCC方法的观念，数款交叉干扰控制器（使用不同的轮廓偏差模型和控制器定律）被提出。【11-13】为了消除误差，但不是多轴刀具轨迹跟踪控制唯一关键。例如，沿跟踪的方向的位置滞后是另一个关键【6】，另外定位偏差，那些表示在实际刀具轴和期望刀具方向之间的偏移角，也是四轴或五轴联动机床刀具轨迹控制的重要一点。在本文中，主要的关注焦点是前文所提到的五轴联动机床的刀具轨迹控制，和前文所提到的常规的五轴控制系统，和它不足之处的论述。最后，把刚才所列举的这些关键点通过五轴联动控制系统和常规系统进行一系列的对比。2五轴联动刀具轨迹控制的关键点图一沿被切削表面的刀具轨迹让我们考虑以下五轴联动机器制造的事例（如图一中所提到），用一个圆柱形刀具削减表面。在计划阶段，包括刀具中心点的刀具轨迹（L）和刀具方位（O）被预定以便于切削边缘（S）能够通过被切削的表面【15，16】。这里我们让P和R分别表示参考位矢和实际位矢。P和R都是由五部分所组成的位矢（3个是刀具中心位置L，2个是刀具方位O）。区别(或错误)在参考和实用位矢之间（例如，E=R-P）是五轴联动机床制造的关键。但是，E不是主要关键点，因为小E不一定保证微型机器制造的不精确性。如图2中所列举的那样，尽管P（2）比P（1）远接近于R（例如E(2)<<E(1)），它导致更多机器制造的不精确性。图二不完美的刀具轨迹跟踪的控制造成机器制造的误差图三说明了部分误差的两个主要起因，在图三（a）中背离偏差（d），它表示实际刀具地点之间的距离（P）和最近距离（C）在期望刀具轨迹上(而不是瞬间参考R)是一个重要的关键点。如图三（b）所示，方位误差（），它表示在实际刀具轴和期望刀具轴方向之间的角度与C相应，这是另外一个关键点。如图三所示，背离偏差和方位偏差是引起机床误差的主要因素。（a）偏离误差（b）方位误差图三五轴联动机床控制中的偏离误差和方位误差除了偏离误差和方位误差之外，跟踪延迟误差（）它表示E组分沿跟踪的方向的也是一个关键点。如图四所示，重大跟踪延迟也将导致在二连贯表面之间不能接受的机器制造误差。图四刀具轨迹通过的二个连贯轨迹3常规的五轴控制系统典型的五轴机械刀具包括三运动轴（x,y,z）和两个旋转轴（,）。一个常规的五轴联动机床控制系统结构图如图5所示。图五常规五轴联动机床控制结构图在系统中分类机包括轨迹计划模块和相反动力学变革【2，14】，在实时引起期望参考位置命令对五个分开的控制回路（分别是x-,y-,z-和-）。刀轨计划的模块相对地引起期望刀具行动。换句话说，刀具轨迹在被定义制件协调轴(WCB)是固定的在制件的依据。一下在WCB被定义的期望，实际和错误位矢分别表示作为Rw、Pw和Ew。与刀轨计划模块相比，轴向控制回路致力于跟踪沿五个驱动轴的各自的行动。这些运动被定义为驱动协调依据（DCB）。在DCB把期望，实际，和误差位矢分别表示为Rd,Pd,和Ed。为了从WCB到DCB变换参考位矢，在分类集中要求实施inversekinematics变革算法。注意五轴联动机床刀轨的机械结构实际上作为指挥动力学变革Pw的Pd的转换。让K和K-1分别代表直接和反运动的改变。换句话说，我们有Rw=K(Rd),Pw=K(Pd),Rd=K1(Rw)和Pd(1)=K1(Pw)（1）五个控制回路的作用将跟踪是由分类器引起的参考位置命令。对于每个圈，控制器宗旨是将沿驱动轴的位置误差降到最小。让Hd和Gd分别为控制器和驱动的传递函数矩阵。在矩阵Hd和Gd，非对角期限是零，并且对角期限分别是轴向控制器和轴向驱动的传递函数。注意，在一个计算机控制的系统中Hd和Gd是作用的z易变（在离散时间领域）。常规五轴联动控制系统的策略是减少沿驱动轴的位置误差（例如Ed=Rd_Pd），而且为了排除五轴刀轨控制系统背离误差、方位误差、跟踪延迟误差的集中。但是期望值得怀疑。正像在上述部分所说的（如图二），Ed的减少不一定对应于背离误差及其他误差的减少。3计划的五轴联动控制系统图六计划的五轴联动机床的控制系统计划的五轴联动控制系统如图6所描述。与创立五个地方和分开的控制回路的常规系统相对比（如图五）。提出的控制系统创立一个一体性和被结合的整体是根据背离误差、方向误差和跟踪延迟误差整体表现的有效的控制。在下面误差等，以后将获得是在WCB定义的误差组分。相反的，反馈位置信号(Pd)和控制信号(Ud)发送到轴向驱动两个在DCB被分贝定义。结果，同等的变革被发送给提出的控制系统。如图6所描述，伺服控制器包括四部分：（1）计算在WCB的实际刀具位置的一种直接动力学变革算法，例如Pw=K(Pd)；（2）一个背离误差和方向误差的演算错误模型（由表示），和跟踪延迟误差（由表示）；（3）消除和