【導(dǎo)讀】39-47. KimBS,RoSK,ParkJK. 1.Introduction. begiveninSec.5.2.Designofa3-axisMillingMachine

　　

【正文】 ouring errors. In the first approach, reduction of axis of tracking errors can reduce contour errors indirectly. The applications of feedforward control and disturbance rejection techniques are included in this area. The other approach explicitly estimates contour errors in real time and perform control against them. Koren introduced the crosscoupled controller6 and other work done in crosscoupled control can be found ,8 In Fig. 16, we pare contour errors with and without the crosscoupled control. It clearly shows that crosscoupled control added to H∞ controller reduces the peak of the contour error occurred at around 0 degree, which is caused by friction of the air cylinder in the yaxis. The maximum peak of the contour error diminishes from 50 μm to 20 μm. In our 3axis milling machine, feedforward control does not show any significant improvement in reducing the large peak of the contour error but on the contrary, crosscoupled control does. 5. Conclusions In the paper, a 3axis desktop size milling machine and a CNC system are presented. The milling machine utilizes two voicecoil motors for XY stage and a linear motor for the zaxis and a 160,000 rpm air turbine spindle. Through finite element analysis and impact hammer test, we verified that the 3axis milling machine has highstructural stiffness and high natural frequencies. A CNC system, which was developed for the 3axis milling machine, was also discussed. The CNC system consists of two programs: a user interface program under Microsoft Windows and a DSP program running on a Daytona DSP board. Two programs municate through a dual port RAM and process user inputs and Gcode mands. We presented and pared a few control techniques to improve control performance of the desktop size 3axis milling machine. The H∞ controller intentionally designed with double integrators showed better performance than PID control in terms of tracking error and stiffness for the zaxis, which is equipped with a linear motor and air bearing. But H∞ control and PID control are similar when they are applied for voice coil motor driven x and yaxes. The input shaping control is useful when high acceleration is required, but it should be used with caution for multiple