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虛擬軸數(shù)控機(jī)床的仿三軸操控辦法（一）
來(lái)源:軸承網(wǎng) 時(shí)間:2013-06-07
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)床描繪打破.若是充分發(fā)揚(yáng)這種新式機(jī)床 在布局上的優(yōu)勢(shì)；就有可能為大幅度地進(jìn)步機(jī)床的功能拓荒一條新途徑.
通過(guò)剖析發(fā)現(xiàn)：關(guān)于一般直接依據(jù)Stewart渠道原理的虛擬軸機(jī)床；其旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的合理運(yùn)動(dòng)規(guī)模比慣例五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床要小得多(一般只要20～30度；而五坐標(biāo)機(jī)床能夠抵達(dá)90度以上)；并且跟著旋轉(zhuǎn)角的加大將大幅度地削減機(jī)床的有用作業(yè)空間.盡管復(fù)合布局能夠擴(kuò)展轉(zhuǎn)角規(guī)模；但布局雜亂；難以確保高剛度；因而；一般虛擬軸機(jī)床不太合適加工大規(guī)模、多坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的零件.但從另一個(gè)視點(diǎn)看；在實(shí)踐生產(chǎn)中需求多坐標(biāo)加工的雜亂零件畢竟是少量；而占主導(dǎo)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(jī)床的布局特色；在慣例零件的高速、高效加工上發(fā)揚(yáng)其優(yōu)勢(shì)；將更具有實(shí)踐意義.
虛擬軸機(jī)床仿三軸操控辦法的基本思想是；仿照現(xiàn)有的三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床的操控辦法；對(duì)虛擬軸機(jī)床的六自由度運(yùn)動(dòng)進(jìn)行操控；從外特性上看；使得虛擬軸機(jī)床和慣例三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床等效.這樣；不只現(xiàn)有各種老練的三坐標(biāo)主動(dòng)編程體系可直接用于六自由度的虛擬軸機(jī)床；并且通過(guò)仿三軸操控可使主軸單元僅進(jìn)行平移運(yùn)動(dòng)；大幅度擴(kuò)展了虛擬軸機(jī)床的作業(yè)空間；使其發(fā)揚(yáng)更大的效果.此外；通過(guò)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(jī)床的本錢(qián)；有利于這種新式機(jī)床在較大規(guī)模內(nèi)推廣應(yīng)用.
2 虛擬軸機(jī)床進(jìn)行慣例加工的優(yōu)勢(shì)
虛擬軸機(jī)床的一種典型布局；該布局可歸結(jié)為一種所謂的“六桿渠道布局”.其詳細(xì)意義是；將六根可變長(zhǎng)度驅(qū)動(dòng)桿(簡(jiǎn)稱驅(qū)動(dòng)桿)的一端固定于靜渠道(如地基或機(jī)床布局)上；驅(qū)動(dòng)桿的另一端與動(dòng)渠道聯(lián)接；即與主軸單元相聯(lián)接.這樣；調(diào)理六驅(qū)動(dòng)桿的長(zhǎng)度；可使主軸和刀具相關(guān)于工件作所需求的進(jìn)給運(yùn)動(dòng).通過(guò)操控體系對(duì)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精確操控；即可加工出契合需求的工件.
鑒于虛擬軸機(jī)床具有慣例數(shù)控機(jī)床無(wú)與倫比的長(zhǎng)處；而這些長(zhǎng)處正是完結(jié)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(shè)備；以最大極限地發(fā)揚(yáng)其優(yōu)勢(shì).
3 仿三軸操控的基本原理
因?yàn)樘摂M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等并不真實(shí)存在；因而；即便僅需取得三維刀具運(yùn)動(dòng)(姿勢(shì)穩(wěn)定僅方位改變)；也必需對(duì)動(dòng)渠道進(jìn)行六自由度操控.
