1 前言
虛擬軸數(shù)控機床的出現(xiàn)被認(rèn)為是本世紀(jì)最具革命性的機床設(shè)計突破。如果充分發(fā)揮這種新型機床 在結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢，就有可能為大幅度地提高機床的性能開辟一條新途徑。
通過分析發(fā)現(xiàn)：對于一般直接基于Stewart平臺原理的虛擬軸機床，其旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的合理運動范圍比常規(guī)五坐標(biāo)數(shù)控機床要小得多(通常只有20～30度，而五坐標(biāo)機床可以達(dá)到90度以上)，并且隨著旋轉(zhuǎn)角的加大將大幅度地減少機床的有效工作空間。雖然復(fù)合結(jié)構(gòu)可以擴大轉(zhuǎn)角范圍，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以保證高剛度，因此，普通虛擬軸機床不太適合加工大范圍、多坐標(biāo)運動的零件。但從另一個角度看，在實際生產(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)地位的還是普通常規(guī)零件的加工。因此，研究如何利用虛擬軸機床的結(jié)構(gòu)特點，在常規(guī)零件的高速、高效加工上發(fā)揮其優(yōu)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(xiàn)有的三坐標(biāo)數(shù)控機床的控制方法，對虛擬軸機床的六自由度運動進(jìn)行控制，從外特性上看，使得虛擬軸機床和常規(guī)三坐標(biāo)數(shù)控機床等效。這樣，不僅現(xiàn)有各種成熟的三坐標(biāo)自動編程系統(tǒng)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(jìn)行平移運動，大幅度擴大了虛擬軸機床的工作空間，使其發(fā)揮更大的作用。此外，通過仿三軸控制，還可有效地減少控制系統(tǒng)的復(fù)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(nèi)推廣應(yīng)用。
2 虛擬軸機床進(jìn)行常規(guī)加工的優(yōu)勢
虛擬軸機床的一種典型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可歸結(jié)為一種所謂的“六桿平臺結(jié)構(gòu)”。其具體含義是，將六根可變長度驅(qū)動桿(簡稱驅(qū)動桿)的一端固定于靜平臺(如地基或機床框架)上，驅(qū)動桿的另一端與動平臺聯(lián)接，即與主軸單元相聯(lián)接。這樣，調(diào)節(jié)六驅(qū)動桿的長度，可使主軸和刀具相對于工件作所要求的進(jìn)給運動。通過控制系統(tǒng)對進(jìn)給運動進(jìn)行精確控制，即可加工出符合要求的工件。
鑒于虛擬軸機床具有常規(guī)數(shù)控機床無可比擬的優(yōu)點，而這些優(yōu)點正是實現(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。
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?qū)虻膶?dǎo)軌，數(shù)控加工所需的刀具運動軸X、Y、Z等并不真正存在，因此，即使僅需獲得三維刀具運動(姿態(tài)恒定僅位置變化)，也必需對動平臺進(jìn)行六自由度控制。
仿三軸控制方法是根據(jù)虛擬軸機床的結(jié)構(gòu)特點所提出的模擬常規(guī)三坐標(biāo)數(shù)控機床的一種控制方法。其出發(fā)點是：用虛擬軸機床加工常規(guī)零件時，裝于主軸中的刀具僅需作三維平移運動，其姿態(tài)為固定值。這樣，雖然與動平臺固聯(lián)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(biāo)系中的坐標(biāo)Xm、Ym、Zm表示刀具位置，并通過三坐標(biāo)插補算法實時計算其位移量。同時，建立一原點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分別與機床坐標(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)角表示動平臺的姿態(tài)，并將其設(shè)置為定值。這樣，對動平臺沿Xm、Ym、Zm這三個坐標(biāo)的運動進(jìn)行實時計算和實時控制，對動平臺繞Xm、Ym、Zm軸的轉(zhuǎn)動進(jìn)行定值實時控制，即可實現(xiàn)對動平臺的全自由度控制，進(jìn)而實現(xiàn)對刀具運動的三坐標(biāo)聯(lián)動控制。因為這一方法不需要對動平臺姿態(tài)進(jìn)行實時計算，這樣，不僅可以有效減少虛實映射和聯(lián)動控制的計算量，還能將六自由度的虛擬軸機床的控制納入常規(guī)三坐標(biāo)數(shù)S控機床控制的范疇，借助于成熟的三坐標(biāo)控制方法來對這種新型機床進(jìn)行聯(lián)動控制。
