• 混合機構(gòu)機床(Hybrid kinematics machines)：并聯(lián)機床(Pentapod, Hexapod)和附加的線性或旋轉(zhuǎn)軸的結(jié)合體。
• 覆蓋軸(Overlaid axes)：物理存在的軸(線性或旋轉(zhuǎn)軸)，或者并聯(lián)于5軸機床的笛卡爾坐標系軸，或者執(zhí)行旋轉(zhuǎn)軸功能的軸。覆蓋軸可以單獨或同其他軸一起根據(jù)編程指令運動而不需要TCP特性轉(zhuǎn)換。

圖2：Metrom混合結(jié)構(gòu)機床P2000 R

1.不同的機床概念

2.混合結(jié)構(gòu)機床對控制系統(tǒng)的要求

1. 數(shù)據(jù)流和PKM附加模塊
   兩種機床都配備置了基于PC的安德隆andronic 2000數(shù)控系統(tǒng)。每套系統(tǒng)都通過一個附加的PKM處理器增強性能，請參照下面的結(jié)構(gòu)簡圖。
   andronic 2000 控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流簡圖證實了用戶對數(shù)控系統(tǒng)的基本功能的需求。從而可以得出，控制系統(tǒng)必須要滿足下面的要求：
   圖 3：附加模塊數(shù)據(jù)流
   數(shù)控系統(tǒng)必須具有常規(guī)數(shù)控系統(tǒng)的特性。如此，系統(tǒng)必須能夠按笛卡爾坐標系編程，在幾何坐標、刀具偏置、零點偏移、坐標旋轉(zhuǎn)和固定循環(huán)等方面保持不變。
   數(shù)控系統(tǒng)必須帶有笛卡爾坐標系位置顯示；執(zhí)行名義和實際數(shù)值間的轉(zhuǎn)換。
   混合PKM-數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流不能和笛卡爾坐標數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流相沖突。
   控制系統(tǒng)必須是一臺高性能的CNC，并帶有與插補循環(huán)時間獨立的轉(zhuǎn)換循環(huán)時間。
   為了滿足這些需要。PKM處理器(一個附加模塊)被集成到與驅(qū)動的通訊之前。由此產(chǎn)生的結(jié)果是，刀具半徑和刀具長度補償，刀具偏移和旋轉(zhuǎn)，笛卡爾坐標Look Ahead參數(shù)等功能可以同在傳統(tǒng)的5軸機床上一樣被使用。
   PKM的接口設計可用來校準、分析超程限位和角度限制。PKM-look-ahead可按不同的點距，以及需要同時考慮的NC程序塊的數(shù)量靈活地進行設定(取決于機床結(jié)構(gòu))。通常Look ahead程序塊的長度設定是2000。在有斜波特性比較平情況時，這個數(shù)值可以更高些。
2. 笛卡爾和PKM Look-ahead
   • 幾何學特性
     • 輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量：(粗糙線性G-代碼的最大允許偏差)
     • 輪廓精度：(各軸獨立的名義編程位置和平滑后輪廓的允許偏差)
     • 輪廓平滑：(定義平滑時間使軸的特性平滑)
     
     圖4：混合軸的數(shù)據(jù)流和軌跡計算
   • 動態(tài)特性
     #p#分頁標題#e#
     • 加速度：(各軸獨立的限制和輪廓限制-減小輪廓內(nèi)的實際加速度)
     • 加速度變化率限制：(各軸獨立的限制和輪廓限制-衰減最大允許加速度變化)
   • 在線名義值平滑
     • 輪廓平滑時間常數(shù)：(插補器在考慮了軸的精度限制的基礎上，平滑名義位置值的時間周期)
     • 輪廓加速度
     • 加速度時間常數(shù)：(2度多義線定義的輪廓內(nèi)加速度變化的時間段)
3. 冗余軸
   實踐經(jīng)驗表明處理“標準”數(shù)控系統(tǒng)的冗余軸或者叫覆蓋軸是相對簡單的。數(shù)控系統(tǒng)將冗余軸當作一根實際存在的軸處理。冗余軸按下述特性進行定義：
   
