整体叶盘高效强力复合铣A轴高精度控制技术研究

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJul．252013V01．34No．71706-1715ISSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．on整体叶盘高效强力复合铣A轴高精度控制技术研究赵鹏兵，史耀耀*，宁立群西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室，陕西西安710072摘要：A轴单元作为五轴数控机床的关键功能部件，其控制精度直接影响整体叶盘的加工精度和表面质量。针对摩擦、齿隙、参数摄动和测量噪声等非线性干扰对A轴伺服系统控制精度的影响，

2、提出了基于线性二次型最优控制(LQC)和滑模控制(SMC)相结合的鲁棒控制算法(LQSMC)。该方法以系统状态空间表达式及LQC为基础，通过引入基于卡尔曼滤波器和控制输入的状态估计，对系统状态空间模型进行改进并定义新的滑模面方程，使得改进后的控制算法在性能上接近LQC并能有效抑制SMC的抖振。仿真分析和实验结果表明，LQSMC算法具有控制精度高、鲁棒性强和抑制干扰能力强等优点，其能有效提高A轴伺服系统的定位精度和跟踪精度，使整体叶盘型面加工精度和表面一致性得到保证，并显著降低了表面粗糙度。关键词：A轴；高精度控制；非线性干扰；线性二次型最优控制；滑模控制；卡尔曼滤

3、波中图分类号：V261．2文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)07—1706—10整体叶盘是航空航天工业特别关键和重要的零件，其叶片型面向扭角增大、弦宽增加、叶身减薄等趋势发展[1]，叶片轮廓精度向20～30p．m水平发展，叶片表面粗糙度已经达到0．4～o．6弘m，材料加工难度也在不断提高。目前，国内在整体叶盘制造工艺与装备方面，普遍采用进口通用五坐标机床，而国产五坐标机床很难满足该类零件的高效精密制造要求。另外，国外的整体叶盘制造现已基本形成集粗加工、精加工、自动化抛光、自动化检测和自动化上料于一体的全数字化集成制造单元，实现了整体叶盘的高效率

4、、高质量及低成本制造，尤其在精加工单元，研制了较为成熟的数控装备，建立了完整的工艺参数库心]。为此，自主研发适用于整体叶盘制造的高效强力复合铣数控装备，对于支撑该类零件的高精加工及降低制造成本具有重要意义。叶片轮廓与表面加工精度的提高对整体叶盘高效强力复合铣数控伺服系统的性能要求也随之提高，A轴单元作为该五轴联动数控机床的关键功能部件，其定位精度直接影响整体叶盘的加工精度和表面质量。A轴单元的研究主要以提高运动精度和传动刚度为目标，对影响运动精度的诸多因素如非线性摩擦、传动间隙、参数摄动、测量噪声等进行相应的补偿。对存在非线性干扰和模型不确定性时伺服系统的高精度运

5、动控制，众多学者作了大量研究。文献[3]提出了一种鲁棒摩擦补偿控制策略。为了对摩擦状态进行估计并使系统对参数不确定性具有较强的鲁棒性，设计了基于递归模糊神经网络，重建误差补偿器及鲁棒摩擦状态观测器的反演控制律，并通过李雅普收稿日期：2012．08．们；退修日期：2012—09—07；录用日期：2012—11·20；网络出版时间：2012-11—2709：35网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．201211270935．002．html基金项目：国家科技重大专项(2013ZX04001081)*通讯作者．Tel：029

6、—88492851E-mail：shiyy@nwpu．edu．cn引用格武IZhaoPB．ShiYY，NingLQTechnologyresearchonhigh-precisioncontrolofA-axisinefficientandpowerfulmillingmachineforbliskmanufacturing．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2013，34(7)：1706—1715赵鹦兵t史耀耀，宁立群整体叶盘高效强力复合铣A轴高精度控翩技术研究．航空学报，2013，34(7)：1706-1715．赵鹏兵等：

7、整体叶盘高效强力复合铣A轴高精度控制技术研究诺夫稳定性理论证明了该控制器的渐进稳定性。文献E43提出了一种基于动态模糊控制的在线辨识与间接自适应控制算法，通过自适应调节控制输入来补偿摩擦和齿隙非线性，并通过调整模糊控制参数来保证系统的稳定性。文献E53提出了一种自适应动态面控制与滑模控制相结合的控制策略来实现大行程工作台的高精度定位控制，通过设计递归小波神经网络控制律和摩擦状态估计器来逼近和补偿系统中的齿隙和摩擦非线性，并通过李雅普诺夫稳定性分析保证了闭环系统的有界性和收敛性。文献[6]提出了一种基于干扰观测器，自适应反演控制与滑模控制相结合的鲁棒自适应控制器。干

8、扰观测器用