外文翻譯--五軸聯(lián)動機床的刀具軌跡控制方案 中文版.doc

五軸聯(lián)動機床的刀具軌跡控制方案Chih-ChingLoFengChia大學，機械工程學院，Taichung407,臺灣2000年11月16日收稿，2001年5月8日發(fā)表翻譯：孟志民B機制051摘要本文介紹五軸聯(lián)動機床制造應用中的一個新的伺服操縱方法。提出這樣的方法來消除直接錯誤所產(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)動機床的刀具軌跡控制。為了達到這項目的，所設(shè)想的五軸聯(lián)動控制系統(tǒng)是基于并列驅(qū)動基礎(chǔ)（五個驅(qū)動軸是一起工作的）和并列刀具基礎(chǔ)之間的現(xiàn)實變化。關(guān)鍵詞：五軸聯(lián)動機床，伺服控制，刀具軌跡控制1介紹為了在機械加工中獲得高精度的CNC（計算機數(shù)字控制），對多軌運動準確行的協(xié)調(diào)是設(shè)計伺服驅(qū)動系統(tǒng)最為重要的一步。用機器制造復雜表面時為了同步不同的軸運動，一個常規(guī)多軸的伺服操縱系統(tǒng)包括一個分類機和幾個軸向控制器。分類機引起是相對制件的期望工具運動，然后分解期望行動對分開的驅(qū)動軸【1-4】的參考位置命令。實際運動由驅(qū)動軸實現(xiàn)。每個軸都是由一個軸驅(qū)動器所控制，他們的任務是跟蹤軸向位置命令（例如：消除沿每個驅(qū)動軸的位置誤差）。許多研究員開發(fā)了改進一個單獨軸的跟蹤的準確性控制算法，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施增添跟蹤的表現(xiàn)。目前，Tomizuka做出了一個重要的貢獻，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ZPETC）【8，9】。雖然每個單獨軸的跟蹤的表現(xiàn)可以用上述方法顯著改進，多軸的的整體控制刀具軌跡總是沒有被保證【6】。多軸的伺服系統(tǒng)評估的一個典型的表現(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，韓國人【10】提出了一個交叉干擾控制器（CCC），它構(gòu)建于平行軸向控制器之間。一個典型的交叉干擾的控制器包括輪廓偏差和控制定律的實時演算消滅輪廓偏差?；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?！?1-13】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關(guān)鍵【6】，另外定位偏差，那些表示在實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)動機床刀具軌跡控制的重要一點。在本文中，主要的關(guān)注焦點是前文所提到的五軸聯(lián)動機床的刀具軌跡控制，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)鍵點通過五軸聯(lián)動控制系統(tǒng)和常規(guī)系統(tǒng)進行一系列的對比。2五軸聯(lián)動刀具軌跡控制的關(guān)鍵點圖一沿被切削表面的刀具軌跡讓我們考慮以下五軸聯(lián)動機器制造的事例（如圖一中所提到），用一個圓柱形刀具削減表面。在計劃階段，包括刀具中心點的刀具軌跡（L）和刀具方位（O）被預定以便于切削邊緣（S）能夠通過被切削的表面【15，16】。這里我們讓P和R分別表示參考位矢和實際位矢。P和R都是由五部分所組成的位矢（3個是刀具中心位置L，2個是刀具方位O）。區(qū)別(或錯誤)在參考和實用位矢之間（例如，E=R-P）是五軸聯(lián)動機床制造的關(guān)鍵。但是，E不是主要關(guān)鍵點，因為小E不一定保證微型機器制造的不精確性。如圖2中所列舉的那樣，盡管P（2）比P（1）遠接近于R（例如E(2)E(1)），它導致更多機器制造的不精確性。圖二不完美的刀具軌跡跟蹤的控制造成機器制造的誤差圖三說明了部分誤差的兩個主要起因，在圖三（a）中背離偏差（d），它表示實際刀具地點之間的距離（P）和最近距離（C）在期望刀具軌跡上(而不是瞬間參考R)是一個重要的關(guān)鍵點。如圖三（b）所示，方位誤差（），它表示在實際刀具軸和期望刀具軸方向之間的角度與C相應，這是另外一個關(guān)鍵點。如圖三所示，背離偏差和方位偏差是引起機床誤差的主要因素。（a）偏離誤差（b）方位誤差圖三五軸聯(lián)動機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關(guān)鍵點。如圖四所示，重大跟蹤延遲也將導致在二連貫表面之間不能接受的機器制造誤差。圖四刀具軌跡通過的二個連貫軌跡3常規(guī)的五軸控制系統(tǒng)典型的五軸機械刀具包括三運動軸（x,y,z）和兩個旋轉(zhuǎn)軸（,）。一個常規(guī)的五軸聯(lián)動機床控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。圖五常規(guī)五軸聯(lián)動機床控制結(jié)構(gòu)圖在系統(tǒng)中分類機包括軌跡計劃模塊和相反動力學變革【2，14】，在實時引起期望參考位置命令對五個分開的控制回路（分別是x-,y-,z-和-）。刀軌計劃的模塊相對地引起期望刀具行動。換句話說，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，實際和錯誤位矢分別表示作為Rw、Pw和Ew。與刀軌計劃模塊相比，軸向控制回路致力于跟蹤沿五個驅(qū)動軸的各自的行動。這些運動被定義為驅(qū)動協(xié)調(diào)依據(jù)（DCB）。在DCB把期望，實際，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，在分類集中要求實施inversekinematics變革算法。注意五軸聯(lián)動機床刀軌的機械結(jié)構(gòu)實際上作為指揮動力學變革Pw的Pd的轉(zhuǎn)換。讓K和K-1分別代表直接和反運動的改變。換句話說，我們有Rw=K(Rd),Pw=K(Pd),Rd=K1(Rw)和Pd(1)=K1(Pw)（1）五個控制回路的作用將跟蹤是由分類器引起的參考位置命令。對于每個圈，控制器宗旨是將沿驅(qū)動軸的位置誤差降到最小。讓Hd和Gd分別為控制器和驅(qū)動的傳遞函數(shù)矩陣。在矩陣Hd和Gd，非對角期限是零，并且對角期限分別是軸向控制器和軸向驅(qū)動的傳遞函數(shù)。注意，在一個計算機控制的系統(tǒng)中Hd和Gd是作用的z易變（在離散時間領(lǐng)域）。常規(guī)五軸聯(lián)動控制系統(tǒng)的策略是減少沿驅(qū)動軸的位置誤差（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的（如圖二），Ed的減少不一定對應于背離誤差及其他誤差的減少。3計劃的五軸聯(lián)動控制系統(tǒng)圖六計劃的五軸聯(lián)動機床的控制系統(tǒng)計劃的五軸聯(lián)動控制系統(tǒng)如圖6所描述。與創(chuàng)立五個地方和分開的控制回路的常規(guī)系統(tǒng)相對比（如圖五）。提出的控制系統(tǒng)創(chuàng)立一個一體性和被結(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(Pd)和控制信號(Ud)發(fā)送到軸向