   圖5：正方形零件加工程序

   • 線性或旋轉(zhuǎn)軸
   • 軸的速度、加速度和加速度變化率限制
   • 其他各軸獨立的Look-ahead參數(shù)(比如，精度等)
   在這種情形下，冗余軸的編程軌跡一般超過了NC程序塊在速度定義時生成的軌跡。因而，這就導致了施加在工件上的速度有可能達不到編程速度。冗余軸的經(jīng)驗表明，這個問題的解決方法是：或者是在為機床5軸或6軸映射生成G代碼時，或者是在在線傳輸時特殊考慮。
   作為結(jié)果，引入冗余軸時需要考慮幾何結(jié)構(gòu)(軟限位，等等)，各驅(qū)動獨立的速度、加速度、加速度變化率等限制和各軸獨立的Look-ahead參數(shù)等各個方面的因素。

圖6：預定義精度是500μm時在一個拐點的加速度變化率

圖7：預定義精度是10μm時在一個拐點的加速度變化率

3.混合結(jié)構(gòu)機床的加工編程

1. 已經(jīng)在使用的混合結(jié)構(gòu)描述
   NC編程通過使用常規(guī)的5軸CAM程序?qū)崿F(xiàn)。一個附加的工具軟件用于映射NC軸到實際存在的、PKM的5個被叫做冗余軸或覆蓋軸(U軸或B軸)的支柱。根據(jù)不同的混合機床結(jié)構(gòu)類型和工件種類，可以選用不同的策略。

   • METROM機床，型號P2000L，帶U軸：
     機床的工作臺位于一個附加的線性軸上(U軸)，與笛卡兒坐標系X-Y平面內(nèi)的Y軸平行。在這里一個特殊的工具軟件離線地完成冗余軸U軸的幾何學上的分離和集合。它是一個幾何的映射：(X, Y, Z, A, C) → (X, Y′, Z, A, C, U)
     
   • METROM機床，型號P2000R，帶B軸和U軸：
     機床的工作臺位于一個附加的線性軸上(U軸)。這臺機床的優(yōu)勢是能夠使工作臺以恒定的速度旋轉(zhuǎn)，并通過并聯(lián)結(jié)構(gòu)的幾個軸的運動產(chǎn)生工件的輪廓運動。
2. 冗余軸的編程策略
   當考慮PKM和冗余軸的動態(tài)特性時，可得到下面的特性：

   • PKM軸：短運行距離，高或中等速度，高的加速度和加速度變化率。
   • 冗余軸：長的運行距離，高或中等速度，較小的加速度和加速度變化率。
   當這些特性同信號處理技術(shù)一起考慮的時候，你可以看到一個很簡單但有效的區(qū)分這兩種系統(tǒng)的方法： PKM軸適用于較高的頻率，冗余軸適用于較低的頻率。
   
   圖8：不同輪廓精度下的軌跡曲線
   圖9：帶車銑軸的并聯(lián)運動
   除了上面這些，還需要一個新的標準，定義一個軸系統(tǒng)的平均追蹤目標函數(shù)。口頭上說這個標準表示，PKM單元應該總是追蹤軸系統(tǒng)中的一個“中間的”或者中心位置。在需要線性冗余軸和三維路徑的時候，這個標準的定義就簡單了。中心位置是根據(jù)到并聯(lián)機構(gòu)中工作空間的距離相同來定義。
   5軸運動以及從線性冗余軸到旋轉(zhuǎn)冗余軸的轉(zhuǎn)換，使定義中心位置變的極其復雜。接下來的數(shù)字表明了信號和數(shù)據(jù)流走向：
   在給冗余軸分段的時候必須要考慮下面的方面：

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   • 篩選的基礎是時間。在PKM Look Ahead設定結(jié)束后，路徑運動的正確的時間首先就知道了。但是基于這種考慮，需要先得到路徑分段的結(jié)果。如果Look Ahead的計算需要在PKM的能力之內(nèi)的話，這個重要的問題可以通過一個行之有效的方式來解決。下一段的例子示范了這種方法的適宜性。
   • 過濾過程不僅僅限制回溯信息，還需要考慮隨之而來的或未來產(chǎn)生的數(shù)值，否則會產(chǎn)生一個未預知的“跟隨誤差”。因為運算的數(shù)據(jù)在傳送途徑里優(yōu)先選擇處理，這個過程是在離線的狀態(tài)下完成的。從現(xiàn)實的角度選擇，第2個“Look-ahead-horizon”應該被集成到CNC的數(shù)據(jù)流里。

