多轴数控机床进给运动交叉耦合控制理论与方法研究

During the machining process of NC machine tools, the forming of almost all the basic curves are the result of synchronous feeding of multi-axis. Because of the existing of different non-linearity characters in each feeding servo-system, the different static/dynamic characters among different feeding servo systems of coordinate and the coupled disturbances among axis, motion error is caused, so the maching accuracy deteriorates. In this project, the spatial mathematical model of feeding servo systems for a three-axis NC machine tool is set up to anlysis the adverse effects on motion error of different static/dynamic characters, independent disturbances and coupled disturbances. The relationship between desired trajectory, parameters of NC feeding system mathematical modle, incluing parameters of each coordinate feeding servo, coupling equivalent amoung axis, spatial equivalent disturbances, and motion error will be studied. Based on the spatial mathematical model, the adaptive theory and methodology for MIMO nonlinear system with uncertaint parameters and random disturbances will be investigated. Subsequently, A spatial motion error compensation methodology using direct sensors would be explorered, and a new spatial predictive compensation theory will be proposed later. Lastly, the compensating effect will be verified experimently, thoery application future will be explorered too.

在数控机床加工过程中，空间曲线的形成是多个单自由度进给伺服联动的结果。由于进给伺服本身具有惯性特性和非线性特性，且不同进给轴上伺服系统的静态、动态特性不同，摩擦、惯量、负载扰动等非线性特性也不同，再加上轴与轴之间的耦合扰动等因素，必然会导致进给运动误差的产生，从而影响加工精度。本项目首先以三轴数控机床为基础，建立进给运动误差在三维空间中的数学模型。然后基于该模型来研究各轴静、动特性不一致、独立扰动，以及各轴之间的耦合扰动对运动误差的影响机理，研究系统输入和包括各轴参数、各轴之间等效耦合量，以及空间等效扰动量等在内的模型参数与运动误差的理论关系。之后，研究考虑线性、非线性特性的交叉耦合控制理论及其在三轴联动系统中的实现方法。最后，探索交叉耦合控制方法在三轴以上数控机床中的应用，为进一步提高数控加工水平提供理论依据。

本项目建立了数学模型用于描述三轴数控机床的进给运动误差与各轴进给伺服系统动、静态性能、非线性传动环节的定性或定量关系；分析了单轴进给伺服的参数和扰动下对性能指标的影响，以及性能指标与跟随误差的关系；分析了三轴数控加工过程中各轴误差与空间曲线跟踪误差的耦合关系；设计了交叉耦合模型参考控制器用于减小空间曲线的跟踪误差；探索了交叉耦合模型参考自适应控制以及分数阶控制在风机变桨距控制、双电机驱动精密砻谷机传动系统中的应用，并进行了仿真和分析；结果表明基于交叉耦合模型参考自适应控制可以有效减小空间曲线跟踪误差，加快风机桨距调节时间、降低精密砻谷机的工艺误差。对交叉耦合模型参考自适应方法在三轴以上运动控制系统中应用进行了理论分析。理论分析和实验表明，该交叉耦合模型参考自适应控制方法是对于多轴联动且精度要求高的应用性能的提高具有重要作用。