5-6轴联动电火花加工放电间隙伺服控制方法研究

As a result of involving rotary axes in coordinated movements, 5-6 axes electrical discharging machining(EDM) for shrouded blisks has four new challenges, which are respectively in the area of kinematics, dynamics, discharging mechanism and controller design. The involvement of rotary axes causes large feedrate fluctuations which bring the problem of poor stability as well as low machining efficiency. To address this problem, an inverse Jacobian matrix in the SE(3) space of differential manifold is adopted so that the nonlinear motion transfer between the electrode and the workpiece can be analyzed. Contour errors can be resulted from mismatched axial dynamics as the moment of inertia of a rotary axis varies with its size. Matching of axial dynamics and cross-coupled control can be used to investigate the effect of contour errors on the control of a discharging gap. Multi-phase flow simulation and machining experiments will be carried out to investigate the effect of positions and orientations of an electrode on the expulsion of debris and bubbles. To cope with the nonlinear, time-varying, and stochastic gap dynamics, sliding mode control will be adopted so that both robustness and adaptation of the gap controller can be achieved. With the aforementioned research efforts, it is expected that the stability and machining efficiency can be significantly improved in 5-6 axes EDM.

闭式整体叶盘的5-6轴联动电火花加工中，由于旋转轴的参与，给放电间隙伺服控制带来了运动学、动力学、放电机理、控制方法四方面的新问题。针对因旋转轴引起的工件和电极之间相对速度波动过大而造成的加工稳定性差、效率低下的问题，采用微分流型SE(3)空间的雅可比逆矩阵，揭示工件和电极之间非线性运动的传递特性；针对因叶盘转动惯量变化而引起的轨迹误差影响放电间隙控制精度的问题，采用轴动态特性匹配、交叉耦合控制的方法，探明轴动态特性差异对放电间隙控制精度影响的规律；针对5-6轴加工中多变的电极位姿和狭窄的流道对放电间隙的影响，采用多相流场仿真和叶盘加工实验，探索电极位姿和空间摄动影响蚀除产物和气泡排出的原理；针对放电间隙状态非线性、时变、随机的特性，采用滑模控制理论，探索兼具鲁棒性和自适应性的放电间隙伺服控制器设计方法。通过上述研究，显著提高闭式整体叶盘5-6轴联动电火花加工的稳定性和加工效率。

本课题针对5-6轴电火花加工放电间隙伺服控制问题，开展了间隙放电状态全过程观测、自适应鲁棒放电间隙伺服控制器设计、基于旋量理论的电火花加工进给路径和速度规划、抬刀轨迹光顺和速度规划等方面的研究，研究目标是改善电火花加工极间放电状态，减少电极损耗，提高闭式整体叶盘加工效率。利用卡曼滤波器模型对极间电压信号进行处理，滤波后的极间电压信号噪音显著减少，为间隙伺服控制器提供了更加准确的反馈信号，减少不必要的伺服轴运动。基于自回归移动平均外生模型，设计了电火花加工最小方差自适应控制器，对系统时间和频率响应进行了分析，试验结果表明自适应控制器提高了电火花加工过程的稳定性。从六轴联动电火花加工机床的结构出发，基于旋量理论对六轴联动电火花加工机床运动学进行了分析，提出了控制轨迹误差条件下多轴联动加工路径简化，提高了闭式整体叶盘粗加工效率；用NURBS曲线表示工件坐标系下的加工路径，并在工件坐标系下进行单位弧长插补，提高了加工路径的光滑性，提高了加工效率。从间隙伺服的角度研究多轴联动电火花加工进给路径的规划和进给速度的控制对加工过程的影响。将光顺后的多轴抬刀轨迹使用动态前瞻方法进行速度规划，实现多轴联动抬刀路径和速度的平滑，解决多轴联动电火花加工过程中的速度波动以及加工效率较低等问题。本课题的研究成果已在自主研制的六轴联动电火花加工数控系统中实现，提高了加工精度和加工速度，具有推广应用的基础。