五轴数控加工的运动控制精度提高方法研究

摘要

五轴数控机床因其可以灵活高效地加工复杂曲面类零件而被广泛运用于制造加工航空、航天、航海、能源以及国防等领域中的叶轮、叶片和螺旋桨等复杂曲面类零件。然而，数控加工过程中，因进给驱动系统本身所存在的摩擦力等扰动、电机驱动器有限的频率带宽以及多轴之间动态特性不匹配引起的实际刀具轨迹和参考刀具轨迹之间的轮廓误差直接影响工件的尺寸及形貌。过大的轮廓误差将造成零件配合失效、螺旋桨运转噪声过大等问题，严重制约航空、航天、航海等装备的整体性能。 为了解决以上问题，本硕士研究论文围绕五轴数控加工的跟踪精度及轮廓精度的提高展开，针对五轴数控加工中的摩擦力建模与补偿、跟踪误差预补偿、五轴数控机床轮廓误差实时估算与控制展开了一系列研究，旨在提高五轴数控加工的运动控制精度。全文的主要研究工作以及创新性成果如下： （1）二阶段摩擦力模型的建模与补偿。首先，基于静摩擦力的弹性特性提出了一种辨识静摩擦力挣脱速度的新方法，用以区分非线性摩擦力下的预滑动和滑动状态之间的边界。然后，基于所获得的挣脱速度构建对应的静摩擦力模型。整合所提出的静摩擦力模型和经典的Tustin模型，得到了一个二阶段前馈摩擦力补偿模型。该模型不仅能够有效抵消摩擦力的Stribeck效应，而且还能够补偿非线性静摩擦力。此外，所提出的模型只与速度有关，这使得所提出的摩擦力模型具有更紧凑的形式并且减少了由参数辨识可能引入的误差。实验结果表明，所提出的摩擦力模型相对于经典摩擦力模型以及已有的二阶段摩擦力模型具有更高的精度，可以实现更好的补偿效果。 （2）多轴数控机床的跟踪误差预补偿。基于前馈摩擦力补偿的良好性能，为了进一步降低数控机床的跟踪误差以提高运动精度，并通过对滚珠丝杠传动系统的闭环传递函数的研究，利用简便的数学公式推导，提出了一种跟踪误差预补偿的控制方法，该方法的最大优点是便于实现，因为只需要辨识出运动控制系统的参数就可以实现跟踪误差的在线预补偿。实验结果证明了所提出的跟踪误差预补偿的有效性，并且这种跟踪误差控制方法能够一定程度上提高轮廓精度。 （3）五轴数控机床轮廓误差实时估算与控制。首先搜索出距离刀尖实际位置最近的刀尖参考位置，然后通过刀尖点实际位置与由最近的刀尖点参考位置及其两个相邻参考位置形成的圆弧之间的距离来估算出相应的刀尖轮廓误差。与刀尖轮廓误差估算方法类似，三点圆弧逼近（TPAA）轮廓误差估算算法也运用于单位球面坐标系中以估算出刀具方向轮廓误差，其中通过使刀尖位置和刀具方向弧长的比例系数相等，来统一刀尖位置轮廓误差和刀具方向轮廓误差。所提出的轮廓误差估算算法适用于不同的轨迹类型，而且相较于线性分段近似（LSA）算法，所提出的估算算法在高曲率轨迹段具有更高的估算精度。在五轴CNC实验平台上对各种不同测试路径进行的实验证实了所提出算法的有效性。实验结果表明，将所提出的轮廓误差估算算法与轮廓误差在线控制器相结合后，刀尖位置和刀具方向轮廓误差的最大值和均方根值减少了50％以上。

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