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虚拟轴数控机床的仿三轴操控办法（一）

来源:轴承网时间:2013-06-07

1　前语
虚拟轴数控机床的出现被认为是本世纪最具革命性的机床描绘打破.若是充分发扬这种新式机床在布局上的优势；就有可能为大幅度地进步机床的功能拓荒一条新途径.
通过剖析发现：关于一般直接依据Stewart渠道原理的虚拟轴机床；其旋转坐标的合理运动规模比惯例五坐标数控机床要小得多(一般只要20～30度；而五坐标机床能够抵达90度以上)；并且跟着旋转角的加大将大幅度地削减机床的有用作业空间.尽管复合布局能够扩展转角规模；但布局杂乱；难以确保高刚度；因而；一般虚拟轴机床不太合适加工大规模、多坐标运动的零件.但从另一个视点看；在实践生产中需求多坐标加工的杂乱零件毕竟是少量；而占主导位置的仍是一般惯例零件的加工.因而；研讨怎么使用虚拟轴机床的布局特色；在惯例零件的高速、高效加工上发扬其优势；将更具有实践意义.
虚拟轴机床仿三轴操控办法的基本思想是；仿照现有的三坐标数控机床的操控办法；对虚拟轴机床的六自由度运动进行操控；从外特性上看；使得虚拟轴机床和惯例三坐标数控机床等效.这样；不只现有各种老练的三坐标主动编程体系可直接用于六自由度的虚拟轴机床；并且通过仿三轴操控可使主轴单元仅进行平移运动；大幅度扩展了虚拟轴机床的作业空间；使其发扬更大的效果.此外；通过仿三轴操控；还可有用地削减操控体系的杂乱性；然后明显下降机床的本钱；有利于这种新式机床在较大规模内推广应用.
2　虚拟轴机床进行惯例加工的优势
虚拟轴机床的一种典型布局；该布局可归结为一种所谓的“六杆渠道布局”.其详细意义是；将六根可变长度驱动杆(简称驱动杆)的一端固定于静渠道(如地基或机床布局)上；驱动杆的另一端与动渠道联接；即与主轴单元相联接.这样；调理六驱动杆的长度；可使主轴和刀具相关于工件作所需求的进给运动.通过操控体系对进给运动进行精确操控；即可加工出契合需求的工件.
鉴于虚拟轴机床具有惯例数控机床无与伦比的长处；而这些长处正是完结高速、高精度加工所必需的；因而将其作为惯例零件的高效加工设备；以最大极限地发扬其优势.
3　仿三轴操控的基本原理
因为虚拟轴机床中不存在沿固定方向导向的导轨；数控加工所需的刀具运动轴X、Y、Z等并不真实存在；因而；即便仅需取得三维刀具运动(姿势稳定仅方位改变)；也必需对动渠道进行六自由度操控.
仿三轴操控办法是依据虚拟轴机床的布局特色所提出的模仿惯例三坐标数控机床的一种操控办法.其起点是：用虚拟轴机床加工惯例零件时；装于主轴中的刀具仅需作三维平移运动；其姿势为固定值.这样；尽管与动渠道固联的主轴单元有六个运动自由度；但触及实时核算的仅为三个平移自由度.为此本文用刀具球心或端面中间在机床坐标系中的坐标Xm、Ym、Zm表明刀具方位；并通过三坐标插补算法实时核算其位移量.一起；树立一原点坐落刀具球心或端面中间的刀具坐标系；其坐标轴Xt、Yt、Zt别离与机床坐标系的Xm、Ym、Zm轴平行.用刀具坐标系布局绕Xm、Ym、Zm轴的旋转角表明动渠道的姿势；并将其设置为定值.这样；对动渠道沿Xm、Ym、Zm这三个坐标的运动进行实时核算和实时操控；对动渠道绕Xm、Ym、Zm轴的转变进行定值实时操控；即可完结对动渠道的全自由度操控；进而完结对刀具运动的三坐标联动操控.因为这一办法不需求对动渠道姿势进行实时核算；这样；不只能够有用削减真假映射和联动操控的核算量；还能将六自由度的虚拟轴机床的操控归入惯例三坐标数S控机床操控的领域；借助于老练的三坐标操控办法来对这种新式机床进行联动操控.
由虚拟轴机床的布局可知；因为该机床中直接可控的被控量为支撑主轴部件的六驱动杆的长度Li(i=1,2,…；6)；即该机床的实践运动轴(简称实轴)；因而要对动渠道的运动进行全自由度操控；进而完结对刀具运动轨道的精确操控；需将动渠道运动指令(虚轴指令)转换到实轴空间中去履行；并通过实轴空间到虚轴空间的主动逆映射来完结.
