(數控加工)虛擬軸數控機

床的仿三軸控制

虛擬軸數控機床的仿三軸控制

前言

虛擬軸數控機床的出現被認為是本世紀最具革命性的機床設計突破。

如果充分發揮這種新型機床在結構上的優勢，就有可能為大幅度地提

高機床的性能開辟壹條新途徑。

通過分析發現：對于壹般直接基于 Stewart 平臺原理的虛擬軸機床，

其旋轉坐標的合理運動范圍比常規五坐標數控機床要小得多(通常只

有 20～30 度，而五坐標機床能夠達到 90 度之上) ，且且隨著旋轉角

的加大將大幅度地減少機床的有效工作空間。雖然復合結構能夠擴大

轉角范圍，但結構復雜，難以保證高剛度，因此，普通虛擬軸機床不

太適合加工大范圍、多坐標運動的零件。但從另壹個角度見，在實際

生產中需要多坐標加工的復雜零件畢竟是少數，而占主導地位的仍是

普通常規零件的加工。因此，研究如何利用虛擬軸機床的結構特點，

在常規零件的高速、高效加工上發揮其優勢，將更具有實際意義。

虛擬軸機床仿三軸控制方法的基本思想是，模仿現有的三坐標數控機

床的控制方法，對虛擬軸機床的六自由度運動進行控制，從外特性上

見，使得虛擬軸機床和常規三坐標數控機床等效。這樣，不僅現有各

種成熟的三坐標自動編程系統可直接用于六自由度的虛擬軸機床，而

且通過仿三軸控制可使主軸單元僅進行平移運動，大幅度擴大了虛擬

軸機床的工作空間，使其發揮更大的作用。此外，通過仿三軸控制，

仍可有效地減少控制系統的復雜性，從而顯著降低機床的成本，有利

于這種新型機床在較大范圍內推廣應用。

2 虛擬軸機床進行常規加工的優勢

為虛擬軸機床的壹種典型結構，該結構可歸結為壹種所謂的 “六桿平

臺結構”。其具體含義是，將六根可變長度驅動桿(簡稱驅動桿)的壹

端固定于靜平臺(如地基或機床框架)上，驅動桿的另壹端和動平臺聯

接，即和主軸單元相聯接。這樣，調節六驅動桿的長度，可使主軸和

刀具相對于工件作所要求的進給運動。通過控制系統對進給運動進行

精確控制，即可加工出符合要求的工件。

圖 1 虛擬軸機床的基本結構

鑒于虛擬軸機床具有常規數控機床無可比擬的優點，而這些優點正是

實現高速、高精度加工所必需的，因此將其作為常規零件的高效加工

設備，以最大限度地發揮其優勢。

3 仿三軸控制的基本原理

由于虛擬軸機床中不存在沿固定方向導向的導軌，數控加工所需的刀

具運動軸 X 、Y 、Z 等且不真正存在，因此，即使僅需獲得三維刀具運

動(姿態恒定僅位置變化) ，也必需對動平臺進行六自由度控制。

仿三軸控制方法是根據虛擬軸機床的結構特點所提出的模擬常規三

坐標數控機床的壹種控制方法。其出發點是：用虛擬軸機床加工常規

零件時，裝于主軸中的刀具僅需作三維平移運動，其姿態為固定值。

這樣，雖然和動平臺固聯的主軸單元有六個運動自由度，但涉及實時

計算的僅為三個平移自由度。為此本文用刀具球心或端面中心在機床

坐標系中的坐標Xm 、Ym 、Zm 表示刀具位置，且通過三坐標插補算法

實時計算其位移量。同時，建立壹原點位于刀具球心或端面中心的刀

具坐標系，其坐標軸 Xt 、Yt 、Zt 分別和機床坐標系的 Xm 、Ym 、Zm 軸

平行。用刀具坐標系框架繞 Xm 、Ym 、Zm 軸的旋轉角表示動平臺的姿

態，且將其設置為定值。這樣，對動平臺沿Xm 、Ym 、Zm 這三個坐標

的運動進行實時計算和實時控制，對動平臺繞Xm 、Ym 、Zm 軸的轉動

進行定值實時控制，即可實現對動平臺的全自由度控制，進而實現對

刀具運動的三坐標聯動控制。因為這壹方法不需要對動平臺姿態進行

實時計算，這樣，不僅能夠有效減少虛實映射和聯動控制的計算量，

仍能將六自由度的虛擬軸機床的控制納入常規三坐標數 S 控機床控制

的范疇，借助于成熟的三坐標控制方法來對這種新型機床進行聯動控

制。

由虛擬軸機床的結構可知，由于該機床中直接可控的被控量為支撐主

軸部件的六驅動桿的長度Li(i=1,2,… ，6) ，即該機床的實際運動軸(簡

稱實軸) ，因此要對動平臺的運動進行全自由度控制，進而實現對刀

具運動軌跡的精確控制，需將動平臺運動指令(虛軸指令)轉換到實軸

空間中去執行，且通過實軸空間到虛軸空間的自動逆映射來實現。由

此可構成仿三軸控制方法的實現方案，如圖 2 所示。

圖2 仿三軸控制方法原理框圖

該系統的運行過程是：首先，根據零件數控程序給出的輸入信息實時

生成刀具運動軌跡，即求解出虛軸空間中刀具沿 Xm 、Ym 、Zm 坐標的

希望運動量；然后，通過虛實映射計算，將虛擬軸的希望運動量轉換

為六驅動桿的運動指令值；最后，對各驅動桿的長度進行解耦隨動控

制，使其實際長度和希

總結

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