混合结构机床的介绍
文章讨论了用户使用混合结构机床直接铣削模具.以及使用覆盖轴的经验.文章所采用的信息采集于direktformgmbhfreiberg.该公司从2002年起使用两台metrom机床加工中等规格的铸造模具.两台metrom机床采用的都是混合结构.之所以采用混合结构和并联结构.是为了扩展五轴加工的加工空间.使其不受角度限制.并且在针对大工件加工时得到并联结构的更好的动态性能.
混合机href=/target=_blank>混合机构机床（hybridkinematicsmachines）:并联机床（pentapod,hexapod）和附加的线性或旋转轴的结合体.
覆盖轴（overlaidaxes）:物理存在的轴（线性或旋转轴）.或者并联于5轴机床的笛卡尔坐标系轴.或者执行旋转轴功能的轴.覆盖轴可以单独或同其他轴一起根据编程指令运动而不需要tcp特性转换.
图2:metrom混合结构机床p2000r
1.不同的机床概念
direktform公司的主要应用是铣削大规格的砂模.追求的目标是高速.并且精度可调整.metrom机床的大约加工范围是2m×2m×0.8m.*台机床（metromp2000l）的工作台安装在一个附加的线性轴（u轴）上.第二台机床配置了一个旋转工作台（b轴）.安装在一个线性轴（u轴）上.
2.混合结构机床对控制系统的要求
数据流和pkm附加模块
两种机床都配备置了基于pc的安德隆andronic2000数控系统.每套系统都通过一个附加的pkm处理器增强性能.请参照下面的结构简图.
andronic2000控制系统的数据流简图证实了用户对数控系统的基本功能的需求.从而可以得出.控制系统必须要满足下面的要求:
图3:附加模块数据流
数控系统必须具有常规数控系统的特性.如此.系统必须能够按笛卡尔坐标系编程.在几何坐标.刀具偏置.零点偏移.坐标旋转和固定循环等方面保持不变.
数控系统必须带有笛卡尔坐标系位置显示,执行名义和实际数值间的转换.
混合pkm-数控系统的数据流不能和笛卡尔坐标数控系统的数据流相冲突.
控制系统必须是一台高性能的cnc.并带有与插补循环时间独立的转换循环时间.
为了满足这些需要.pkm处理器（一个附加模块）被集成到与驱动的通讯之前.由此产生的结果是.刀具半径和刀具长度补偿.刀具偏移和旋转.笛卡尔坐标lookahead参数等功能可以同在传统的5轴机床上一样被使用.
pkm的接口设计可用来校准.分析超程限位和角度限制.pkm-look-ahead可按不同的点距.以及需要同时考虑的nc程序块的数量灵活地进行设定（取决于机床结构）.通常lookahead程序块的长度设定是2000.在有斜波特性比较平情况时.这个数值可以更高些.
笛卡尔和pkmlook-ahead
几何学特性
输入数据的质量:（粗糙线性g-代码的zui大允许偏差）
轮廓精度:（各轴独立的名义编程位置和平滑后轮廓的允许偏差）
轮廓平滑:（定义平滑时间使轴的特性平滑）
图4:混合轴的数据流和轨迹计算
动态特性
加速度:（各轴独立的限制和轮廓限制-减小轮廓内的实际加速度）
加速度变化率限制:（各轴独立的限制和轮廓限制-衰减zui大允许加速度变化）
在线名义值平滑
轮廓平滑时间常数:（插补器在考虑了轴的精度限制的基础上.平滑名义位置值的时间周期）
轮廓加速度
加速度时间常数:（2度多义线定义的轮廓内加速度变化的时间段）
冗余轴
实践经验表明处理“标准”数控系统的冗余轴或者叫覆盖轴是相对简单的.数控系统将冗余轴当作一根实际存在的轴处理.冗余轴按下述特性进行定义:
图5:正方形零件加工程序
线性或旋转轴
轴的速度.加速度和加速度变化率限制
其他各轴独立的look-ahead参数（比如.精度等）
在这种情形下.冗余轴的编程轨迹一般超过了nc程序块在速度定义时生成的轨迹.因而.这就导致了施加在工件上的速度有可能达不到编程速度.冗余轴的经验表明.这个问题的解决方法是:或者是在为机床5轴或6轴映射生成g代码时.或者是在在线传输时特殊考虑.
作为结果.引入冗余轴时需要考虑几何结构（软限位.等等）.各驱动独立的速度.加速度.加速度变化率等限制和各轴独立的look-ahead参数等各个方面的因素.
