外文翻譯--五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的刀具軌跡控制方案 中文版.doc

五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的刀具軌跡控制方案Chih-ChingLoFengChia大學(xué)，機(jī)械工程學(xué)院，Taichung407,臺(tái)灣2000年11月16日收稿，2001年5月8日發(fā)表翻譯：孟志民B機(jī)制051摘要本文介紹五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床制造應(yīng)用中的一個(gè)新的伺服操縱方法。提出這樣的方法來(lái)消除直接錯(cuò)誤所產(chǎn)生的背離誤差、方位誤差和跟蹤延遲誤差，這些誤差直接關(guān)系到五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的刀具軌跡控制。為了達(dá)到這項(xiàng)目的，所設(shè)想的五軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)是基于并列驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)（五個(gè)驅(qū)動(dòng)軸是一起工作的）和并列刀具基礎(chǔ)之間的現(xiàn)實(shí)變化。關(guān)鍵詞：五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床，伺服控制，刀具軌跡控制1介紹為了在機(jī)械加工中獲得高精度的CNC（計(jì)算機(jī)數(shù)字控制），對(duì)多軌運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確行的協(xié)調(diào)是設(shè)計(jì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最為重要的一步。用機(jī)器制造復(fù)雜表面時(shí)為了同步不同的軸運(yùn)動(dòng)，一個(gè)常規(guī)多軸的伺服操縱系統(tǒng)包括一個(gè)分類機(jī)和幾個(gè)軸向控制器。分類機(jī)引起是相對(duì)制件的期望工具運(yùn)動(dòng)，然后分解期望行動(dòng)對(duì)分開(kāi)的驅(qū)動(dòng)軸【1-4】的參考位置命令。實(shí)際運(yùn)動(dòng)由驅(qū)動(dòng)軸實(shí)現(xiàn)。每個(gè)軸都是由一個(gè)軸驅(qū)動(dòng)器所控制，他們的任務(wù)是跟蹤軸向位置命令（例如：消除沿每個(gè)驅(qū)動(dòng)軸的位置誤差）。許多研究員開(kāi)發(fā)了改進(jìn)一個(gè)單獨(dú)軸的跟蹤的準(zhǔn)確性控制算法，傳統(tǒng)算法根據(jù)反饋原則【5，6】。另外，前饋控制算法可以被實(shí)施增添跟蹤的表現(xiàn)。目前，Tomizuka做出了一個(gè)重要的貢獻(xiàn)，他提出了跟蹤控制器的零階段誤差（ZPETC）?；赯PETC的方法，一些變化或輔助算法被提出（例如，適應(yīng)ZPETC）【8，9】。雖然每個(gè)單獨(dú)軸的跟蹤的表現(xiàn)可以用上述方法顯著改進(jìn)，多軸的的整體控制刀具軌跡總是沒(méi)有被保證【6】。多軸的伺服系統(tǒng)評(píng)估的一個(gè)典型的表現(xiàn)索引是輪廓偏差，那些表示從期望刀具軌跡的偏差。為了有效的減少輪廓偏差，韓國(guó)人【10】提出了一個(gè)交叉干擾控制器（CCC），它構(gòu)建于平行軸向控制器之間。一個(gè)典型的交叉干擾的控制器包括輪廓偏差和控制定律的實(shí)時(shí)演算消滅輪廓偏差?；贑CC方法的觀念，數(shù)款交叉干擾控制器（使用不同的輪廓偏差模型和控制器定律）被提出。【11-13】為了消除誤差，但不是多軸刀具軌跡跟蹤控制唯一關(guān)鍵。例如，沿跟蹤的方向的位置滯后是另一個(gè)關(guān)鍵【6】，另外定位偏差，那些表示在實(shí)際刀具軸和期望刀具方向之間的偏移角，也是四軸或五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床刀具軌跡控制的重要一點(diǎn)。在本文中，主要的關(guān)注焦點(diǎn)是前文所提到的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的刀具軌跡控制，和前文所提到的常規(guī)的五軸控制系統(tǒng)，和它不足之處的論述。最后，把剛才所列舉的這些關(guān)鍵點(diǎn)通過(guò)五軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)和常規(guī)系統(tǒng)進(jìn)行一系列的對(duì)比。2五軸聯(lián)動(dòng)刀具軌跡控制的關(guān)鍵點(diǎn)圖一沿被切削表面的刀具軌跡讓我們考慮以下五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)器制造的事例（如圖一中所提到），用一個(gè)圓柱形刀具削減表面。在計(jì)劃階段，包括刀具中心點(diǎn)的刀具軌跡（L）和刀具方位（O）被預(yù)定以便于切削邊緣（S）能夠通過(guò)被切削的表面【15，16】。這里我們讓P和R分別表示參考位矢和實(shí)際位矢。P和R都是由五部分所組成的位矢（3個(gè)是刀具中心位置L，2個(gè)是刀具方位O）。區(qū)別(或錯(cuò)誤)在參考和實(shí)用位矢之間（例如，E=R-P）是五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床制造的關(guān)鍵。