1前言

　　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)床設(shè)計(jì)突破。如果充分發(fā)揮這種新型機(jī)床在結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢，就有可能為大幅度地提高機(jī)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(tái)原理的虛擬軸機(jī)床，其旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的合理運(yùn)動(dòng)范圍比常規(guī)五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床要小得多(通常只有20～30度，而五坐標(biāo)機(jī)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(jī)床的有效工作空間。雖然復(fù)合結(jié)構(gòu)可以擴(kuò)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(jī)床不太適合加工大范圍、多坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的零件。但從另一個(gè)角度看，在實(shí)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(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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(shí)際意義。

　　虛擬軸機(jī)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(jī)床的控制方法，對虛擬軸機(jī)床的六自由度運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，從外特性上看，使得虛擬軸機(jī)床和常規(guī)三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床等效。這樣，不僅現(xiàn)有各種成熟的三坐標(biāo)自動(dòng)編程系統(tǒng)可直接用于六自由度的虛擬軸機(jī)床，而且通過仿三軸控制可使主軸單元僅進(jìn)行平移運(yùn)動(dòng)，大幅度擴(kuò)大了虛擬軸機(jī)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(jī)床的成本，有利于這種新型機(jī)床在較大范圍內(nèi)推廣應(yīng)用。

　　2虛擬軸機(jī)床進(jìn)行常規(guī)加工的優(yōu)勢

　　虛擬軸機(jī)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(tái)結(jié)構(gòu)”。其具體含義是，將六根可變長度驅(qū)動(dòng)桿(簡稱驅(qū)動(dòng)桿)的一端固定于靜平臺(tái)(如地基或機(jī)床框架)上，驅(qū)動(dòng)桿的另一端與動(dòng)平臺(tái)聯(lián)接，即與主軸單元相聯(lián)接。這樣，調(diào)節(jié)六驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)。通過控制系統(tǒng)對進(jìn)給運(yùn)動(dòng)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(jī)床具有常規(guī)數(shù)控機(jī)床無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，而這些優(yōu)點(diǎn)正是實(shí)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(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等并不真正存在，因此，即使僅需獲得三維刀具運(yùn)動(dòng)(姿態(tài)恒定僅位置變化)，也必需對動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行六自由度控制。

　　仿三軸控制方法是根據(jù)虛擬軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所提出的模擬常規(guī)三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床的一種控制方法。其出發(fā)點(diǎn)是：用虛擬軸機(jī)床加工常規(guī)零件時(shí)，裝于主軸中的刀具僅需作三維平移運(yùn)動(dòng)，其姿態(tài)為固定值。這樣，雖然與動(dòng)平臺(tái)固聯(lián)的主軸單元有六個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，但涉及實(shí)時(shí)計(jì)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心在機(jī)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(bǔ)算法實(shí)時(shí)計(jì)算其位移量。同時(shí)，建立一原點(diǎn)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(jī)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(dòng)平臺(tái)的姿態(tài)，并將其設(shè)置為定值。這樣，對動(dòng)平臺(tái)沿Xm、Ym、Zm這三個(gè)坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算和實(shí)時(shí)控制，對動(dòng)平臺(tái)繞Xm、Ym、Zm軸的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行定值實(shí)時(shí)控制，即可實(shí)現(xiàn)對動(dòng)平臺(tái)的全自由度控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對刀具運(yùn)動(dòng)的三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)控制。因?yàn)檫@一方法不需要對動(dòng)平臺(tái)姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，這樣，不僅可以有效減少虛實(shí)映射和聯(lián)動(dòng)控制的計(jì)算量，還能將六自由度的虛擬軸機(jī)床的控制納入常規(guī)三坐標(biāo)數(shù)S控機(jī)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(jī)床進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制。

　　由虛擬軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)可知，由于該機(jī)床中直接可控的被控量為支撐主軸部件的六驅(qū)動(dòng)桿的長度Li(i=1,2,…，6)，即該機(jī)床的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軸(簡稱實(shí)軸)，因此要對動(dòng)平