[论文解读] Feed drive simulation for the prediction of the tool path follow up in High Speed Machining
本文提出了一种用于五轴高速加工（HSM）系统的动态进给驱动仿真模型，整合了电流、速度和位置控制环路以及前馈项，以预测刀具路径偏差。该模型能够准确模拟直线和旋转轴的行为，通过包含3D和5轴刀具路径的实验验证，仿真路径与实际路径之间表现出高度相关性，从而实现在加工前早期检测几何误差。
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.
研究动机与目标
- 建立五轴高速加工机床进给驱动动态行为的模型。
- 解决高速加工过程中多轴协调与高进给速度导致的路径跟踪误差问题。
- 开发一个综合的仿真框架，包含电流、速度、位置和前馈控制环路。
- 针对具有各种几何不连续性的实际刀具路径对模型进行验证。
- 实现在实际加工前对刀具路径精度进行虚拟验证。
提出的方法
- 开发包含电流、速度和位置控制环路的多环路进给驱动动态模型。
- 引入前馈项以反映实际HSM驱动特性。
- 实施系统辨识程序，利用实验数据校准模型参数。
- 在复杂3D和5轴刀具路径轨迹下，对直线轴和旋转轴进行仿真。
- 将仿真刀具路径与实测实际路径进行比较，以评估模型精度。
- 使用虚拟轴模型在物理加工前预测路径偏差。
实验结果
研究问题
- RQ1动态进给驱动模型在高速五轴加工中预测刀具路径偏差的准确性如何？
- RQ2多轴协调与高进给速度对路径跟踪精度有何影响？
- RQ3电流、速度、位置和前馈控制环路在HSM中如何影响路径偏差？
- RQ4所提出的模型在几何不连续性条件下能多大程度上再现真实刀具路径行为？
- RQ5虚拟仿真模型能否可靠地在实际加工前预测表面质量问题？
主要发现
- 所提出的进给驱动仿真模型在预测刀具路径偏差方面具有高精度，仿真路径与实测路径高度一致。
- 引入前馈项显著提升了模型再现实际驱动动态特性的能力。
- 该模型成功捕捉了在3轴和5轴轨迹中由几何不连续性引起的路径误差。
- 实验验证证实，该模型在多种刀具路径几何形状和进给速度下均具有效性。
- 虚拟轴模型可实现路径跟踪误差的早期检测，支持加工前的工艺优化。
- 辨识程序能有效校准模型参数，确保仿真结果的可靠性。
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