空间曲线刀具路径加工的直接轮廓控制方法研究

The high accuracy contour control of spatial curved tool path can improve the quality and productivity in the machining of complex parts, which is promising in application, and also a crucial problem in the research field of computerized numerical control (CNC). To avoid the paradox of the coupling of the trace error and contour error in the current contour control methods, and overcome the problem in contour error evaluation precision and the problem in feedrate planning with contour error constraint, this proposal introduces a non-position-trace type direct contour control method. The direct contour controller is built on the velocity controller in the axis level, and implements velocity control in the feed direction and position control in the contour error direction of the tool path in the upper level. The research will focus on the basic theory problems, including high accuracy real-time evaluation of contour machining states with spatial curve, motion planning for direct contour control with spatial curve and contour error constraint and the control strategy of direct contour control. The simulation of.direct contour control will be conducted and an experimental prototype controller will be built to verify the theory and explore the possibility in engineering applications. The direct contour control of spatial curved tool path is a frontier application basic research, which has no relative reports to the best of our knowledge. The early start of relative researches will help to achieve the independent innovation in the basic theory and key technology of high accuracy contour control, and obtain a leading position in this field.

空间曲线刀具路径的高精度轮廓控制能够提高复杂零件的加工质量和效率，具有良好的应用前景，是当前数控领域研究的一项关键问题。本项申请针对当前轮廓控制方法中位置跟踪与轮廓控制相互影响这一固有矛盾，以及轮廓误差估计精度低、缺乏轮廓误差约束下的运动规划理论等不足，提出一种非位置跟踪型的直接轮廓控制方法。在各轴速度控制的基础上，构建在刀具路径进给方向速度控制、轮廓误差方向位置控制的直接轮廓控制器，并研究空间曲线轮廓加工状态的实时高精度评估、考虑轮廓误差的空间曲线刀路直接轮廓控制运动规划、直接轮廓控制策略等基本问题。对直接轮廓控制进行仿真，并构建一台实验样机验证理论结果，探索其工程应用。空间曲线刀具路径的直接轮廓控制属于一项前沿的应用基础研究，在国内外尚无相关报道，及时开展相关研究有助于取得高精度轮廓控制基本理论和关键技术上的自主创新，取得该领域领先优势。

复杂参数曲线的高精度轮廓加工是数控领域的一项关键技术，然而目前基于位置跟踪的伺服系统在轮廓控制中无法避免跟踪控制与轮廓控制的矛盾。此处，现有控制方法中轮廓误差采用估计方法计算，在高速复杂轨迹中的精度较差。本项目的主要研究成果：1）提出了一种非位置跟踪型的轮廓加工控制方法，即直接轮廓控制方法。直接轮廓控制将控制任务分解为进给方向的速度控制和轮廓误差方向的位置控制，完全消除了位置跟踪环节，实现0跟踪误差。2）提出并实现了基于足点跟踪和Brent方法的空间曲线轮廓加工状态的高精度实时计算方法。3）提出了面向轮廓控制的CCE轮廓误差，区别于传统的MCE，提高了轮廓控制系统的稳定性。4）实现了面向直接轮廓控制参数域NURBS 曲线平滑运动规划方法，考虑了执行器饱和，机床动力学约束，规划结果可直接应用于直接轮廓控制的速度插补。5）研究了直接轮廓控制的状态空间表达式，揭示了直接轮廓控制的性质并研究了系统的稳定性判据以及性能。6）构建了直接轮廓控制的仿真平台和直接轮廓控制系统原型样机，验证了直接轮廓控制的有效性。本项目的提出的直接轮廓控制理论和相关技术方法为复杂参数曲线路径的高速高精度加工提供了全新的方案，从原理上避免了位置跟踪所产生的弊端，能够有效提高轮廓控制系统的性能，研究成果为进一步的工程推广应用提供了重要参考。