五轴联动数控机床轮廓误差耦合控制理论与方法研究

五轴联动数控机床需同时控制刀心位置和刀轴方向，五轴之间耦合关系复杂。本项目从解决"五轴联动数控机床各进给轴实际伺服动态性能不匹配严重影响轮廓精度"这一难题入手，从三方面研究轮廓误差耦合控制理论与方法：①根据五轴联动数控机床运动学模型，针对刀心位置轮廓误差和刀轴方向轮廓误差，研究一种多输入多输出轮廓误差耦合控制方案，增加五轴匹配程度；②针对任意复杂轨迹，采用空间解析几何和矢量代数理论，基于逼近节点或插补点，研究适合高速跟踪的高精度轮廓误差计算模型；③在轮廓误差补偿修正方法方面，基于预测控制理论与免疫机理，研究轮廓误差预测-校正补偿模型和免疫自调节非线性PID轮廓误差控制器，来计算轮廓误差补偿修正量，以减小跟踪轮廓曲率变化和外界扰动对系统精度影响。在现有五轴联动运动平台上，编程实现所研究理论与方法，搭建试验环境，进行验证和改进。该研究将为实现五轴联动数控机床高精度协同控制提供理论和技术基础。

五轴联动数控机床各进给轴实际伺服动态性能不匹配严重影响轮廓精度的提高。本项目从三方面对五轴联动数控机床轮廓误差耦合控制理论与方法展开研究，即五轴联动数控机床轮廓误差耦合控制方案、轮廓误差计算模型以及轮廓误差补偿修正方法。. 以C轴、A轴双转台数控立式五轴机床为例，建立了五轴联动数控机床运动学模型，运用运动学正解逆解模型证明了五轴联动数控机床加工中，刀心位置轮廓误差既与平动轴有关，也与旋转轴有关；刀轴方向轮廓误差只与旋转轴有关。建立了多输入多输出轮廓误差耦合控制方案：在每个采样周期，计算出刀心位置轮廓误差和刀轴方向轮廓误差，经运动学逆解运算和轮廓误差补偿控制器计算出各进给轴需额外补偿的增减量。. 在轮廓误差计算方面，针对用直线段按精度要求逼近空间复杂曲线并使用空间直线插补加工，提出了一种“矢量法”轮廓误差计算模型；针对用NURBS曲线直接插补空间复杂曲线，提出了一种“三点圆弧法”轮廓误差计算模型和一种“参数平均法”轮廓误差计算模型；这三种模型均不依赖于跟随误差，即使在高速、伺服滞后较严重导致跟随误差较大时仍能计算准确。. 在轮廓误差补偿修正方面，研究了轮廓误差预测-校正补偿模型来计算轮廓误差补偿修正量，利用轮廓误差反馈信息实现轮廓误差闭环预测和滚动优化。将免疫控制算法和经典PID控制相结合，设计了一种免疫自调节非线性PID轮廓误差控制器，可以减小曲线曲率变化、各种扰动对轮廓误差补偿控制的影响，提高轮廓控制精度。. 运用搭建的双转台结构五轴运动平台，验证了研究的五轴联动数控机床轮廓误差耦合控制理论与方法。试验结果表明，相对于现有的“切线近似法”轮廓误差控制模型，本项目提出的轮廓误差耦合控制理论与方法可显著提高数控机床轮廓精度。本项目研究对增加五轴联动数控机床各轴匹配程度，实现多轴协同控制提供理论和技术基础。已利用本项目部分理论方法开发了特种柱面插削加工数控系统和机床，在罗茨风机叶轮加工中获得应用。