[发明专利]非圆曲面XY直驱加工廓形误差交叉耦合控制系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及数控加工控制技术领域，特别涉及一种非圆曲面XY直驱加工廓形误差交叉耦合控制系统及方法。

背景技术

随着制造业对零件加工精度要求的日益提高，直接驱动技术越来越多的应用于高档数控机床上，大幅度提高了数控机床性能指标。XY直驱加工平台，由2台永磁同步直线电机驱动轴向相互垂直的XY两轴进行平面精密运动。具有立式铣削特征的XY二维直线电机系统，以其快速的动态响应、准确的定位和可靠性广泛应用于自动化加工设备领域。由于直线电机取消了中间传动环节，不含传动误差，因此，跟踪误差是XY直驱加工平台廓形误差形成的主要原因。加工轨迹变化、机械延迟、机床振动、负载变化及两轴驱动系统参数不匹配等因素引起X、Y轴跟踪误差，很大程度上决定了轮廓加工精度。现有研究采用交叉耦合轮廓误差补偿控制的方法，可以有效的补偿廓形误差。研究表明，相比先进的单轴伺服控制器，基于时间的等态的交叉耦合（Cross-Couple Controller，CCC）是提高系统轮廓精度更有效的途径。

XY平台常规廓形误差交叉耦合计算是现有技术中的基本方法。在此基础之上，一些文献针对XY直驱平台廓形误差交叉耦合控制器的设计方法进行了研究，提出了等效误差控制、重复跟踪控制、差分进化法、零相位自适应鲁邦控制等控制方法。但交叉耦合控制应用在非圆廓形XY直驱加工方面仍然存在一些问题：首先，X、Y加工坐标为刀具中心轨迹，并不是真正的切触点，X轴、Y轴跟踪误差引起的加工坐标误差并不能直接等同廓形误差，而且二者引起的廓形误差还存在耦合；其次，对于相同的廓形轨迹，非圆零件XY加工可分为外表面轮廓与内腔表面轮廓加工，二者之间廓形误差交叉耦合计算必然存在一定差异，而且误差的正负与廓形曲线的凹凸性有相关，误差正负方向很难判定。

发明内容

（一）本发明所要解决的技术问题：

针对现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何有效对非圆曲面XY直驱加工的廓形误差进行控制。

（二）技术方案

为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种非圆曲面XY直驱加工廓形误差交叉耦合控制系统，包括：顺次耦接的X轴指令接收单元、X轴位置控制器、X轴电机驱动单元和X轴传感器，顺次耦接的Y轴指令接收单元、Y轴位置控制器、Y轴电机驱动单元和Y轴传感器，以及前馈交叉耦合控制器；其中，各轴传感器分别耦接各轴指令接收单元，反馈观测到的各轴电机驱动单元的位置驱动结果；各轴指令接收单元还分别与前馈交叉耦合控制器两输入端耦接，将指令位置与位置驱动结果进行比较，得到各轴的位置跟踪误差；前馈交叉耦合控制器的两输出端分别耦接各轴电机驱动单元的输入端；前馈交叉耦合控制器根据各轴的跟踪误差，经耦合计算后获得廓形误差，由前馈PID调节得出补偿控制量，随后将各轴补偿量按耦合增益分别分配给各轴电机驱动单元，用于调节各轴的控制信号以产生相应的实时附加补偿作用。

优选地，所述系统中：各轴的位置控制器均为PID控制器，前馈交叉耦合控制器为前馈PID控制器。

优选地，所述系统中：各轴传感器中采用直线光栅进行观测；传感器除反馈各轴位置驱动结果外，还反馈对电机速度进行调节的信号。

优选地，所述系统中：对各轴提供的耦合增益进一步分为加工外表面轮廓的耦合增益和加工内表面轮廓的耦合增益。