但是，E不是主要關(guān)鍵點(diǎn)，因?yàn)樾不一定保證微型機(jī)器制造的不精確性。如圖2中所列舉的那樣，盡管P（2）比P（1）遠(yuǎn)接近于R（例如E(2)E(1)），它導(dǎo)致更多機(jī)器制造的不精確性。圖二不完美的刀具軌跡跟蹤的控制造成機(jī)器制造的誤差圖三說(shuō)明了部分誤差的兩個(gè)主要起因，在圖三（a）中背離偏差（d），它表示實(shí)際刀具地點(diǎn)之間的距離（P）和最近距離（C）在期望刀具軌跡上(而不是瞬間參考R)是一個(gè)重要的關(guān)鍵點(diǎn)。如圖三（b）所示，方位誤差（），它表示在實(shí)際刀具軸和期望刀具軸方向之間的角度與C相應(yīng)，這是另外一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。如圖三所示，背離偏差和方位偏差是引起機(jī)床誤差的主要因素。（a）偏離誤差（b）方位誤差圖三五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床控制中的偏離誤差和方位誤差除了偏離誤差和方位誤差之外，跟蹤延遲誤差（）它表示E組分沿跟蹤的方向的也是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。如圖四所示，重大跟蹤延遲也將導(dǎo)致在二連貫表面之間不能接受的機(jī)器制造誤差。圖四刀具軌跡通過(guò)的二個(gè)連貫軌跡3常規(guī)的五軸控制系統(tǒng)典型的五軸機(jī)械刀具包括三運(yùn)動(dòng)軸（x,y,z）和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸（,）。一個(gè)常規(guī)的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。圖五常規(guī)五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床控制結(jié)構(gòu)圖在系統(tǒng)中分類機(jī)包括軌跡計(jì)劃模塊和相反動(dòng)力學(xué)變革【2，14】，在實(shí)時(shí)引起期望參考位置命令對(duì)五個(gè)分開(kāi)的控制回路（分別是x-,y-,z-和-）。刀軌計(jì)劃的模塊相對(duì)地引起期望刀具行動(dòng)。換句話說(shuō)，刀具軌跡在被定義制件協(xié)調(diào)軸(WCB)是固定的在制件的依據(jù)。一下在WCB被定義的期望，實(shí)際和錯(cuò)誤位矢分別表示作為Rw、Pw和Ew。與刀軌計(jì)劃模塊相比，軸向控制回路致力于跟蹤沿五個(gè)驅(qū)動(dòng)軸的各自的行動(dòng)。這些運(yùn)動(dòng)被定義為驅(qū)動(dòng)協(xié)調(diào)依據(jù)（DCB）。在DCB把期望，實(shí)際，和誤差位矢分別表示為Rd,Pd,和Ed。為了從WCB到DCB變換參考位矢，在分類集中要求實(shí)施inversekinematics變革算法。注意五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床刀軌的機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)際上作為指揮動(dòng)力學(xué)變革Pw的Pd的轉(zhuǎn)換。讓K和K-1分別代表直接和反運(yùn)動(dòng)的改變。換句話說(shuō)，我們有Rw=K(Rd),Pw=K(Pd),Rd=K1(Rw)和Pd(1)=K1(Pw)（1）五個(gè)控制回路的作用將跟蹤是由分類器引起的參考位置命令。對(duì)于每個(gè)圈，控制器宗旨是將沿驅(qū)動(dòng)軸的位置誤差降到最小。讓Hd和Gd分別為控制器和驅(qū)動(dòng)的傳遞函數(shù)矩陣。在矩陣Hd和Gd，非對(duì)角期限是零，并且對(duì)角期限分別是軸向控制器和軸向驅(qū)動(dòng)的傳遞函數(shù)。注意，在一個(gè)計(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng)中Hd和Gd是作用的z易變（在離散時(shí)間領(lǐng)域）。常規(guī)五軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的策略是減少沿驅(qū)動(dòng)軸的位置誤差（例如Ed=Rd_Pd），而且為了排除五軸刀軌控制系統(tǒng)背離誤差、方位誤差、跟蹤延遲誤差的集中。但是期望值得懷疑。正像在上述部分所說(shuō)的（如圖二），Ed的減少不一定對(duì)應(yīng)于背離誤差及其他誤差的減少。3計(jì)劃的五軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)圖六計(jì)劃的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的控制系統(tǒng)計(jì)劃的五軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)如圖6所描述。與創(chuàng)立五個(gè)地方和分開(kāi)的控制回路的常規(guī)系統(tǒng)相對(duì)比（如圖五）。提出的控制系統(tǒng)創(chuàng)立一個(gè)一體性和被結(jié)合的整體是根據(jù)背離誤差、方向誤差和跟蹤延遲誤差整體表現(xiàn)的有效的控制。在下面誤差等，以后將獲得是在WCB定義的誤差組分。相反的，反饋位置信號(hào)(Pd)和控制信號(hào)(Ud)發(fā)送到軸向