(数控加工)虚拟轴数控机

床的仿三轴控制

虚拟轴数控机床的仿三轴控制

前言

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设计突破。

如果充分发挥这种新型机床在结构上的优势，就有可能为大幅度地提

高机床的性能开辟壹条新途径。

通过分析发现：对于壹般直接基于 Stewart 平台原理的虚拟轴机床，

其旋转坐标的合理运动范围比常规五坐标数控机床要小得多(通常只

有 20～30 度，而五坐标机床能够达到 90 度之上) ，且且随着旋转角

的加大将大幅度地减少机床的有效工作空间。虽然复合结构能够扩大

转角范围，但结构复杂，难以保证高刚度，因此，普通虚拟轴机床不

太适合加工大范围、多坐标运动的零件。但从另壹个角度见，在实际

生产中需要多坐标加工的复杂零件毕竟是少数，而占主导地位的仍是

普通常规零件的加工。因此，研究如何利用虚拟轴机床的结构特点，

在常规零件的高速、高效加工上发挥其优势，将更具有实际意义。

虚拟轴机床仿三轴控制方法的基本思想是，模仿现有的三坐标数控机

床的控制方法，对虚拟轴机床的六自由度运动进行控制，从外特性上

见，使得虚拟轴机床和常规三坐标数控机床等效。这样，不仅现有各

种成熟的三坐标自动编程系统可直接用于六自由度的虚拟轴机床，而

且通过仿三轴控制可使主轴单元仅进行平移运动，大幅度扩大了虚拟

轴机床的工作空间，使其发挥更大的作用。此外，通过仿三轴控制，

仍可有效地减少控制系统的复杂性，从而显著降低机床的成本，有利

于这种新型机床在较大范围内推广应用。

2 虚拟轴机床进行常规加工的优势

为虚拟轴机床的壹种典型结构，该结构可归结为壹种所谓的 “六杆平

台结构”。其具体含义是，将六根可变长度驱动杆(简称驱动杆)的壹

端固定于静平台(如地基或机床框架)上，驱动杆的另壹端和动平台联

接，即和主轴单元相联接。这样，调节六驱动杆的长度，可使主轴和

刀具相对于工件作所要求的进给运动。通过控制系统对进给运动进行

精确控制，即可加工出符合要求的工件。

图 1 虚拟轴机床的基本结构

鉴于虚拟轴机床具有常规数控机床无可比拟的优点，而这些优点正是

实现高速、高精度加工所必需的，因此将其作为常规零件的高效加工

设备，以最大限度地发挥其优势。

3 仿三轴控制的基本原理

由于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 等且不真正存在，因此，即使仅需获得三维刀具运

动(姿态恒定仅位置变化) ，也必需对动平台进行六自由度控制。

仿三轴控制方法是根据虚拟轴机床的结构特点所提出的模拟常规三

坐标数控机床的壹种控制方法。其出发点是：用虚拟轴机床加工常规

零件时，装于主轴中的刀具仅需作三维平移运动，其姿态为固定值。

这样，虽然和动平台固联的主轴单元有六个运动自由度，但涉及实时

计算的仅为三个平移自由度。为此本文用刀具球心或端面中心在机床

坐标系中的坐标Xm 、Ym 、Zm 表示刀具位置，且通过三坐标插补算法

实时计算其位移量。同时，建立壹原点位于刀具球心或端面中心的刀

具坐标系，其坐标轴 Xt 、Yt 、Zt 分别和机床坐标系的 Xm 、Ym 、Zm 轴

平行。用刀具坐标系框架绕 Xm 、Ym 、Zm 轴的旋转角表示动平台的姿

态，且将其设置为定值。这样，对动平台沿Xm 、Ym 、Zm 这三个坐标

的运动进行实时计算和实时控制，对动平台绕Xm 、Ym 、Zm 轴的转动

进行定值实时控制，即可实现对动平台的全自由度控制，进而实现对

刀具运动的三坐标联动控制。因为这壹方法不需要对动平台姿态进行

实时计算，这样，不仅能够有效减少虚实映射和联动控制的计算量，

仍能将六自由度的虚拟轴机床的控制纳入常规三坐标数 S 控机床控制

的范畴，借助于成熟的三坐标控制方法来对这种新型机床进行联动控

制。

由虚拟轴机床的结构可知，由于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) ，即该机床的实际运动轴(简

称实轴) ，因此要对动平台的运动进行全自由度控制，进而实现对刀

具运动轨迹的精确控制，需将动平台运动指令(虚轴指令)转换到实轴

空间中去执行，且通过实轴空间到虚轴空间的自动逆映射来实现。由

此可构成仿三轴控制方法的实现方案，如图 2 所示。

图2 仿三轴控制方法原理框图

该系统的运行过程是：首先，根据零件数控程序给出的输入信息实时

生成刀具运动轨迹，即求解出虚轴空间中刀具沿 Xm 、Ym 、Zm 坐标的

希望运动量；然后，通过虚实映射计算，将虚拟轴的希望运动量转换

为六驱动杆的运动指令值；最后，对各驱动杆的长度进行解耦随动控

制，使其实际长度和希