仿三軸操控辦法是依據(jù)虛擬軸機(jī)床的布局特色所提出的模仿慣例三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床的一種操控辦法.其起點(diǎn)是：用虛擬軸機(jī)床加工慣例零件時(shí)；裝于主軸中的刀具僅需作三維平移運(yùn)動(dòng)；其姿勢(shì)為固定值.這樣；盡管與動(dòng)渠道固聯(lián)的主軸單元有六個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度；但觸及實(shí)時(shí)核算的僅為三個(gè)平移自由度.為此本文用刀具球心或端面中間在機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)Xm、Ym、Zm表明刀具方位；并通過(guò)三坐標(biāo)插補(bǔ)算法實(shí)時(shí)核算其位移量.一起；樹(shù)立一原點(diǎn)坐落刀具球心或端面中間的刀具坐標(biāo)系；其坐標(biāo)軸Xt、Yt、Zt別離與機(jī)床坐標(biāo)系的Xm、Ym、Zm軸平行.用刀具坐標(biāo)系布局繞Xm、Ym、Zm軸的旋轉(zhuǎn)角表明動(dòng)渠道的姿勢(shì)；并將其設(shè)置為定值.這樣；對(duì)動(dòng)渠道沿Xm、Ym、Zm這三個(gè)坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)核算和實(shí)時(shí)操控；對(duì)動(dòng)渠道繞Xm、Ym、Zm軸的轉(zhuǎn)變進(jìn)行定值實(shí)時(shí)操控；即可完結(jié)對(duì)動(dòng)渠道的全自由度操控；進(jìn)而完結(jié)對(duì)刀具運(yùn)動(dòng)的三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)操控.因?yàn)檫@一辦法不需求對(duì)動(dòng)渠道姿勢(shì)進(jìn)行實(shí)時(shí)核算；這樣；不只能夠有用削減真假映射和聯(lián)動(dòng)操控的核算量；還能將六自由度的虛擬軸機(jī)床的操控歸入慣例三坐標(biāo)數(shù)S控機(jī)床操控的領(lǐng)域；借助于老練的三坐標(biāo)操控辦法來(lái)對(duì)這種新式機(jī)床進(jìn)行聯(lián)動(dòng)操控.
由虛擬軸機(jī)床的布局可知；因?yàn)樵摍C(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)踐運(yùn)動(dòng)軸(簡(jiǎn)稱實(shí)軸)；因而要對(duì)動(dòng)渠道的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行全自由度操控；進(jìn)而完結(jié)對(duì)刀具運(yùn)動(dòng)軌道的精確操控；需將動(dòng)渠道運(yùn)動(dòng)指令(虛軸指令)轉(zhuǎn)換到實(shí)軸空間中去履行；并通過(guò)實(shí)軸空間到虛軸空間的主動(dòng)逆映射來(lái)完結(jié).
該體系的運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)程是：首要；依據(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)軌道；即求解出虛軸空間中刀具沿Xm、Ym、Zm坐標(biāo)的期望運(yùn)動(dòng)量，然后；通過(guò)真假映射核算；將虛擬軸的期望運(yùn)動(dòng)量轉(zhuǎn)換為六驅(qū)動(dòng)桿的運(yùn)動(dòng)指令值，最終；對(duì)各驅(qū)動(dòng)桿的長(zhǎng)度進(jìn)行解耦隨動(dòng)操控；使其實(shí)踐長(zhǎng)度與期望長(zhǎng)度共同；并通過(guò)機(jī)床布局隱含完結(jié)實(shí)到虛的逆映射；即可得到契合指令需求的刀具運(yùn)動(dòng)軌道；并確保刀具姿勢(shì)為給定的常值.
4 虛軸空間刀具運(yùn)動(dòng)軌道生成
刀具運(yùn)動(dòng)軌道生成的使命是：將零件數(shù)控程序給出的刀具途徑(虛軸空間中與時(shí)刻和機(jī)床特性無(wú)關(guān)的幾許曲線)轉(zhuǎn)換為與時(shí)刻和機(jī)床特性(如加減速特性等)相聯(lián)系的離散化的刀具運(yùn)動(dòng)軌道.其求解進(jìn)程如下：
數(shù)學(xué)模型的樹(shù)立
為確保軌道生成的精度；在仿三軸操控中選用參數(shù)化直接插補(bǔ)算法.其關(guān)鍵是：為被插補(bǔ)曲線樹(shù)立便于核算的參數(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] 需求用其進(jìn)行實(shí)時(shí)軌道核算時(shí)不觸及函數(shù)核算；只需通過(guò)次數(shù)很少的加減乘除運(yùn)算即可完結(jié).
例如；關(guān)于圓弧插補(bǔ)；式(1)的詳細(xì)辦法為： (2) 式中 M 常數(shù)矩陣；當(dāng)插補(bǔ)點(diǎn)坐落一～四象限時(shí)；其取值別離為：r 圓弧半徑這樣；軌道核算能夠肯定辦法進(jìn)行；即每一軌道點(diǎn)坐標(biāo)的核算都以模型坐標(biāo)原點(diǎn)為基準(zhǔn)進(jìn)行；然后可消除堆集差錯(cuò)；有用地確保插補(bǔ)核算的速度和精度.
