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虛擬軸數控機床的仿三軸操控辦法（一）
來源:軸承網 時間:2013-06-07
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描繪打破.若是充分發揚這種新式機床 在布局上的優勢；就有可能為大幅度地進步機床的功能拓荒一條新途徑.
通過剖析發現：關于一般直接依據Stewart渠道原理的虛擬軸機床；其旋轉坐標的合理運動規模比慣例五坐標數控機床要小得多(一般只要20～30度；而五坐標機床能夠抵達90度以上)；并且跟著旋轉角的加大將大幅度地削減機床的有用作業空間.盡管復合布局能夠擴展轉角規模；但布局雜亂；難以確保高剛度；因而；一般虛擬軸機床不太合適加工大規模、多坐標運動的零件.但從另一個視點看；在實踐生產中需求多坐標加工的雜亂零件畢竟是少量；而占主導位置的仍是一般慣例零件的加工.因而；研討怎么使用虛擬軸機床的布局特色；在慣例零件的高速、高效加工上發揚其優勢；將更具有實踐意義.
虛擬軸機床仿三軸操控辦法的基本思想是；仿照現有的三坐標數控機床的操控辦法；對虛擬軸機床的六自由度運動進行操控；從外特性上看；使得虛擬軸機床和慣例三坐標數控機床等效.這樣；不只現有各種老練的三坐標主動編程體系可直接用于六自由度的虛擬軸機床；并且通過仿三軸操控可使主軸單元僅進行平移運動；大幅度擴展了虛擬軸機床的作業空間；使其發揚更大的效果.此外；通過仿三軸操控；還可有用地削減操控體系的雜亂性；然后明顯下降機床的本錢；有利于這種新式機床在較大規模內推廣應用.
2 虛擬軸機床進行慣例加工的優勢
虛擬軸機床的一種典型布局；該布局可歸結為一種所謂的“六桿渠道布局”.其詳細意義是；將六根可變長度驅動桿(簡稱驅動桿)的一端固定于靜渠道(如地基或機床布局)上；驅動桿的另一端與動渠道聯接；即與主軸單元相聯接.這樣；調理六驅動桿的長度；可使主軸和刀具相關于工件作所需求的進給運動.通過操控體系對進給運動進行精確操控；即可加工出契合需求的工件.
鑒于虛擬軸機床具有慣例數控機床無與倫比的長處；而這些長處正是完結高速、高精度加工所必需的；因而將其作為慣例零件的高效加工設備；以最大極限地發揚其優勢.
3 仿三軸操控的基本原理
因為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等并不真實存在；因而；即便僅需取得三維刀具運動(姿勢穩定僅方位改變)；也必需對動渠道進行六自由度操控.
仿三軸操控辦法是依據虛擬軸機床的布局特色所提出的模仿慣例三坐標數控機床的一種操控辦法.其起點是：用虛擬軸機床加工慣例零件時；裝于主軸中的刀具僅需作三維平移運動；其姿勢為固定值.這樣；盡管與動渠道固聯的主軸單元有六個運動自由度；但觸及實時核算的僅為三個平移自由度.為此本文用刀具球心或端面中間在機床坐標系中的坐標Xm、Ym、Zm表明刀具方位；并通過三坐標插補算法實時核算其位移量.一起；樹立一原點坐落刀具球心或端面中間的刀具坐標系；其坐標軸Xt、Yt、Zt別離與機床坐標系的Xm、Ym、Zm軸平行.用刀具坐標系布局繞Xm、Ym、Zm軸的旋轉角表明動渠道的姿勢；并將其設置為定值.這樣；對動渠道沿Xm、Ym、Zm這三個坐標的運動進行實時核算和實時操控；對動渠道繞Xm、Ym、Zm軸的轉變進行定值實時操控；即可完結對動渠道的全自由度操控；進而完結對刀具運動的三坐標聯動操控.因為這一辦法不需求對動渠道姿勢進行實時核算；這樣；不只能夠有用削減真假映射和聯動操控的核算量；還能將六自由度的虛擬軸機床的操控歸入慣例三坐標數S控機床操控的領域；借助于老練的三坐標操控辦法來對這種新式機床進行聯動操控.
由虛擬軸機床的布局可知；因為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)；即該機床的實踐運動軸(簡稱實軸)；因而要對動渠道的運動進行全自由度操控；進而完結對刀具運動軌道的精確操控；需將動渠道運動指令(虛軸指令)轉換到實軸空間中去履行；并通過實軸空間到虛軸空間的主動逆映射來完結.