axes because it may destroy the synchronization of coordinated reference trajectories for each axis. The disturbance observer showed its usefulness in counteracting disturbances. The closedloop servo system recovered from sudden impulselike disturbances parably fast when it has a disturbance observer on top of a feedback controller. The disturbance observer may help preserving machining accuracy when large cutting forces apply to the tool stage. Crosscoupled control appears to be very effective to improve not only contour error but also tracking error when a significant friction exists. In our testbed machine, a crosscoupled controller added to H∞ control servoloop showed remarkable reduction in contour errors and it gave better tracking error than a feedforward controller. 三軸工作臺(tái)銑床及運(yùn)用先進(jìn)現(xiàn)代控制算法 的數(shù)控系統(tǒng)的研發(fā) 1. 簡介 隨著新的領(lǐng)域如 IT(信息技術(shù) )、 BT(生物技術(shù) ) 和 NT(納米技術(shù) ) 的出現(xiàn)及其對工業(yè)發(fā)展的帶動(dòng)，人們對微型工廠系統(tǒng)的興趣與日俱增。 微型工廠是一個(gè)小型柔性制造系統(tǒng)，它所用的空間和能量相對傳統(tǒng)工廠要小得多，而且它適宜生產(chǎn) IT、 BT 和 NT產(chǎn)業(yè)中所需的微型 /中型尺寸的機(jī)械部件。 用于微型機(jī)械加工系統(tǒng)主要的技術(shù)單元有高速主軸系統(tǒng)、高精度進(jìn)給系統(tǒng)、協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、工裝和 chucking系統(tǒng)、框架設(shè)計(jì)以及基于高剛度優(yōu)化的模塊分配系統(tǒng)。研究人員一直在試圖將微型技術(shù)與 構(gòu)建生產(chǎn)微型 /中型精準(zhǔn)件的微型工廠系統(tǒng)結(jié)合起來滿足制造業(yè)的需求。 本文中 ,我們描述了一種微型三軸銑床及其數(shù)控系統(tǒng)。這個(gè)三軸銑床作為一個(gè)微型工廠模塊用來生產(chǎn)高精度零件。它的尺寸為 200 300 200 mm3，作為我們的測試機(jī)床。從有限元分析和沖擊錘測試中，我們已經(jīng)證實(shí)了它有很好的結(jié)構(gòu)剛度和高的固有頻率。水平 Z軸方向上的高速空氣渦輪主軸的轉(zhuǎn)速可達(dá)到 160,000rpm。這臺(tái)三軸銑床在真實(shí)加工試驗(yàn)中成功的現(xiàn)實(shí)了其加工性能。 數(shù)控系統(tǒng)用于操作三軸工作臺(tái)銑床，它包括一個(gè) G指令譯碼器，能實(shí)時(shí)編輯基本的 G指令和 M指令。 該數(shù)控系統(tǒng)由兩部分組成，一個(gè)是在 Windows系統(tǒng)下的用戶界面，另一個(gè)是可加入指令并執(zhí)行實(shí)時(shí)伺服控制的 DSP 程序。這兩部分通過一個(gè)雙向 RAM（隨機(jī)讀取存儲(chǔ)器）傳遞信息，兩部分的工作分配在這里進(jìn)行詳細(xì)的討論。 為了提高三軸銑床數(shù)控系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng) PID型控制方式的性能，我們對三軸銑床進(jìn)行了不同的控制方法的研究，包括 H∞控制、輸入成型控制、擾動(dòng)觀察器和非門控制器。 本文其余內(nèi)容如下：第二部分介紹了三軸銑床的設(shè)計(jì)。這部分給出了通過沖擊錘測試得到的有限元分析和固有頻率的結(jié)果。在第三部分中，我們討論了基于 PC的用于三軸 銑床的數(shù)控系統(tǒng)。第四部分討論了一些現(xiàn)代控制方法如 H∞控制、成型控制、擾動(dòng)觀測器和非門控制的優(yōu)缺點(diǎn)。第五部分給出結(jié)論。 2. 三軸銑床設(shè)計(jì) 微型機(jī)床要求具有很高的加工精度，同時(shí)要提供足夠的剛度。為了估計(jì)微型機(jī)床基本的機(jī)械加工性能和剛度 ,我們設(shè)計(jì)了一個(gè)微型三軸銑床并將其作為測試機(jī)床。