图6:预定义精度是500μm时在一个拐点的加速度变化率
图7:预定义精度是10μm时在一个拐点的加速度变化率
3.混合结构机床的加工编程
已经在使用的混合结构描述
nc编程通过使用常规的5轴cam程序实现.一个附加的工具软件用于映射nc轴到实际存在的.pkm的5个被叫做冗余轴或覆盖轴（u轴或b轴）的支柱.根据不同的混合机href=/target=_blank>混合机床结构类型和工件种类.可以选用不同的策略.
metrom机床.型号p2000l.带u轴:
机床的工作台位于一个附加的线性轴上（u轴）.与笛卡儿坐标系x-y平面内的y轴平行.在这里一个特殊的工具软件离线地完成冗余轴u轴的几何学上的分离和集合.它是一个几何的映射:（x,y,z,a,c）→（x,y′,z,a,c,u）
metrom机床.型号p2000r.带b轴和u轴:
机床的工作台位于一个附加的线性轴上（u轴）.这台机床的优势是能够使工作台以恒定的速度旋转.并通过并联结构的几个轴的运动产生工件的轮廓运动.
冗余轴的编程策略
当考虑pkm和冗余轴的动态特性时.可得到下面的特性:
pkm轴:短运行距离.高或中等速度.高的加速度和加速度变化率.
冗余轴:长的运行距离.高或中等速度.较小的加速度和加速度变化率.
当这些特性同信号处理技术一起考虑的时候.你可以看到一个很简单但有效的区分这两种系统的方法:pkm轴适用于较高的频率.冗余轴适用于较低的频率.
图8:不同轮廓精度下的轨迹曲线
图9:带车铣轴的并联运动
除了上面这些.还需要一个新的标准.定义一个轴系统的平均追踪目标函数.口头上说这个标准表示.pkm单元应该总是追踪轴系统中的一个“中间的”或者中心位置.在需要线性冗余轴和三维路径的时候.这个标准的定义就简单了.中心位置是根据到并联机构中工作空间的距离相同来定义.
5轴运动以及从线性冗余轴到旋转冗余轴的转换.使定义中心位置变的极其复杂.接下来的数字表明了信号和数据流走向:
在给冗余轴分段的时候必须要考虑下面的方面:
筛选的基础是时间.在pkmlookahead设定结束后.路径运动的正确的时间首先就知道了.但是基于这种考虑.需要先得到路径分段的结果.如果lookahead的计算需要在pkm的能力之内的话.这个重要的问题可以通过一个行之有效的方式来解决.下一段的例子示范了这种方法的适宜性.
过滤过程不仅制回溯信息.还需要考虑随之而来的或未来产生的数值.否则会产生一个未预知的“跟随误差”.因为运算的数据在传送途径里优先选择处理.这个过程是在离线的状态下完成的.从现实的角度选择.第2个“look-ahead-horizon”应该被集成到cnc的数据流里.
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覆盖轴（overlaidaxes）:物理存在的轴（线性或旋转轴）.或者并联于5轴机床的笛卡尔坐标系轴.或者执行旋转轴功能的轴.覆盖轴可以单独或同其他轴一起根据编程指令运动而不需要tcp特性转换.
图2:metrom混合结构机床p2000r
1.不同的机床概念
direktform公司的主要应用是铣削大规格的砂模.追求的目标是高速.并且精度可调整.metrom机床的大约加工范围是2m×2m×0.8m.*台机床（metromp2000l）的工作台安装在一个附加的线性轴（u轴）上.第二台机床配置了一个旋转工作台（b轴）.安装在一个线性轴（u轴）上.
2.混合结构机床对控制系统的要求
数据流和pkm附加模块
两种机床都配备置了基于pc的安德隆andronic2000数控系统.每套系统都通过一个附加的pkm处理器增强性能.请参照下面的结构简图.
andronic2000控制系统的数据流简图证实了用户对数控系统的基本功能的需求.从而可以得出.控制系统必须要满足下面的要求:
图3:附加模块数据流
数控系统必须具有常规数控系统的特性.如此.系统必须能够按笛卡尔坐标系编程.在几何坐标.刀具偏置.零点偏移.坐标旋转和固定循环等方面保持不变.
数控系统必须带有笛卡尔坐标系位置显示,执行名义和实际数值间的转换.
混合pkm-数控系统的数据流不能和笛卡尔坐标数控系统的数据流相冲突.
控制系统必须是一台高性能的cnc.并带有与插补循环时间独立的转换循环时间.
为了满足这些需要.pkm处理器（一个附加模块）被集成到与驱动的通讯之前.由此产生的结果是.刀具半径和刀具长度补偿.刀具偏移和旋转.笛卡尔坐标lookahead参数等功能可以同在传统的5轴机床上一样被使用.
pkm的接口设计可用来校准.分析超程限位和角度限制.pkm-look-ahead可按不同的点距.以及需要同时考虑的nc程序块的数量灵活地进行设定（取决于机床结构）.通常lookahead程序块的长度设定是2000.在有斜波特性比较平情况时.这个数值可以更高些.
