Model predictive force control in five-axis positional milling using a table dynamometer

Patrick Ochudlo

doi:10.1007/s10845-026-02875-7

2026-05-22

DOI：10.1007/s10845-026-02875-7

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铣削是一种具有间歇性刀具-工件接触特征的高度灵活且高效的加工过程。为进一步提高生产率，已提出多种力控制策略以在任意接触条件下维持铣削刀具上的恒定负载。一个例子是模型预测力控制（MPFC），由于其无需校准实验即可实现高性能控制，因此对铣削具有吸引力。然而，目前它仅限于三轴铣削。如叶片盘（Blisk）等复杂零件的加工过程需要额外的自由度，即多轴同步铣削。多轴铣削带来了传感挑战：工作台旋转干扰了传统工作台测力计的力测量。在本研究中，我们提出了一种适用于五轴定位铣削（又称3+2轴铣削）的MPFC，作为向五轴同步铣削过渡的中间步骤。我们使用倒置测量模型补偿旋转干扰，并引入了一种新颖的方法，用于识别五轴定位铣削中刀具路径上每个位置的最大接触角位置。通过对位置相关参考值的生成进行改进以及仔细调整参数，使控制方案能够在不超出计算时间的前提下优化进给速度。所提出的最大接触角近似方法适用于三轴和五轴定位铣削。在五轴定位铣削中，它将平均绝对力误差从采用现有近似方法获得的42.6 N降低至1.2 N。在实验加工过程中，MPFC相较于制造商推荐的进给速度，将加工时间缩短了67%，且未显著增加最大刀具负载，并实现了仅10.3 N的中值绝对力跟踪偏差。总体而言，这些结果表明，MPFC可从三轴迁移至五轴定位铣削，同时保持高性能控制，代表向五轴同步铣削应用过渡的中间步骤。

Keyword:

Five-axis positional milling

Model predictive control

Table dynamometer

Force control

Engagement conditions