[論文レビュー] Feed drive simulation for the prediction of the tool path follow up in High Speed Machining

David Prévost, Sylvain Lavernhe+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2010

Iterative Learning Control Systems参考文献 11被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、5軸高速切削（HSM）システムの動的進給ドライブシミュレーションモデルを提示する。現在、速度、位置制御ループに加えてフィードフォワード項を統合し、工具パスのずれを予測する。モデルは並進軸および回転軸の挙動を正確にシミュレートでき、3Dおよび5軸工具パスにおいて、シミュレートされたパスと実際のパスとの間に高い相関関係を示し、加工前に幾何的誤差を早期に検出可能である。

ABSTRACT

This paper deals with an advanced modeling of the feed drives of a five axis machine tool within the context of High Speed Machining. The management of the multi axes as well as high velocities causes problems to the set machine tool - Numerical Controller throughout the trajectory execution process. As a result, many errors are introduced during machining all process long affecting the surface quality. The paper aims at modeling the feed drive dynamics during trajectory follow-up including the current, the velocity and position loops as well as the feed forward terms, which characterize classical drives on actual HSM machines. It concerns translational axes as well as rotary axes. A procedure of identification is implemented. Performances of the model are assessed by the comparison between simulated tool paths to the real one. Experimental verifications of the virtual axis model are detailed for three and five axis trajectories presenting various types of geometrical discontinuities.

研究の動機と目的

• 5軸高速工作機械における進給ドライブのダイナミックな挙動をモデル化すること。
• HSM中の高スピーードとマルチアックス連携に起因するパスフォロwing誤差を解決すること。
• 電流、速度、位置、およびフィードフォワード制御ループを含む包括的なシミュレーションフレームワークの開発。
• さまざまな幾何的不連続性を有する実世界の工具パスに対してモデルを検証すること。
• 実際の加工前に工具パスの正確性を仮想的に検証できるようにすること。

提案手法

• 電流、速度、位置制御ループを含む、マルチループの進給ドライブのダイナミックモデルの開発。
• 実HSMドライブの特性を反映するためにフィードフォワード項を組み込む。
• 実験データを用いてモデルパラメータをキャリブレーションするためのシステム同定手順の実装。
• 複雑な3Dおよび5軸工具パス軌道下での並進軸および回転軸のシミュレーション。
• シミュレートされた工具パスと測定された実際のパスの比較により、モデルの精度を評価。
• 物理的切削の前に行われるパスのずれ予測を可能にする仮想軸モデルの使用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 動的進給ドライブモデルは、高速5軸切削における工具パスのずれをどの程度正確に予測できるか？
• RQ2 マルチアックス連携と高進給速度は、パスフォロウイング精度にどのような影響を与えるか？
• RQ3 電流、速度、位置、およびフィードフォワード制御ループは、HSMにおけるパスのずれにどのように寄与するか？
• RQ4 提案されたモデルは、幾何的不連続性を有する条件下で、実際の工具パス挙動をどの程度正確に再現できるか？
• RQ5 仮想シミュレーションモデルは、実際の加工の前に対象の表面品質の問題を信頼性高く予測できるか？

主な発見

• 提案された進給ドライブシミュレーションモデルは、シミュレートされたパスと測定されたパスとの間に良好な一致を示し、工具パスのずれを高い精度で予測している。
• フィードフォワード項の組み込みにより、モデルが実際のドライブダイナミクスを再現する能力が顕著に向上している。
• モデルは、3軸および5軸の軌道における幾何的不連続性に起因するパス誤差を効果的に捉えている。
• 実験的検証により、モデルの有効性が多様な工具パス形状および進給速度において確認された。
• 仮想軸モデルにより、物理的切削の前に対象のパスフォロウイング誤差を早期に検出可能であり、プロセス最適化を支援する。
• 同定手順により、モデルパラメータが効果的にキャリブレーションされ、信頼性の高いシミュレーション結果が得られている。