圖 1顯示了該三軸銑床及其規(guī)格。它的工作臺(tái)體積為 200 300 200 mm3，加工范圍為 20 20 20 mm3。垂直方向的 XY軸由電機(jī)驅(qū)動(dòng)， Z軸由 磁力預(yù)緊空氣軸承和 直流電機(jī)控制，空氣主軸轉(zhuǎn)速可達(dá) 160,000rpm，足以用 于高精度加工。水平工作臺(tái)安裝了運(yùn)用空氣軸承的平衡塊來抵消 Y方向上的重力的作用，工作臺(tái)下邊還安裝了小切削力功率計(jì)用以監(jiān)測加工過程。圖 2為三軸銑床的圖片。 圖 1 三軸銑床及其參數(shù) 圖 2 三軸銑床圖 本文運(yùn)用了有限元模型對設(shè)計(jì)的三軸銑床進(jìn)行了有限元分析用以研究其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，如圖 3所示。 計(jì)算結(jié)果表明 ,由于其自身重量撓度微不足道。當(dāng)把 10N的力加載到 Z方向的加工位置處時(shí)， 數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明 ,工作臺(tái)處位移改變量大約為 ,而背面的 Z方向偏差 小于 。它表明三軸銑床具有良好的剛度與其良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和一對支撐 X軸和 Y軸的 LM引導(dǎo)有關(guān)。 圖 3 10N力下的有限元模型及靜態(tài)分析 模型揭示了三軸銑床許多的動(dòng)態(tài)特性，我們運(yùn)用沖擊錘測試證實(shí)計(jì)算的固有頻率。測得的固有頻率并不與計(jì)算所得完全一致，但是指定的頻率范圍從沖擊錘測試的有限元模態(tài)分析來看是類似的。圖 4和表 1顯 示了測得的固有頻率和三軸銑床相應(yīng)的頻率響應(yīng)函數(shù)，可以看出而本以為因空氣軸承可能會(huì)有較低的剛度的 Z軸的固有頻率范圍為 250~390Hz。 XY軸的固有頻率大約為 400710 Hz，且其背部結(jié)構(gòu)大約為 440640 Hz。這表明所設(shè)計(jì)的微型三軸銑床擁有比傳統(tǒng)機(jī)床更高的固有頻率。 圖 4 沖擊錘測試下的頻率響應(yīng)函數(shù) 表 1 沖擊錘測試下的固有頻率 3 數(shù)控系統(tǒng) 圖形用戶界面程序 基于 PC的數(shù)控系統(tǒng)用于三軸銑床，該數(shù)控系統(tǒng)由兩部分組成， PC中的圖形用戶界面程序和 DSP中的 DSP程序。 PC 部分用 MSWindows 和用戶輸入。 DSP部分每秒接受成千上萬的時(shí)鐘脈沖，譯成實(shí)時(shí)指令用于機(jī)床的每個(gè)軸并執(zhí)行伺服控制循環(huán)。兩部分共享一個(gè)雙向 RAM，并通過它進(jìn)行信息傳遞。 圖 5為數(shù)控系統(tǒng)的圖形用戶界面及其簡要解釋。用戶界面程序的一個(gè)主要特點(diǎn)是在右下角有一個(gè)三維圖窗口，如圖 5所示。它顯示當(dāng)用戶界面程序讀取 G指令文件時(shí) G指令所描述的刀具路徑，當(dāng)前刀具位置也以小紅點(diǎn)的形式出現(xiàn)在屏幕上，所以數(shù)控用戶可以方便的判斷加工程序執(zhí)行到 G指令文件的哪個(gè)位置，用戶也可以使用線性輪廓功能 ,并將線段和弧的切線或近似切線合成為在每 個(gè)終點(diǎn)不間斷的單一平滑運(yùn)動(dòng)。成一個(gè)單一的平滑的運(yùn)動(dòng)不間斷地每一個(gè)終端?？刂瓶梢栽诔绦蜻\(yùn)行時(shí)手工開啟或關(guān)閉，或者可以運(yùn)用程序中 M21和 M22指令來控制開啟和關(guān)閉。目前，可供執(zhí)行的 G指令和 M指令有 G00（快速移動(dòng) ),G01(直線運(yùn)動(dòng) ),G02(順時(shí)針圓弧運(yùn)動(dòng)）、 G03（逆時(shí)針圓弧運(yùn)動(dòng)）、 G04（暫停）、 G17（選擇 x y平面 ),G18(選擇 ZX平面 ),G19(選擇 YZ平面）、 M21（輪廓開啟）、 M22（輪廓關(guān)閉）、 M30（程序結(jié)束和重置）。 圖 5 CNC系統(tǒng)的用戶界面 當(dāng)用戶點(diǎn)擊 G指令開啟 按鈕時(shí)，完整的 G指令文件讀取并保存在內(nèi)存區(qū)，然后 G指令出現(xiàn)在左下角列表框。當(dāng)點(diǎn)擊開啟 G指令按鈕時(shí)，用戶界面程序從內(nèi)存讀取一行，檢查語法，判斷所有有效的記號(hào)。在執(zhí)行 G指令行期間，用戶界面程序開始計(jì)算、平面運(yùn)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)軸、 允許的最大速度和加速度 ,起始位置的減速、方向余弦定理。如果 G指令行是關(guān)于圓弧運(yùn)動(dòng)的，用戶界面程序?qū)?huì)計(jì)算圓弧的中心、正方向、起止角。 所有的預(yù)程序信息輸入 DPRAM然后遞給了 DSP程序。 DPR