笛卡尔和pkmlook-ahead
几何学特性
输入数据的质量:（粗糙线性g-代码的zui大允许偏差）
轮廓精度:（各轴独立的名义编程位置和平滑后轮廓的允许偏差）
轮廓平滑:（定义平滑时间使轴的特性平滑）
图4:混合轴的数据流和轨迹计算
动态特性
加速度:（各轴独立的限制和轮廓限制-减小轮廓内的实际加速度）
加速度变化率限制:（各轴独立的限制和轮廓限制-衰减zui大允许加速度变化）
在线名义值平滑
轮廓平滑时间常数:（插补器在考虑了轴的精度限制的基础上.平滑名义位置值的时间周期）
轮廓加速度
加速度时间常数:（2度多义线定义的轮廓内加速度变化的时间段）
冗余轴
实践经验表明处理“标准”数控系统的冗余轴或者叫覆盖轴是相对简单的.数控系统将冗余轴当作一根实际存在的轴处理.冗余轴按下述特性进行定义:
图5:正方形零件加工程序
线性或旋转轴
轴的速度.加速度和加速度变化率限制
其他各轴独立的look-ahead参数（比如.精度等）
在这种情形下.冗余轴的编程轨迹一般超过了nc程序块在速度定义时生成的轨迹.因而.这就导致了施加在工件上的速度有可能达不到编程速度.冗余轴的经验表明.这个问题的解决方法是:或者是在为机床5轴或6轴映射生成g代码时.或者是在在线传输时特殊考虑.
作为结果.引入冗余轴时需要考虑几何结构（软限位.等等）.各驱动独立的速度.加速度.加速度变化率等限制和各轴独立的look-ahead参数等各个方面的因素.
图6:预定义精度是500μm时在一个拐点的加速度变化率
图7:预定义精度是10μm时在一个拐点的加速度变化率
3.混合结构机床的加工编程
已经在使用的混合结构描述
nc编程通过使用常规的5轴cam程序实现.一个附加的工具软件用于映射nc轴到实际存在的.pkm的5个被叫做冗余轴或覆盖轴（u轴或b轴）的支柱.根据不同的混合机href=/target=_blank>混合机床结构类型和工件种类.可以选用不同的策略.
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机床的工作台位于一个附加的线性轴上（u轴）.与笛卡儿坐标系x-y平面内的y轴平行.在这里一个特殊的工具软件离线地完成冗余轴u轴的几何学上的分离和集合.它是一个几何的映射:（x,y,z,a,c）→（x,y′,z,a,c,u）
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机床的工作台位于一个附加的线性轴上（u轴）.这台机床的优势是能够使工作台以恒定的速度旋转.并通过并联结构的几个轴的运动产生工件的轮廓运动.
冗余轴的编程策略
当考虑pkm和冗余轴的动态特性时.可得到下面的特性:
pkm轴:短运行距离.高或中等速度.高的加速度和加速度变化率.
冗余轴:长的运行距离.高或中等速度.较小的加速度和加速度变化率.
当这些特性同信号处理技术一起考虑的时候.你可以看到一个很简单但有效的区分这两种系统的方法:pkm轴适用于较高的频率.冗余轴适用于较低的频率.
图8:不同轮廓精度下的轨迹曲线
图9:带车铣轴的并联运动
除了上面这些.还需要一个新的标准.定义一个轴系统的平均追踪目标函数.口头上说这个标准表示.pkm单元应该总是追踪轴系统中的一个“中间的”或者中心位置.在需要线性冗余轴和三维路径的时候.这个标准的定义就简单了.中心位置是根据到并联机构中工作空间的距离相同来定义.
5轴运动以及从线性冗余轴到旋转冗余轴的转换.使定义中心位置变的极其复杂.接下来的数字表明了信号和数据流走向:
在给冗余轴分段的时候必须要考虑下面的方面:
筛选的基础是时间.在pkmlookahead设定结束后.路径运动的正确的时间首先就知道了.但是基于这种考虑.需要先得到路径分段的结果.如果lookahead的计算需要在pkm的能力之内的话.这个重要的问题可以通过一个行之有效的方式来解决.下一段的例子示范了这种方法的适宜性.
过滤过程不仅制回溯信息.还需要考虑随之而来的或未来产生的数值.否则会产生一个未预知的“跟随误差”.因为运算的数据在传送途径里优先选择处理.这个过程是在离线的状态下完成的.从现实的角度选择.第2个“look-ahead-horizon”应该被集成到cnc的数据流里.
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