五轴数控机床的大曲率轮廓跟踪精密高带宽控制技术研究

To improve the contouring performance during high-speed and large-curvature machining using 5-axis machine tools, this proposal presents a high-accuracy contour error estimation method and a high-bandwidth contouring control strategy. First, the dynamics of the 5-axis CNC machine are analyzed, and the influences of the high-feedrate and high-acceleration machining on the structural mode and contouring accuracy are revealed. Then, on this basis, the relationship between the geometry characteristics of the tool path and the contour error is investigated, and an accurate estimation method to evaluate the tool tip and tool orientation contour error is proposed. Finally, considering the structural mode of the CNC machine tool, the model uncertainties, the disturbances and the nonlinear system dynamics, an integrated adaptive and high-bandwidth contouring controller is developed based on the sliding mode control and closed-loop input shaping technologies. To validate the feasibility and efficiency of the present theory and methods, the software and hardware systems for 5-axis CNC machine and motion controller are developed, and experiments are conducted. The research results of this project will provide theoretical and technical support for high-accuracy and high-bandwidth 5-axis CNC machining of complex part with large curvatures.

针对高速加工技术发展对五轴数控机床高精度要求的迫切需求，以提高具有大曲率特征的复杂刀路轮廓控制精度为目标，提出面向五轴数控机床的高精度轮廓误差建模和高带宽轮廓跟踪控制器设计方法。本项目首先分析五轴数控机床的动力学特性，揭示高速高加速进给对系统振动模态、轮廓精度的影响规律。在此基础上，确定刀路几何特征与轮廓误差之间的映射关系，建立自适应曲率变化的刀心位置和刀轴姿态轮廓误差同步精确计算模型。进而，考虑系统谐振模态、模型不确定性、外界干扰以及动力学强耦合影响，综合输出反馈滑模变结构和闭环输入整形技术，提出高带宽鲁棒自适应轮廓跟踪控制器设计方法。应用上述理论，开发五轴数控机床软硬件系统和轮廓跟踪运动控制器，通过对复杂曲面类零件刀路高速轮廓跟踪的实验研究，验证提出的理论和方法的正确性、有效性。项目预期成果将为大曲率刀路五轴数控机床的精密高带宽轮廓控制提供理论方法与技术实施手段。

复杂曲面类零件，如航空发动机整体叶轮、叶片等，通常具有复杂外形、高材料去除率和高表面质量要求等几何或加工特征，其高效、高精加工方法是当前制造业面临的严峻挑战。本项目立足于复杂曲面类零件“既快又准”的加工目标，围绕五轴刀路光顺、轮廓跟踪误差精确计算与控制、实验平台构建与验证等三方面展开研究。.（1）针对五轴线性刀路，提出了两种实时前瞻刀路光顺算法和综合约束下的进给速度规划方法，建立了基于特征点选择与对偶四元数拟合的刀路压缩平滑方法，解决了刀路不连续导致的速度及加速度波动、进而降低轮廓精度和加工效率的问题。所提出的方法可将加工效率提高54.3%以上。.（2）在路径光顺基础上，提出了不依赖于刀具路径类型的多轴通用轮廓误差估算模型，发展了基于足点定义的轮廓误差精确计算方法，解决了大曲率和高进给速度条件下传统方法轮廓误差估计精度差的问题。所提出的方法可将轮廓误差估计偏差降低到近似为0。.在高精度轮廓误差估计前提下，提出了曲率自适应交叉耦合修正控制、通用轮廓误差伺服补偿控制、基于输入整形和轮廓误差预补偿的高带宽轮廓跟踪、面向伺服动态特性匹配的轮廓误差补偿控制、轮廓误差的精确在线估计和双滑模控制、五轴数控加工轮廓误差全局一致性减小的轮廓反演控制等方法，系统的解决了大曲率特征复杂刀路轮廓高精度、高带宽跟踪控制的问题。所提出的方法相比于传统方法可再将轮廓误差降低82%。.（3）为了对以上算法进行实验验证，开发了开放式五轴双转台雕铣机床，并构建了包括刀路光顺、进给速度规划、插补计算、轮廓控制等模块在内的数控系统，实现了复杂曲面类零件轮廓跟踪控制算法的原理性验证。.项目团队在IJMTM、Mechatronics、ROBOT CIM、IJAMT等期刊发表SCI论文9篇，接收1篇；发表国际会议论文6篇，《机械工程学报》论文1篇（另接收1篇）；申请国家发明专利5项，其中授权3项，另授权实用新型专利1项；登记软件著作权2项。项目负责人的博士论文于2016年获上海市优秀博士论文，项目组成员杨吉祥（博士后）的博士论文于2016年获上银优秀机械博士论文“佳作奖”。