英文翻译：机床进给系统的轮廓控制问题——一种基于任务坐标系方法.docVIP

机床进给系统的轮廓控制问题——一种基于任务坐标系方法 George T.-Chiu Masayoshi Tomizuka (Fellow,IEEE) 摘要：在本文中，我们将说明轮廓加工性能可被视为在一个运动任务坐标系中的控制问题，通过将机床进给动力学问题转换到任务坐标系中，设计一种控制律在轨迹切线方向和法方向施以不同的动力。这种转换同样阐明了轮廓曲率和进给速率对加工性能的影响以及在任务坐标系中的系统动力学问题。最终得到的控制律包括一种线性时变PD位置误差反馈控制律和一种线性时不变轨迹前馈补偿控制律。上述控制算法应用在加工中心Matsuura MC510V上的运动轴的实验结果表明，和现存伺服控制器相比，在轮廓加工精度上有明显的提高，同时当进给速度达到6m/min时，成功实现了切线方向动力和法方向的动力之间的解耦。 关键字：工业控制，机床，制造，运动控制，伺服系统 第一章 背景简介 在机械加工应用中，最重要的问题是消除加工误差以保证最终产品的质量。产品质量的一项重要指标是最终产品的尺寸精度。机械学科提供了很多减少加工误差的文献，Blaedel给出了补偿误差的各种策略的概论，Donmez发展了一种在CNC（计算机数值控制）加工过程中的实时补偿法用于补偿几何和热损误差。众多专家研究工艺模块以估算在打磨过程中的切力和表面误差。Ulsoy和Koren提出了一种在机械加工过程中系统考量的方法。 在加工误差的成因中，动力定位误差占到了90%，导致定位不准的两大原因是：机床进给伺服系统的带宽缺失引起的“径向紧缩”和非线性因素，例如低速摩擦。尽管增加了前馈补偿，例如零相位错误跟踪控制器（ZPETC），系统带宽增加，然而进给轴的加工性能在某些情况（如摩擦力）下没有直接改善。既然所有的进给轴的协同动作，在系统受干扰情况下，各个轴都需要保持良好的尺寸精度；机床进给系统的协同控制可提供一种折中方法以改善产品的最终尺寸精度。在本文中，将协同控制算法应用于工业CNC系统中去论证得到了加工性能的提升。 在大多数机床进给系统中，为每个运动轴单独设计了各自的伺服控制器，这导致了系统成为各个解耦的SISO系统的集合体，当单个轴的干扰不影响其他轴的性能时，解耦设计可能是完美的；然而，在轮廓加工应用中，解耦有时候会破坏整体性能。例如，当进给系统的一个轴在解耦控制下受到一种干扰的影响，其他轴会认定这个受干扰轴仍是正常运行；这是因为各个轴间缺失协调，从而导致了整体轮廓加工精度的降低； 图  SEQ 图 \* ARABIC 1 轨迹误差和轮廓加工误差——两种情形的研究 图1揭示了在加工一个半径10mm的圆形轮廓时，单个轴的轨迹误差和两种加工设备的轮廓加工误差。如图1所示，case1有更小的轴轨迹误差，而case2有更小的轮廓加工误差。一种更好的控制机床进给系统的方法是将“智能”连接作用（coupling actions）引入到控制器中，这样加工轮廓就能在瞬态干扰、干扰恢复过程和稳定状态下都能够实现预期要求。在实际的操作中，运动轴时常处在内外干扰的影响下，在上述情况下保持协调的能力对整个系统的性能是非常重要的。 上述讨论表明，协同运动控制器是多变量的，轨迹可循的。因为预期运动的协同目标需要被清晰地表述，所以设计过程和预期的轮廓紧密联系；受到提高机床进给系统加工性能的激励，许多研究者早在1950年代开始研究运动协调问题。 Poo研究了加工系统的动力学误差，得出结论：通过对每个轴单独施加控制，以保证各个轴的动力学特性相互之间都是独立的，可以提高轮廓加工性能。Bin在研究基于单片机的控制方案以提高加工性能的时候提出了相同的观点。其他研究者从轨迹规划的角度解答了这一问题。Butler和Tomizuka提出CNC系统的轮廓加工性能在为每个轴设定预期轨迹时考虑轴的动力学时得到提高；Imamura和Kaufman准确地提出了在价值函数中的考虑精细加工误差的进给速率最优问题；Chou和Yang建议以一种系统的方法去为多轴CNC系统或CMM（坐标测量仪）生成预期参考轨迹。上述方法提出为进给轴解耦，着眼于为不同的轴生成预期参考轨迹以提高整体加工性能。当参考轨迹离线生成时，这些是开环控制方法。轮廓加工目标能够被清晰地考虑在问题表述中，但缺少必要的解耦效果去保证现有系统在不确定干扰下的加工性能。 通过在多轴中引入耦合效应，协同运动能够通过“平等”或者“主从”方式实现。在平等方式中，协同控制器将多个轴简单的视为平等，当多个轴受到的动力明显不同时，平等方式似乎不是最好的方法，因为控制器将过度驱动较慢的轴以使其加快响应，而使快速轴没有得到充分使用。在动力明显不同的两轴问题中，最好还是用主从策略。在这种情形下，慢轴作主轴，快轴跟随慢轴运动。在1957年，Sarachik等第一次使用主从策略解决问题；1