(數(shù)控加工)虛擬軸數(shù)控機(jī)

床的仿三軸控制

虛擬軸數(shù)控機(jī)床的仿三軸控制

前言

虛擬軸數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)被認(rèn)為是本世紀(jì)最具革命性的機(jī)床設(shè)計(jì)突破。

如果充分發(fā)揮這種新型機(jī)床在結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)，就有可能為大幅度地提

高機(jī)床的性能開辟壹條新途徑。

通過分析發(fā)現(xiàn)：對(duì)于壹般直接基于 Stewart 平臺(tái)原理的虛擬軸機(jī)床，

其旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的合理運(yùn)動(dòng)范圍比常規(guī)五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床要小得多(通常只

有 20～30 度，而五坐標(biāo)機(jī)床能夠達(dá)到 90 度之上) ，且且隨著旋轉(zhuǎn)角

的加大將大幅度地減少機(jī)床的有效工作空間。雖然復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠擴(kuò)大

轉(zhuǎn)角范圍，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以保證高剛度，因此，普通虛擬軸機(jī)床不

太適合加工大范圍、多坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的零件。但從另壹個(gè)角度見，在實(shí)際

生產(chǎn)中需要多坐標(biāo)加工的復(fù)雜零件畢竟是少數(shù)，而占主導(dǎo)地位的仍是

普通常規(guī)零件的加工。因此，研究如何利用虛擬軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，

在常規(guī)零件的高速、高效加工上發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，將更具有實(shí)際意義。

虛擬軸機(jī)床仿三軸控制方法的基本思想是，模仿現(xiàn)有的三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)

床的控制方法，對(duì)虛擬軸機(jī)床的六自由度運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，從外特性上

見，使得虛擬軸機(jī)床和常規(guī)三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床等效。這樣，不僅現(xiàn)有各

種成熟的三坐標(biāo)自動(dòng)編程系統(tǒng)可直接用于六自由度的虛擬軸機(jī)床，而

且通過仿三軸控制可使主軸單元僅進(jìn)行平移運(yùn)動(dòng)，大幅度擴(kuò)大了虛擬

軸機(jī)床的工作空間，使其發(fā)揮更大的作用。此外，通過仿三軸控制，

仍可有效地減少控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，從而顯著降低機(jī)床的成本，有利

于這種新型機(jī)床在較大范圍內(nèi)推廣應(yīng)用。

2 虛擬軸機(jī)床進(jìn)行常規(guī)加工的優(yōu)勢(shì)

為虛擬軸機(jī)床的壹種典型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可歸結(jié)為壹種所謂的 “六桿平

臺(tái)結(jié)構(gòu)”。其具體含義是，將六根可變長(zhǎng)度驅(qū)動(dòng)桿(簡(jiǎn)稱驅(qū)動(dòng)桿)的壹

端固定于靜平臺(tái)(如地基或機(jī)床框架)上，驅(qū)動(dòng)桿的另壹端和動(dòng)平臺(tái)聯(lián)

接，即和主軸單元相聯(lián)接。這樣，調(diào)節(jié)六驅(qū)動(dòng)桿的長(zhǎng)度，可使主軸和

刀具相對(duì)于工件作所要求的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。通過控制系統(tǒng)對(duì)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)進(jìn)行

精確控制，即可加工出符合要求的工件。

圖 1 虛擬軸機(jī)床的基本結(jié)構(gòu)

鑒于虛擬軸機(jī)床具有常規(guī)數(shù)控機(jī)床無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，而這些優(yōu)點(diǎn)正是

實(shí)現(xiàn)高速、高精度加工所必需的，因此將其作為常規(guī)零件的高效加工

設(shè)備，以最大限度地發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。

3 仿三軸控制的基本原理

由于虛擬軸機(jī)床中不存在沿固定方向?qū)虻膶?dǎo)軌，數(shù)控加工所需的刀

具運(yùn)動(dòng)軸 X 、Y 、Z 等且不真正存在，因此，即使僅需獲得三維刀具運(yùn)