該體系的運轉進程是：首要；依據零件數控程序給出的輸入信息實時生成刀具運動軌道；即求解出虛軸空間中刀具沿Xm、Ym、Zm坐標的期望運動量，然后；通過真假映射核算；將虛擬軸的期望運動量轉換為六驅動桿的運動指令值，最終；對各驅動桿的長度進行解耦隨動操控；使其實踐長度與期望長度共同；并通過機床布局隱含完結實到虛的逆映射；即可得到契合指令需求的刀具運動軌道；并確保刀具姿勢為給定的常值.
4 虛軸空間刀具運動軌道生成
刀具運動軌道生成的使命是：將零件數控程序給出的刀具途徑(虛軸空間中與時刻和機床特性無關的幾許曲線)轉換為與時刻和機床特性(如加減速特性等)相聯系的離散化的刀具運動軌道.其求解進程如下：
數學模型的樹立
為確保軌道生成的精度；在仿三軸操控中選用參數化直接插補算法.其關鍵是：為被插補曲線樹立便于核算的參數化數學模型：
x=f1(u)
y=f2(u)
z=f3(u) (1)
式中 u 參變量；u∈[0,1] 需求用其進行實時軌道核算時不觸及函數核算；只需通過次數很少的加減乘除運算即可完結.
例如；關于圓弧插補；式(1)的詳細辦法為： (2) 式中 M 常數矩陣；當插補點坐落一～四象限時；其取值別離為：r 圓弧半徑這樣；軌道核算能夠肯定辦法進行；即每一軌道點坐標的核算都以模型坐標原點為基準進行；然后可消除堆集差錯；有用地確保插補核算的速度和精度.
加減速操控
為使所生成的刀具運動軌道滿意機床加減速特性需求；可依據機床的動態特性等斷定最佳的加減速曲線；并將其存儲于操控體系中.體系運轉進程中；首要掃描前后若干程序段；剖析進給速度的改變趨勢；斷定期望的進給速度F，然后讀取操作面板上的進給速度倍率K；并用其對F進行批改；得方針進給速度Fnew；Fnew=K。F，進一步；將Fnew與現時進給速度Fold進行比擬；并依據機床的加減速特性曲線核算出當時采樣周期的瞬時進給速度Fk(mm/min).
速度與差錯操控
因為插補核算不是一種靜態的幾許核算；它有必要使當時插補點與前一插補點間的間隔滿意進給速度及加減速等需求；一起還要確保這兩點間的插補直線段與被插補曲線間的差錯在給定的允差規模內.為此；需以瞬時進給速度為操控方針；以答應差錯為束縛條件對插補直線段長度Dtk進行操控.
其辦法如下：
首要；按加減速核算給出的瞬時進給速度Fk；用下式核算當時采樣周期中的期望弦長(無束縛時的插補直線段長度)： (3) 式中 Dt1 期望弦長；mm T 采樣周期；ms 然后；依據采樣插補的差錯聯系核算束縛弦長： (4) 式中
e 插補軌道與期望軌道間的答應差錯
r 插補點處期望軌道的曲率半徑
最終；依據Dt1、Dt2的相對巨細斷定Dtk的取值.即；若是期望弦長Dt1小于束縛弦長Dt2；則令當時插補直線段長度Dtk＝Dt1；否則取Dtk=Dt2.
插補軌道核算
插補軌道核算的使命是：在每一采樣周期中；依據以上求得的插補直線段長度Dtk；實時核算插補軌道上當時點的坐標值.其核算進程如下：
首要；依據參變量增量Du與Dt間的如下聯系求出當時插補周期的Du： (5) 式中 du/ds 參變量對曲線弧長的改變率
因插補頻率較高；一個采樣周期中弧長與弦長十分挨近；所以實踐核算時可令du/ds≈Du/Dt.這樣將u取一增量Du；求出對應的Dt；即可求得所需的du/ds.
盡管這一近似表明會對進給速度有細小影響；但不會對插補軌道精度發生任何影響.在采樣插補中；軌道精度是主要矛盾；插補點的坐標核算有必要肯定精確；而插補點沿軌道運動速度的精確性則處于非必須位置；能夠答應有細小差錯.這樣得到的成果既確保了軌道精度；又進步了核算速度.
然后；核算當時采樣周期參變量的取值： uk=uk-1+Du (6) 最終；將uk代入式(1)；即可核算出插補軌道上當時點的坐標值xk；yk；zk.不斷重復以上進程直至抵達插補結尾；即可得到整個離散化的插補軌道.
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