五轴数控机床双层交叉耦合轮廓误差控制

摘要

【目的】在五轴数控机床复杂曲面加工过程中，刀具姿态的频繁变化会引发刀尖的非线性运动，这给轮廓误差的控制与补偿带来了极大挑战。尤其在加工大曲率轨迹时，频繁的刀具姿态调整会导致旋转轴跟踪精度下降，使得姿态轮廓误差对位置轮廓误差的扰动作用显著增强。【方法】针对这一问题，本文基于在线轮廓误差估计，提出一种交叉耦合控制结构，根据旋转轴与直动轴将五轴数控机床分为姿态层和位置层两层，设计了刀尖位置周期更新方法。在姿态层完成刀轴方向误差补偿的同时，将由姿态变化引起的刀尖位置偏移实时反馈至位置层，在此基础上进行了交叉耦合控制器设计并引入了变交叉耦合增益。这种双层交叉耦合控制结构将五轴系统等效为受到有界扰动的三自由度位置控制系统。【结果】为验证本文方法的有效性，开展了两组仿真实验，分别采用曲率恒定的三维螺旋线轨迹和曲率变化显著的花瓣形曲线轨迹。仿真结果表明，与其他对比方法相比，所提双层交叉耦合轮廓误差控制方法可使刀尖位置轮廓误差分别降低约14.11%和17.51%;同时，刀轴姿态轮廓误差在保持高精度的前提下基本维持稳定，这与刀尖位置更新方法的推导结论一致。【结论】所提出的双层交叉耦合轮廓误差控制方法能够有效解决五轴数控机床轮廓误差的在线控制与补偿问题，在保证刀轴姿态轮廓误差精度不变的基础上，显著降低刀尖位置轮廓误差，提升轨迹跟踪精度，充分验证了该控制结构在五轴数控机床轮廓误差在线控制中的有效性。

关键词

五轴数控机床 / 轮廓误差 / 轮廓误差在线估计 / 交叉耦合控制 / 双层控制 / 刀尖位置更新 / 变增益 / 滑模控制 / 轨迹跟踪