多軸聯(lián)動是數(shù)控機床與普通機床的本質(zhì)區(qū)別。在多軸聯(lián)動高速加工過程中，各進(jìn)給軸絕大多數(shù)時間處在頻繁加減速運動狀態(tài)下，勻速運動所占比例很小，而且各軸之間的運動狀態(tài)和運動性能又各不相同，這就導(dǎo)致對多軸聯(lián)動過程的目標(biāo)軌跡控制變得困難。因此，在高速高加速運動下實現(xiàn)聯(lián)動控制是數(shù)控機床面臨的主要挑戰(zhàn)，下面主要從機械系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)3個方面闡述其聯(lián)動控制的核心技術(shù)問題。
機械系統(tǒng)是聯(lián)動控制的對象，作為機床傳動、支撐和導(dǎo)向的主體，在結(jié)構(gòu)上主要有單直線軸、轉(zhuǎn)擺臺、轉(zhuǎn)擺頭、結(jié)構(gòu)禍合多直線軸等多種形式，組成上主要包括基礎(chǔ)大件、移動部件和各類動靜結(jié)合部，其系統(tǒng)動態(tài)特性取決于各種組成零部件動態(tài)特性及各類動靜結(jié)合部的物理特性，而其特性好壞又直接決定了伺服進(jìn)給系統(tǒng)的控制性能。在高速高加速條件下，機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的分布位置變化、移動部件的速度和加速度變化和所受負(fù)載的變化，都會造成機械系統(tǒng)動態(tài)特性較準(zhǔn)靜態(tài)發(fā)生改變。
因此，機械環(huán)節(jié)面臨的核心問題是要分析系統(tǒng)零部件和動靜結(jié)合部在不同位移/姿態(tài)和運動狀態(tài)(速度、加速度)下所受到的移動部件重力、加工切削力、預(yù)緊力、摩擦力和慣性力等多源力以及其物理行為特性，實現(xiàn)系統(tǒng)全工作狀態(tài)下的動力學(xué)性能定量計算與分析，進(jìn)而對機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式、零部件布局和尺寸參數(shù)以及裝配過程參數(shù)等進(jìn)行主動設(shè)計。
伺服驅(qū)動系統(tǒng)是進(jìn)給系統(tǒng)的能量輸入環(huán)節(jié)，是實現(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)運動的動力源。由于電機結(jié)構(gòu)非線性和驅(qū)動電路非線性，直線電機及旋轉(zhuǎn)伺服電機輸出的力矩并不是名義指令力矩，而是存在多階干擾諧波成分。在高速高加速場合，進(jìn)給軸處于不斷加減速或頻繁換向狀態(tài)，此時伺服進(jìn)給系統(tǒng)的跟隨誤差受到數(shù)控指令頻寬、伺服系統(tǒng)帶寬以及伺服參數(shù)的共同影響，僅靠調(diào)整伺服參數(shù)無法減小跟隨誤差和其運動性能。此外，在多軸聯(lián)動加工場合，由于各軸的伺服特性、機械特性各不相同，數(shù)控系統(tǒng)分配給各軸的指令也不相同，導(dǎo)致各軸跟隨誤差不協(xié)調(diào)，造成聯(lián)動精度下降。因此，伺服驅(qū)動系統(tǒng)面臨的核心問題是研究電機結(jié)構(gòu)非線性(磁鏈諧波、三相繞組不對稱、繞組匝間短路故障、齒槽效應(yīng)及直線電機特有的端部效應(yīng)等)和驅(qū)動電路存在非線性(三相驅(qū)動電壓不對稱、寄生電容、死區(qū)效應(yīng)以及電流傳感器反饋誤差等)因素對電機力/力矩特J睦的影響機制，提出基于諧波特征的補償策略，實現(xiàn)中間解禍，并根據(jù)位移波動的允差設(shè)計出控制策略。另外，需研究加減速段伺服進(jìn)給系統(tǒng)跟隨誤差的形成機制，提出相應(yīng)的伺服控制方法，提高單軸控制精度和多軸聯(lián)動精度。
數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機床的控制核心，是實現(xiàn)前瞻、加減速和插補、規(guī)劃進(jìn)給速度以及輸出控制指令。傳統(tǒng)插補器是基于恒進(jìn)給速度設(shè)計，加速度不連續(xù)，易對伺服進(jìn)給系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊，引起系統(tǒng)振動。為了生成平滑的指令速度和加速度，以樣條插補技術(shù)和小線段連續(xù)插補技術(shù)為代表的加速度連續(xù)或限制插補技術(shù)了發(fā)展和應(yīng)用。但是，這些方法沒有考慮到伺服進(jìn)給系統(tǒng)的特性和機械慣性作用，在高速高精場合下，伺服系統(tǒng)和機械系統(tǒng)無法準(zhǔn)確及時復(fù)現(xiàn)指令輸入。因此，數(shù)控技術(shù)的核心問題是考慮伺服驅(qū)動、進(jìn)給系統(tǒng)機械特性的速度規(guī)劃和聯(lián)動控制策略，此外還需考慮結(jié)構(gòu)禍合對各軸運動的影響，通過分析加速度、慣性力與目標(biāo)點軌跡偏差之間的關(guān)系，將加速度作為優(yōu)化目標(biāo)，提出的速度規(guī)劃方法。