4.應用示例

1. 問題
   G代碼中的銑削路徑是一個邊長為2000mm的正方形，其是一個加工面積為2000mm×2000mm的工件程序的子集。
   混合結(jié)構(gòu)包括了動態(tài)的5-構(gòu)件PKM(Pentapod)和具有更弱的加速度特性的旋轉(zhuǎn)工作臺。因為這個原因，旋轉(zhuǎn)工作臺應該在加工過程中盡可能勻速的轉(zhuǎn)動。每個位置的加速度，特別是在平面的各個角的位置，需要從PKM單元得出。
   G代碼的產(chǎn)生和選定的機床無關。G代碼中使用的軸參考工件的軸。我們假定一個非常簡單的條件，就是Z軸位置不變。工件程序有可能包括下述說明：
   
   圖10：PKM的有效運動空間擴大了
   圖11：在一個拐點處的X/Y軸的加速度變化率
   從這個簡單的程序開始，冗余軸運動的自動生成過程開始了。結(jié)果我們得到另一個G代碼程序，帶有所有的軸數(shù)據(jù)，只不過每個數(shù)據(jù)段都補充了旋轉(zhuǎn)軸(B軸)的坐標位置。注意。如果哪里存在間隔很長的點，哪里就插入了插補點。
   隨后的圖表顯示出了兩種不同精度定義的結(jié)果。路徑偏差最初是500μm，隨后是10μm。加速度和加速度變化率保持不變。
2. 在整個工件范圍內(nèi)的高動態(tài)特性的路徑計算
   最初假定PKM單元可以在整個工件范圍內(nèi)達到理想的動態(tài)特性。根據(jù)該假定，帶來了隨后的速度、加速度和加速度變化率曲線形狀。
   預定義的輪廓精度對速度曲線、加速度和加速度變化率有很大的影響。為了比較，下面一個圖表顯示了如果允許輪廓精度從500μm減小到10 μm時帶來的加速度變化率的變化。
   隨著需要達到的精度的不同，工件的路徑以不同的方式平滑。圖顯示了兩種不同輪廓精度下的名義位置路線。在圓點位置你能夠清楚地看到該點的斜波特性，因為所有的點具有相同的時間間隔，同SERCOS伺服驅(qū)動的循環(huán)時間一致。
3. 4.3.旋轉(zhuǎn)、冗余軸的考慮
   到目前為止，過程中還沒有包括冗余軸。因為有Look-ahead運算的結(jié)果，冗余軸的位置值可分配到每一個輪廓點。最簡單的辦法是計算整個循環(huán)的全部時間，除以該提前定義的旋轉(zhuǎn)軸以一個不變的速度需要移動的距離，從而得到不同時刻的位置。使用過濾策略是更靈活的一個辦法。這樣旋轉(zhuǎn)工作臺的速度僅僅速度發(fā)生低頻變化。
   接下來的數(shù)字表明了當執(zhí)行邊長為2000mm的正方形時并聯(lián)機構(gòu)的運動(即PKM的軌線)。按照工件坐標系，得到了精確的輪廓，包括準確的時間。除了開始和結(jié)束輪廓時以外，旋轉(zhuǎn)軸勻速旋轉(zhuǎn)。
   下面的圖表證明了PKM的有效運動的提高。預設定的輪廓精度是10 μm。軌跡的左段和右段因為加減速度而產(chǎn)生。經(jīng)過與幾個旋轉(zhuǎn)軸恒速度的旋轉(zhuǎn)運動的串聯(lián)，只有內(nèi)部圓弧被執(zhí)行。
   在“Jerk PKM”的數(shù)據(jù)里，可以發(fā)現(xiàn)PKM的加速度變化率-拐角被平滑了。這在隨之發(fā)生的相對于機床坐標系的加速度變化率值中同樣能夠體現(xiàn)。
4. 實例評估
   帶連續(xù)旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)軸控制的混合機構(gòu)使我們能夠處理在2000mm×2000mm范圍內(nèi)的所有位置的加速度和加速度變化率動態(tài)特性。如果旋轉(zhuǎn)軸的最大允許旋轉(zhuǎn)速度太小或者最大線速度是按直線或者較軟的彎來設定的，有可能會達到限制值。另一個優(yōu)勢就是加速度和加速度變化率的有效值不再會達到極限了。
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