虚拟轴数控机床关键技术研究

维普资讯 http://www.cqvip.com 第２１卷第３期　石家庄铁道学院学报（自然科学版）　ｖ。１．２１　Ｎｏ．３　２００８年９月ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＨＩＪＩＡＺＨＵＡＮＧ　ＲＡＩＬＷＡＹ　ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ（ＮＡＴＵＲＡＬ　ＳＣＩＥＮＣＥ）　虚拟轴数控机床关键技术研究　高　平　（北京信息科技大学计算中心，北京１００１９２）　摘要：虚拟轴数控机床是机器人技术与机床技术相结合产生的高科技产物，具有高精度、高　刚性、高速度、高加速度、高柔性、高灵活性、推力大、重量轻等优异性能。介绍了虚拟轴数控机　床的研究内容，提出了虚拟轴数控机床设计的关键问题及其解决方案，总结了这种直接驱动技　术的意义。　关键词：虚拟轴机床；数控系统；性能优化　中图分类号：ＴＧ５４文献标识码：Ａ文章编号：１６７４—０３００（２００８）０３—００７８—０３　机床行业为满足对具有复杂形貌及高精度要求零部件日益增长的需求，近年来，全球范围内都在积　极研制和开发新型多功能制造装备与系统，其中在机床结构技术上的新探索应属２０世纪９０年代中期问　世的虚拟轴机床（Ｖｉｒｔｕａｌ　Ａｘｉｓ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｔｏｏ１），这种机床又称并联机床（Ｐａｒａｌｌｅｌ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｔｏｏ１），虚拟轴机床　实质上是并联机器人技术与数控机床技术结合的产物。它同时兼顾了机床的刚度、精度以及机器人的灵　活性和柔性，既可以看作机器人化的机床，可以完成机床切削加工的任务，又可以看作机床化的机器人，　可以完成精密机器人的操作作业，是集多种功能于一体的新型数控加工装备。这种机床完全打破了传统　机床的结构，抛弃了固定导轨的刀具导向方式，采用了多杆并联机构驱动，与实现等同功能的传统五坐标　数控机床相比，并联机床具有如下优点：刚度质量比大、响应速度快、环境适应性强、技术附加值高，虚拟　轴数控技术已经在许多领域都得到了成功的应用，这种机床被认为是本世纪最具有性的突破。　１　虚拟轴数控机床关键技术研究内容　（１）虚拟轴机床机构设计及位置研究。通过对虚拟轴机床整体结构构成和工作原理的分析，研究机　床并联机构的自由度和动平台运动的方式，分别对机床并联机构和串联机构做位置分析，当已知机床输　入的位置，求解机床输出的位置，还有当已知机床输出的位置，求解机床输入的位置，通过推导计算得到　机床输入和输出的位置关系。　（２）机床数控系统研究。在对数控原理和系统结构进行研究的基础上，考虑实现大部分数控功能的　前提下，设计机床数控系统的硬件结构，同时选用相关的硬件设施，组建虚拟轴机床的数控装置。　（３）虚拟轴机床数控系统硬件设计。在虚拟轴机床数控系统研究的基础上，同时考虑求解机床输入、　输出位置，通过推导计算得到机床输入和输出的位置关系。　（４）虚拟轴机床数控系统软件设计。在对虚拟轴机床数控系统硬件设计完成的基础上，建立数控系　统的软件结构框架，在对软件实现原理和软件结构特点做进一步的研究后，完成软件开发工作。　２虚拟轴数控机床设计的关键技术解决方案　２．１虚拟轴机床的结构设计　针对目前虚拟轴机床存在的问题，采用串并联混合框架结构（如图１所示），因此“工作空问机床体积　比”较大，刚性好，可简化运动计算，机床的机架是一个六面体的桁架结构，４个立柱上分别装有４个导轨、　收稿日期：２００８—０６—２６　作者简介：高平女１９６４年出生高级工程师　维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期　高平：虚拟轴数控机床关键技术研究　７９　４套滚珠丝杆副和４套伺服电机，４个连杆（ＬＩ，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４）一端　通过虎克铰与滚珠丝杆副和滚动导轨的滑块相联，通过伺服电　机可驱动其沿导轨上下运动，另一端通过虎克铰与工具平台相　联㈦。　２．２机床运动控制的基本原理　由于虚拟轴机床运动的复杂性，使得机床运动控制算法成　为开发虚拟轴机床ＣＮＣ控制软件的技术难点之一。其中的虚实　３控制系统硬件设计　计算机控制系统与被控机床本体的结合体　称为数控机床，机床使用数控系统就可以实现　加工过程的自动化操作。虚拟轴数控机床的数　控系统一般由输入／输出装置、数控装置、驱动　控制装置、机床电器逻辑控制装置、测量反馈装　置等几个部分组成，机床本体为被控制对象，其　图２控制系统组成的一般形式　一般组成如图２所示　］。在数控系统的各装置中，输入装置将数控加工程序、机床参数等各种信息输入　数控装置，输出装置用于观察或监视输入内容及数控系统的工作状态。数控装置是数控系统的核心，它　的主要功能是：正确识别和解释数控加工程序，对解释结果进行各种数据计算和逻辑判断处理，完成各种　输入、输出任务。目前，大多采用计算机数控装置（ＣＮＣ装置），其数控功能由计算机硬件和软件共同完　成。　４控制系统软件设计　硬件和各功能程序的连接由数控系统的管理软件实现，它除了存储器管理和输入、输出管理外，还承　担各个过程的同步任务。管理软件分为不依赖于硬件的部分和依赖于硬件的部分。不依赖于硬件的管　理软件进行时间管理、任务管理、存储器管理、内部通信和同步控制；依赖于硬件的管理软件有外设驱动　管理和实时管理，前者负责数控系统外部设备的软件控制，如图形显示器、键盘和通信设备的控制，后者　负责中断管理和各种处理芯片管理等实时任务。数控系统硬件指各种外设和数控硬件（数据存储器、各　种处理芯片、Ｉ／Ｏ接口和驱动测量环电路等）。系统管理软件具有多任务处理能力，许多功能程序必须并　行执行，如数控加工程序预处理和插补处理，此外，还具有实时处理能力，具有较高优先权的任务将被及　时处理，它排挤了可能出现的具有较低优先权的任务，比如：从紧迫性来看，实时碰撞监测的优先权要比　数据显示任务的优先权高。通过实时能力对一些过程的外部事件可及时作出决定性反应，使系统处于安　全状态。在利用这一特点的同时，也考虑到数控系统研究开发的通用性和开放性的要求，ＣＮＣ系统软件　结构在设计上符合传统数控系统的大部分要求，如图３所示　Ｊ。　５　总结　虚拟轴驱动连续转动的机床可进行任意角度的加工，可加工具有复杂轮廓、型腔的工件和其它主轴　维普资讯 http://www.cqvip.com ８０　石家庄铁道学院学报（自然科学版）　第２１卷　译码　ｌ　。。。。。。。。。。。。。