動(dòng)(姿態(tài)恒定僅位置變化) ，也必需對(duì)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行六自由度控制。

仿三軸控制方法是根據(jù)虛擬軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所提出的模擬常規(guī)三

坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床的壹種控制方法。其出發(fā)點(diǎn)是：用虛擬軸機(jī)床加工常規(guī)

零件時(shí)，裝于主軸中的刀具僅需作三維平移運(yùn)動(dòng)，其姿態(tài)為固定值。

這樣，雖然和動(dòng)平臺(tái)固聯(lián)的主軸單元有六個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，但涉及實(shí)時(shí)

計(jì)算的僅為三個(gè)平移自由度。為此本文用刀具球心或端面中心在機(jī)床

坐標(biāo)系中的坐標(biāo)Xm 、Ym 、Zm 表示刀具位置，且通過三坐標(biāo)插補(bǔ)算法

實(shí)時(shí)計(jì)算其位移量。同時(shí)，建立壹原點(diǎn)位于刀具球心或端面中心的刀

具坐標(biāo)系，其坐標(biāo)軸 Xt 、Yt 、Zt 分別和機(jī)床坐標(biāo)系的 Xm 、Ym 、Zm 軸

平行。用刀具坐標(biāo)系框架繞 Xm 、Ym 、Zm 軸的旋轉(zhuǎn)角表示動(dòng)平臺(tái)的姿

態(tài)，且將其設(shè)置為定值。這樣，對(duì)動(dòng)平臺(tái)沿Xm 、Ym 、Zm 這三個(gè)坐標(biāo)

的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算和實(shí)時(shí)控制，對(duì)動(dòng)平臺(tái)繞Xm 、Ym 、Zm 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)

進(jìn)行定值實(shí)時(shí)控制，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)平臺(tái)的全自由度控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)

刀具運(yùn)動(dòng)的三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)控制。因?yàn)檫@壹方法不需要對(duì)動(dòng)平臺(tái)姿態(tài)進(jìn)行

實(shí)時(shí)計(jì)算，這樣，不僅能夠有效減少虛實(shí)映射和聯(lián)動(dòng)控制的計(jì)算量，

仍能將六自由度的虛擬軸機(jī)床的控制納入常規(guī)三坐標(biāo)數(shù) S 控機(jī)床控制

的范疇，借助于成熟的三坐標(biāo)控制方法來對(duì)這種新型機(jī)床進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控

制。

由虛擬軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)可知，由于該機(jī)床中直接可控的被控量為支撐主

軸部件的六驅(qū)動(dòng)桿的長(zhǎng)度Li(i=1,2,… ，6) ，即該機(jī)床的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軸(簡(jiǎn)

稱實(shí)軸) ，因此要對(duì)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行全自由度控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)刀

具運(yùn)動(dòng)軌跡的精確控制，需將動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)指令(虛軸指令)轉(zhuǎn)換到實(shí)軸

空間中去執(zhí)行，且通過實(shí)軸空間到虛軸空間的自動(dòng)逆映射來實(shí)現(xiàn)。由

此可構(gòu)成仿三軸控制方法的實(shí)現(xiàn)方案，如圖 2 所示。

圖2 仿三軸控制方法原理框圖

該系統(tǒng)的運(yùn)行過程是：首先，根據(jù)零件數(shù)控程序給出的輸入信息實(shí)時(shí)

生成刀具運(yùn)動(dòng)軌跡，即求解出虛軸空間中刀具沿 Xm 、Ym 、Zm 坐標(biāo)的

希望運(yùn)動(dòng)量；然后，通過虛實(shí)映射計(jì)算，將虛擬軸的希望運(yùn)動(dòng)量轉(zhuǎn)換

為六驅(qū)動(dòng)桿的運(yùn)動(dòng)指令值；最后，對(duì)各驅(qū)動(dòng)桿的長(zhǎng)度進(jìn)行解耦隨動(dòng)控

制，使其實(shí)際長(zhǎng)度和希

總結(jié)

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