虚拟轴数控机床的出现被认为是本世纪机床设计中最具革命性的突破。 如果充分发挥这种新型机床的结构优势，将有可能开辟一条大大提高机床性能的新途径。 通过分析发现，直接基于Stewart平台原理的虚拟轴机床旋转坐标的合理运动范围比常规五轴数控机床小得多(通常只有20 ~ 30度，而五轴机床可以达到90度以上)，而且机床的有效工作空间会随着旋转角度的增大而大大减小。 虽然复合结构可以扩大转动角度的范围，但由于其结构复杂，很难保证高刚性。因此，普通虚拟轴机床不适合加工大范围、多坐标运动的零件。 但从另一个角度来看，实际生产中需要多坐标加工的复杂零件毕竟只是少数，占主导地位的还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，充分发挥其在常规零件高速高效加工中的优势，将更具现实意义。 模拟虚拟轴机床三轴控制方法的基本思想是通过模仿现有三轴数控机床的控制方法来控制虚拟轴机床的六自由度运动。从外部特征来看，虚拟轴机床相当于常规的三轴数控机床。 这样，不仅可以将现有成熟的三坐标自动编程系统直接应用到六自由度虚拟轴机床上，而且通过模仿三轴控制，使主轴单元只能平移运动，大大拓展了虚拟轴机床的工作空间，使其发挥更大的作用。 另外，通过模拟三轴控制，可以有效降低控制系统的复杂性，从而显著降低机床的成本，有利于这种新型机床在大范围内的推广应用。 2虚拟轴机床用于常规加工的优势虚拟轴机床的典型结构可以概括为所谓的“六杆平台结构” 具体来说，六根变长驱动杆(简称驱动杆)的一端固定在静止平台(如基础或机床框架)上，驱动杆的另一端与运动平台即主轴单元相连。 这样，通过调节六个驱动杆的长度，主轴和刀具就可以相对于工件作所需的进给运动。 通过控制系统精确控制进给运动，可以加工出符合要求的工件。 鉴于高速高精加工所必需的虚拟轴机床与常规数控机床相比具有不可比拟的优势，将虚拟轴机床作为常规零件的高效加工设备，使其优势最大化。 3仿三轴控制的基本原理由于虚拟轴机床中没有固定方向导向的导轨，刀具运动轴X、Y、Z等。数控加工所需的并不真正存在。因此，即使只需要三维刀具运动(姿态不变，只改变位置)，也需要六自由度控制动平台。 三轴控制法是根据虚拟轴机床的结构特点，模拟常规三坐标数控机床的控制方法。 出发点是:用虚拟轴机床加工常规零件时，安装在主轴上的刀具只需做三维平移运动，其姿态是一个固定值。 因此，尽管与移动平台固定连接的主轴单元具有六个自由度，但是在实时计算中仅涉及三个平移自由度。 本文采用刀具球面中心或端面在机床坐标系中的坐标Xm、Ym、Zm来表示刀具位置，通过三坐标插补算法实时计算位移。 同时建立以刀具球面或端面中心为原点的刀具坐标系，其坐标轴Xt、Yt、Zt分别平行于机床坐标系的Xm、Ym、Zm轴。 动平台的姿态用刀具坐标系绕Xm、Ym、Zm轴的旋转角度来表示，并设定为固定值。 这样实时计算和实时控制动平台沿Xm、Ym、Zm三个坐标的运动，实时控制动平台绕Xm、Ym、Zm轴的转动，就可以实现动平台的全自由度控制，进而实现刀具运动的三坐标联动控制。 由于该方法不需要实时计算动平台的姿态，不仅可以有效减少虚实映射和联动控制的计算量，而且可以将六自由度虚拟轴机床的控制纳入常规三坐标数控机床的控制范畴。借助成熟的三坐标控制方法，可以对这种新型机床进行联动控制。 根据虚拟轴机床的结构，该机床中可直接控制的被控量是支撑主轴部件的六根驱动杆的长度Li(i=1，2，…，6)，即机床的实际运动轴(简称实轴)。因此，为了以全自由度控制动平台的运动，实现刀具运动轨迹的精确控制，需要将动平台的运动命令(虚拟轴命令)转换到实轴空间中执行。 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，即求解刀具在虚拟轴空间沿Xm、Ym、Zm坐标的期望运动；然后，通过虚实映射计算，将虚拟轴的期望移动量转换为六个驱动杆的移动指令值；最后，对各驱动杆的长度进行解耦控制，使其实际长度与期望长度一致，并通过机床结构隐式实现从实到虚的逆映射，从而得到满足指令要求的刀具轨迹，并保证刀具姿态为给定的常值。 4虚拟轴空间中的刀具轨迹生成刀具轨迹生成的任务是将零件NC程序给定的刀具轨迹(与时间和机床特性无关的虚拟轴空间中的几何曲线)转换成与时间和机床特性(如加减速特性等)有关的离散刀具轨迹。). 求解过程如下:(1)为了保证轨迹生成的精度，仿真三轴控制采用了参数化直接插补算法。 重点是:建立插值曲线的参数化数学模型:x=f1(u) y=f2(u) z=f3(u)(1)其中u∈[0，1]要求只需少量的加减乘除运算即可完成实时轨迹计算，不涉及函数计算。 比如圆弧插补，公式(1)的具体形式是:(2)公式中的M-常数矩阵。当插值点在一至四个像限内时，其值分别为:R-圆弧半径。这样轨迹计算可以以绝对的方式进行，即以模型坐标原点为基础计算每个轨迹点的坐标，消除了累积误差，有效保证了插补计算的速度和精度。 加减速控制为了使生成的刀具轨迹满足机床加减速特性的要求，可以根据机床的动态特性确定最佳加减速曲线，并存储在控制系统中。 系统运行时，首先扫描前后几个程序段，分析进给速度的变化趋势，确定希望的进给速度F；然后在操作面板上读取进给速度倍率K，用它来修正F，得到目标进给速度Fnew，其中Fnew = K . F；；进一步，将Fnew与当前进给速度Fold进行比较，根据机床加减速特性曲线计算当前采样周期内的瞬时进给速度Fk(mm/min)。 速度误差控制由于插补计算不是静态的几何计算，必须使当前插补点与前一个插补点之间的距离满足进给速度、加减速的要求，同时保证这两点之间的插补直线段与插补曲线之间的误差在给定的公差范围内。 因此，需要以瞬时进给速度为控制目标，以允许误差为约束条件来控制插补直线段的长度Dtk。 方法如下:首先根据加减速计算给出的瞬时进给速度Fk，通过下式计算出当前采样周期内的期望弦长(无约束的插补直线长度):(3)其中Dt1-期望弦长，MMT-采样周期，ms；然后根据采样插值的误差关系计算约束弦长:(4)其中

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