＿＿－●＿一　头无法加工的部位，具有五面体加工功能的万能　主轴头，可大大扩展数控机床的加工范围，提高数　功能代码ＩｌＰＬｃ程序ｌｌ图形程序　数　控　系　统　程　序　一、　控机床的使用价值。特别是这种虚拟轴直接驱动　技术，可避免采用精密弧齿锥齿轮副、精密蜗轮副　等难制造和精度维持寿命短的元件，可大大提高　机床的使用寿命。目前，随着汽车制造、航空航天　等工业的加快发展，对模具自由曲面的加工质量　和效率的要求越来越高，虚拟轴机床的研究正是　迎合了这一需要。虚拟轴技术是集运动学与动力　学理论、机械设计与制造技术、计算机硬件与软件　技术、控制理论、电动伺服随动技术、传感器技术、　人工智能理论等科学技术为一体的综合技术。因　此，上述技术方案实施后无论是在学术方面，还是　川具补偿Ｉ　＿・＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿．－＿＿＿＿＿＿＿＿＿一　　数控功能程序　时问　任务　管理　管理　储器　内部　理　通信　＿●＿●＿－＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿一速度处理ｌ　＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿．＿．＿＿．－－－－＿＿＿＿－－－●－●＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿一一　　捅补　ｌ　－．．．．＿．＿＿．＿．＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。。。。。。。。。。。一　。。‘’　位置控制Ｉ　－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－＿一　　实时管理软件　‘。。。。。。。。。。。１数据输入ｌ　中断管理　”管理ｌｌ外设管理ｌ　Ｌ—Ｉ／０处理　人机界面　数拎硬件，　种外设　检测诊断　图３　ＣＮＣ系统软件结构框图　在促进国民经济发展和国防建设方面都具有重要　意义　参　考　文　献　［１］郭涛，李斌．五坐标虚拟轴数控机床运动控制算法的研究［Ｊ］．华东理工大学学报，２０００，２８（３）：２２—２３．　［２］刘鸪然，黄晓宇．五坐标虚拟轴铣床刀具姿态及其六坐标联动［Ｊ］．机电工程技术，２００４，３３（１０）：５８－５９．　［３］刘晓刚．五坐标虚拟轴研抛机床开放式数控系统的研究［Ｄ］．长春：吉林大学机械制造及其自动化，２００７　［４］谢哲东．五坐标虚拟轴研抛机床数控系统的研究［Ｄ］．长春：吉林大学机械制造及其自动化，２００４．　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｋｅｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｖｉｒｔｕａｌ－ａｘｉｓ　Ｍａｃｈｉｎｅ　Ｔｏｏｌ　ｉｎ　ＮＣ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｇａｏ　Ｐｉｎｇ　（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ　Ｃｅｎｔｒｅ　ｏｆ　Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１００１９２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｖｉｒｔｕａｌ－ａｘｉｓ　ＮＣ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｔｏｏｌ　ｉｓ　ａ　ｈｉｇｈ　ｔｅｃｈ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｏｆ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｒｏｂｏｔ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｗｉｔｈ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｔｏｏｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｗｈｉｃｈ　ｈａｓ　ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｈｉｇｈ　ｒｉｇｉｄｉｔｙ，ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ，ｈｉｇｈ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ，　ｈｉｇｈ　ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ，ｈｉｇｈ　ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ，ｌａｒｇｅ　ｔｈｒｕｓｔ，ａｎｄ　ｌｉｇｈｔ　ｗｅｉｇｈｔ，ｅｔｃ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｃｏｎｔｅｎｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｖｉｒｔｕａｌ—ａｘｉｓ　ＮＣ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｔｏｏｌ，ｐｕｔｓ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｖｉｒｔｕａｌ—ａｘｉｓ　ＮＣ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｔｏｏｌ，ａｎｄ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓ　ｔｈｅ　ｓｉｇｎｉｉｃａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｉｒｅｃｔｆ　ｄｒｉｖｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｖｉｒｔｕａｌ　ａｘｉｓ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｔｏｏｌ；ＮＣ　ｓｙｓｔｅｍ；ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ　ｏｐｔｉｍｉｚｅ　（责任编辑车轩玉）