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1、虚拟轴数控机床刀具运动状态的实时规划周 凯 摘 要：提出了虚拟轴数控机床的递阶控制方法,并着重介绍了递阶控制的第一级——刀具运动状态实时规划所涉及的切削路径生成、刀具运动路径计算和刀具运动姿态规划三个关键问题的求解过程,为虚拟轴机床数控系统的研究开发奠定了必要的理论与技术基础． 关键词：虚拟轴机床，数控，路径，姿态，实时规划 中图分类号：TH16 文献标识码：BREAL-TIMEPLANNINGOFTOOLMOTIONSTATEFORVIRTUALAXISNCMACHINETOOLSZHOUKai(Dept.ofPrecis
2、ionMachinery,TsinghuaUniversityBeijing100084)Abstract:ThehierarchicalcontrolmethodofvirtualaxisNCmachinetoolsispresentedandthefirstlevelofthehierarchicalcontrolsystemisemphaticallydiscussed.Thisleveldealswiththetaskofreal-timeplanningoftoolmotionstateandinvolvesthreekeypro
3、blems,whicharecuttingpathgeneration,toolpathcalculationandtoolattitudeplanning.Thesolvingprocessesofthethreeproblemsaregiven.Theseresultslayafoundationfortheresearchanddevelopmentofthenumericalcontrolsystemofvirtualaxismachinetools.Keywords:virtualaxismachinetool,numerical
4、control,path,attitude,real-timeplanning1 前言 1994年9月芝加哥IMTS'94国际展览会上,美国Giddings&Lewis公司推出了费时6年研制成功的虚拟轴数控机床——VARIAX加工中心，受到举世瞩目．这种新型机床完全打破了传统机床结构的概念，抛弃了固定导轨刀具导向方式，转而采用由六可变长度杆驱动主轴作多自由度运动的并联闭链结构，因而不仅加工的自由度增加，可以加工更为复杂的零件，而且更为重要的是，这种新型机床的刚度比传统机床提高五倍以上［1］，使加工精度和加工质量大为提高，此外在加工速度上也
5、比常规机床提高数倍以上，从而满足了正在发展的高速加工的需要．鉴于虚拟轴机床具有上述众多优点，并对推动机床、制造以及相关学科和产业的发展具有重要意义，它的研究与开发得到了世界各国的广泛重视，已成为国际上机床研究领域的一个热点［2,3］． 通过对虚拟轴机床的分析,可以看到,这种机床的最大特点是机械结构简单而控制复杂．因此，要结合国情研究开发具有中国特色的虚拟轴数控机床产品，必须首先解决其控制问题，研究开发出高性能的虚拟轴机床数控系统． 考虑到虚拟轴机床控制的复杂性,本文提出一种解决其控制问题的递阶控制方法，并着重介绍了递阶控制的第一级——刀
6、具运动状态实时规划所涉及的切削路径实时生成、刀具运动路径计算和刀具运动姿态规划三个关键问题的求解过程,为虚拟轴机床数控系统的研究开发奠定了必要的理论与技术基础．2 虚拟轴机床控制的基本原理 虚拟轴机床的典型结构为六杆平台结构，即由六根可变长度杆驱动一活动平台（其上装有主轴单元），六驱动杆的另一端固定于基础框架（静平台）上．调节六驱动杆的长度，可使主轴和刀具作六自由度运动． 那么,应如何控制这六根驱动杆的长度,才能使刀具的运动状态(轨迹和姿态)满足加工要求?这便是虚拟轴机床控制的核心问题．解决这一问题的基本思路是分两步走,第一步先根据输入
7、信息对刀具的运动状态进行实时规划,即求解出各虚拟轴的希望运动量,第二步再将虚拟轴的希望运动量转换为六驱动杆的运动指令值并据此对各杆的长度进行实时控制．通过这一由规划与控制实现的虚到实的变换，以及由机床结构隐含实现的实到虚的逆变换,即可得到所要求的刀具运动姿态和轨迹．根据上述思路，本文提出一种两级递阶控制方案，其基本原理可通过图1进行说明．图1虚拟轴机床递阶控制原理框图 由图可见，递阶控制的第一级为刀具运动状态实时规划,其主要任务是根据输入给控制系统的被加工零件的几何工艺信息，对刀具的希望运动状态进行实时规划，产生虚拟轴X、Y、Z、A、B、
8、C的运动指令．完成这一任务包括三个步骤:第一步由切削路径生成模块根据输入信息实时生成被加工表面上的切削路径，即刀具与加工表面接触点的移动路径．第二步由刀具运动路径计算模块对线性虚