该体系的运转进程是：首要；依据零件数控程序给出的输入信息实时生成刀具运动轨道；即求解出虚轴空间中刀具沿Xm、Ym、Zm坐标的期望运动量，然后；通过真假映射核算；将虚拟轴的期望运动量转换为六驱动杆的运动指令值，最终；对各驱动杆的长度进行解耦随动操控；使其实践长度与期望长度共同；并通过机床布局隐含完结实到虚的逆映射；即可得到契合指令需求的刀具运动轨道；并确保刀具姿势为给定的常值.
4　虚轴空间刀具运动轨道生成
刀具运动轨道生成的使命是：将零件数控程序给出的刀具途径(虚轴空间中与时刻和机床特性无关的几许曲线)转换为与时刻和机床特性(如加减速特性等)相联系的离散化的刀具运动轨道.其求解进程如下：
数学模型的树立
为确保轨道生成的精度；在仿三轴操控中选用参数化直接插补算法.其关键是：为被插补曲线树立便于核算的参数化数学模型：
x=f1(u)
y=f2(u)
z=f3(u) (1)
式中　u 参变量；u∈[0,1] 需求用其进行实时轨道核算时不触及函数核算；只需通过次数很少的加减乘除运算即可完结.
例如；关于圆弧插补；式(1)的详细办法为： (2) 式中　M 常数矩阵；当插补点坐落一～四象限时；其取值别离为：r 圆弧半径这样；轨道核算能够肯定办法进行；即每一轨道点坐标的核算都以模型坐标原点为基准进行；然后可消除堆集差错；有用地确保插补核算的速度和精度.
加减速操控
为使所生成的刀具运动轨道满意机床加减速特性需求；可依据机床的动态特性等断定最佳的加减速曲线；并将其存储于操控体系中.体系运转进程中；首要扫描前后若干程序段；剖析进给速度的改变趋势；断定期望的进给速度F，然后读取操作面板上的进给速度倍率K；并用其对F进行批改；得方针进给速度Fnew；Fnew=K。F，进一步；将Fnew与现时进给速度Fold进行比拟；并依据机床的加减速特性曲线核算出当时采样周期的瞬时进给速度Fk(mm/min).
速度与差错操控
因为插补核算不是一种静态的几许核算；它有必要使当时插补点与前一插补点间的间隔满意进给速度及加减速等需求；一起还要确保这两点间的插补直线段与被插补曲线间的差错在给定的允差规模内.为此；需以瞬时进给速度为操控方针；以答应差错为束缚条件对插补直线段长度Dtk进行操控.
其办法如下：
首要；按加减速核算给出的瞬时进给速度Fk；用下式核算当时采样周期中的期望弦长(无束缚时的插补直线段长度)： (3) 式中　Dt1 期望弦长；mm T 采样周期；ms 然后；依据采样插补的差错联系核算束缚弦长： (4) 式中　
e 插补轨道与期望轨道间的答应差错
r 插补点处期望轨道的曲率半径
最终；依据Dt1、Dt2的相对巨细断定Dtk的取值.即；若是期望弦长Dt1小于束缚弦长Dt2；则令当时插补直线段长度Dtk＝Dt1；否则取Dtk=Dt2.
插补轨道核算
插补轨道核算的使命是：在每一采样周期中；依据以上求得的插补直线段长度Dtk；实时核算插补轨道上当时点的坐标值.其核算进程如下：
首要；依据参变量增量Du与Dt间的如下联系求出当时插补周期的Du： (5) 式中　du/ds 参变量对曲线弧长的改变率
因插补频率较高；一个采样周期中弧长与弦长十分挨近；所以实践核算时可令du/ds≈Du/Dt.这样将u取一增量Du；求出对应的Dt；即可求得所需的du/ds.
尽管这一近似表明会对进给速度有细小影响；但不会对插补轨道精度发生任何影响.在采样插补中；轨道精度是主要矛盾；插补点的坐标核算有必要肯定精确；而插补点沿轨道运动速度的精确性则处于非必须位置；能够答应有细小差错.这样得到的成果既确保了轨道精度；又进步了核算速度.
然后；核算当时采样周期参变量的取值： uk=uk-1+Du (6) 最终；将uk代入式(1)；即可核算出插补轨道上当时点的坐标值xk；yk；zk.不断重复以上进程直至抵达插补结尾；即可得到整个离散化的插补轨道.

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