加減速操控
為使所生成的刀具運(yùn)動(dòng)軌道滿意機(jī)床加減速特性需求；可依據(jù)機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性等斷定最佳的加減速曲線；并將其存儲(chǔ)于操控體系中.體系運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)程中；首要掃描前后若干程序段；剖析進(jìn)給速度的改變趨勢(shì)；斷定期望的進(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(duì)F進(jìn)行批改；得方針進(jìn)給速度Fnew；Fnew=K。F，進(jìn)一步；將Fnew與現(xiàn)時(shí)進(jìn)給速度Fold進(jìn)行比擬；并依據(jù)機(jī)床的加減速特性曲線核算出當(dāng)時(shí)采樣周期的瞬時(shí)進(jìn)給速度Fk(mm/min).
速度與差錯(cuò)操控
因?yàn)椴逖a(bǔ)核算不是一種靜態(tài)的幾許核算；它有必要使當(dāng)時(shí)插補(bǔ)點(diǎn)與前一插補(bǔ)點(diǎn)間的間隔滿意進(jìn)給速度及加減速等需求；一起還要確保這兩點(diǎn)間的插補(bǔ)直線段與被插補(bǔ)曲線間的差錯(cuò)在給定的允差規(guī)模內(nèi).為此；需以瞬時(shí)進(jìn)給速度為操控方針；以答應(yīng)差錯(cuò)為束縛條件對(duì)插補(bǔ)直線段長(zhǎng)度Dtk進(jìn)行操控.
其辦法如下：
首要；按加減速核算給出的瞬時(shí)進(jìn)給速度Fk；用下式核算當(dāng)時(shí)采樣周期中的期望弦長(zhǎng)(無(wú)束縛時(shí)的插補(bǔ)直線段長(zhǎng)度)： (3) 式中 Dt1 期望弦長(zhǎng)；mm T 采樣周期；ms 然后；依據(jù)采樣插補(bǔ)的差錯(cuò)聯(lián)系核算束縛弦長(zhǎng)： (4) 式中
e 插補(bǔ)軌道與期望軌道間的答應(yīng)差錯(cuò)
r 插補(bǔ)點(diǎn)處期望軌道的曲率半徑
最終；依據(jù)Dt1、Dt2的相對(duì)巨細(xì)斷定Dtk的取值.即；若是期望弦長(zhǎng)Dt1小于束縛弦長(zhǎng)Dt2；則令當(dāng)時(shí)插補(bǔ)直線段長(zhǎng)度Dtk＝Dt1；否則取Dtk=Dt2.
插補(bǔ)軌道核算
插補(bǔ)軌道核算的使命是：在每一采樣周期中；依據(jù)以上求得的插補(bǔ)直線段長(zhǎng)度Dtk；實(shí)時(shí)核算插補(bǔ)軌道上當(dāng)時(shí)點(diǎn)的坐標(biāo)值.其核算進(jìn)程如下：
首要；依據(jù)參變量增量Du與Dt間的如下聯(lián)系求出當(dāng)時(shí)插補(bǔ)周期的Du： (5) 式中 du/ds 參變量對(duì)曲線弧長(zhǎng)的改變率
因插補(bǔ)頻率較高；一個(gè)采樣周期中弧長(zhǎng)與弦長(zhǎng)十分挨近；所以實(shí)踐核算時(shí)可令du/ds≈Du/Dt.這樣將u取一增量Du；求出對(duì)應(yīng)的Dt；即可求得所需的du/ds.
盡管這一近似表明會(huì)對(duì)進(jìn)給速度有細(xì)小影響；但不會(huì)對(duì)插補(bǔ)軌道精度發(fā)生任何影響.在采樣插補(bǔ)中；軌道精度是主要矛盾；插補(bǔ)點(diǎn)的坐標(biāo)核算有必要肯定精確；而插補(bǔ)點(diǎn)沿軌道運(yùn)動(dòng)速度的精確性則處于非必須位置；能夠答應(yīng)有細(xì)小差錯(cuò).這樣得到的成果既確保了軌道精度；又進(jìn)步了核算速度.
然后；核算當(dāng)時(shí)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(bǔ)軌道上當(dāng)時(shí)點(diǎn)的坐標(biāo)值xk；yk；zk.不斷重復(fù)以上進(jìn)程直至抵達(dá)插補(bǔ)結(jié)尾；即可得到整個(gè)離散化的插補(bǔ)軌道.
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