由虛擬軸機床的結(jié)構(gòu)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(qū)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(jìn)行全自由度控制，進(jìn)而實現(xiàn)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(zhuǎn)換到實軸空間中去執(zhí)行，并通過實軸空間到虛軸空間的自動逆映射來實現(xiàn)。
該系統(tǒng)的運行過程是：首先，根據(jù)零件數(shù)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(biāo)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(zhuǎn)換為六驅(qū)動桿的運動指令值；最后，對各驅(qū)動桿的長度進(jìn)行解耦隨動控制，使其實際長度與希望長度一致，并通過機床結(jié)構(gòu)隱含實現(xiàn)實到虛的逆映射，即可得到符合指令要求的刀具運動軌跡，并保證刀具姿態(tài)為給定的常值。
4 虛軸空間刀具運動軌跡生成
刀具運動軌跡生成的任務(wù)是：將零件數(shù)控程序給出的刀具路徑(虛軸空間中與時間和機床特性無關(guān)的幾何曲線)轉(zhuǎn)換為與時間和機床特性(如加減速特性等)相聯(lián)系的離散化的刀具運動軌跡。其求解過程如下：
數(shù)學(xué)模型的建立
為保證軌跡生成的精度，在仿三軸控制中采用參數(shù)化直接插補算法。其要點是：為被插補曲線建立便于計算的參數(shù)化數(shù)學(xué)模型：
x=f1(u)
y=f2(u)
z=f3(u) (1)
式中 u——參變量，u∈[0,1] 要求用其進(jìn)行實時軌跡計算時不涉及函數(shù)計算，只需經(jīng)過次數(shù)很少的加減乘除運算即可完成。
例如，對于圓弧插補，式(1)的具體形式為： (2) 式中 M——常數(shù)矩陣，當(dāng)插補點位于一～四象限時，其取值分別為：r——圓弧半徑這樣，軌跡計算可以絕對方式進(jìn)行，即每一軌跡點坐標(biāo)的計算都以模型坐標(biāo)原點為基準(zhǔn)進(jìn)行，從而可消除積累誤差，有效地保證插補計算的速度和精度。
加減速控制
為使所生成的刀具運動軌跡滿足機床加減速特性要求，可根據(jù)機床的動態(tài)特性等確定最佳的加減速曲線，并將其存儲于控制系統(tǒng)中。系統(tǒng)運行過程中，首先掃描前后若干程序段，分析進(jìn)給速度的變化趨勢，確定希望的進(jìn)給速度F；然后讀取操作面板上的進(jìn)給速度倍率K，并用其對F進(jìn)行修正，得目標(biāo)進(jìn)給速度Fnew，F(xiàn)new=K.F；進(jìn)一步，將Fnew與現(xiàn)時進(jìn)給速度Fold進(jìn)行比較，并根據(jù)機床的加減速特性曲線計算出當(dāng)前采樣周期的瞬時進(jìn)給速度Fk(mm/min)。
速度與誤差控制
由于插補計算不是一種靜態(tài)的幾何計算，它必須使當(dāng)前插補點與前一插補點間的距離滿足進(jìn)給速度及加減速等要求，同時還要保證這兩點間的插補直線段與被插補曲線間的誤差在給定的允差范圍內(nèi)。為此，需以瞬時進(jìn)給速度為控制目標(biāo)，以允許誤差為約束條件對插補直線段長度Dtk進(jìn)行控制。
其方法如下：
首先，按加減速計算給出的瞬時進(jìn)給速度Fk，用下式計算當(dāng)前采樣周期中的希望弦長(無約束時的插補直線段長度)： (3) 式中 Dt1——希望弦長，mm T——采樣周期，ms 然后，根據(jù)采樣插補的誤差關(guān)系計算約束弦長： (4) 式中
e——插補軌跡與希望軌跡間的允許誤差
r——插補點處希望軌跡的曲率半徑
最后，根據(jù)Dt1、Dt2的相對大小確定Dtk的取值。即，如果希望弦長Dt1小于約束弦長Dt2，則令當(dāng)前插補直線段長度Dtk＝Dt1，否則取Dtk=Dt2。
插補軌跡計算
插補軌跡計算的任務(wù)是：在每一采樣周期中，根據(jù)以上求得的插補直線段長度Dtk，實時計算插補軌跡上當(dāng)前點的坐標(biāo)值。其計算過程如下：
首先，根據(jù)參變量增量Du與Dt間的如下關(guān)系求出當(dāng)前插補周期的Du： (5) 式中 du/ds——參變量對曲線弧長的變化率
因插補頻率較高，一個采樣周期中弧長與弦長非常接近，所以實際計算時可令du/ds≈Du/Dt。這樣將u取一增量Du，求出對應(yīng)的Dt，即可求得所需的du/ds。
雖然這一近似表示會對進(jìn)給速度有微小影響，但不會對插補軌跡精度產(chǎn)生任何影響。在采樣插補中，軌跡精度是主要矛盾，插補點的坐標(biāo)計算必須絕對準(zhǔn)確，而插補點沿軌跡運動速度的準(zhǔn)確性則處于次要地位，可以允許有微小誤差。這樣得到的結(jié)果既保證了軌跡精度，又提高了計算速度。
然后，計算當(dāng)前采樣周期參變量的取值： uk=uk-1+Du (6) 最后，將uk代入式(1)，即可計算出插補軌跡上當(dāng)前點的坐標(biāo)值xk，yk，zk。不斷重復(fù)以上過程直至到達(dá)插補終點，即可得到整個離散化的插補軌跡。
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