專利名稱：五桿五環(huán)并聯(lián)運動機(jī)床加工的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)床加工的控制方法，特別涉及一種五桿五環(huán)并 聯(lián)運動機(jī)床加工的控制方法。
背景技術(shù)：
并聯(lián)運動機(jī)床，又稱虛擬軸機(jī)床，在國內(nèi)外的發(fā)展歷程將近十年， 并聯(lián)運動機(jī)構(gòu)大多為六桿和三桿。用五桿完全并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為并聯(lián)機(jī)床 很少出現(xiàn)，本發(fā)明研究的對象正是五桿五環(huán)并聯(lián)運動機(jī)床。
五桿五環(huán)并聯(lián)機(jī)構(gòu)是德國Michael Schwaar博士在2001年提出 的，相對其他類型的并聯(lián)運動機(jī)床具有其特殊性，如圖1所示。以往 的并聯(lián)機(jī)床，無論是傳統(tǒng)的Stewart六桿機(jī)構(gòu)，還是后來發(fā)展的混聯(lián) 機(jī)床中的三桿機(jī)構(gòu)，桿件和動平臺的鉸接點總是分布在二層平面上， 而本發(fā)明五桿五環(huán)并聯(lián)運動機(jī)床的構(gòu)型是五桿控制五個層面，五個控 制面中心共一線，而且動平臺(主軸)上用五個轉(zhuǎn)環(huán)替代固定安裝的 約束鉸鏈，約束鉸鏈的位置由傳統(tǒng)中的已知(固定)變?yōu)槲粗?瞬時 轉(zhuǎn)動)，因此它的運動學(xué)解法用常規(guī)算法難以奏效。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是要提供一種五桿五環(huán)并聯(lián)運動機(jī) 床加工的控制方法，該控制方法是該種并聯(lián)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)核部 分，其控制模型將五桿五環(huán)并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)、刀具尺寸和被加 工工件表面的數(shù)學(xué)模型形成一一對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，從理論上適應(yīng)任何 復(fù)雜曲面，不同于其它機(jī)床對復(fù)雜曲面采用的擬合算法，極大程度減 少了誤差。
4為了解決以上的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種五桿五環(huán)并聯(lián)運動 機(jī)床加工的控制方法，該五桿五環(huán)并聯(lián)運動機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)是由運動
控制卡分別與上位PC機(jī)、伺服控制系統(tǒng)雙向連接，該控制方法包括
如下的步驟
(1) 建立控制模型，該控制模型將五桿五環(huán)并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)、刀 具尺寸和被加工工件表面的數(shù)學(xué)模型形成一一對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，獲得 桿長函數(shù)；
(2) 上位PC機(jī)將五根桿長函數(shù)寫入運動控制卡；
(3) 在運動控制卡中根據(jù)走刀速度設(shè)置電子凸輪的旋轉(zhuǎn)速度；
(4) 運動控制卡輸出控制信號至伺服控制系統(tǒng)，控制機(jī)床進(jìn)行加工。
所述的建立控制模型，該控制模型將五桿五環(huán)并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)幾何 參數(shù)、刀具尺寸和被加工工件表面的數(shù)學(xué)模型形成一一對應(yīng)的函數(shù)關(guān) 系，獲得桿長函數(shù)的步驟是-
① 獲取五桿五環(huán)并聯(lián)機(jī)床的結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)；被加工工件表面的數(shù)學(xué)模 型；
② 由被加工工件表面的數(shù)學(xué)模型獲取刀具軸線的姿態(tài)矢量，由刀具尺 寸獲取刀頭點的位置矢量；
③ 桿長公式獲得
如圖2所示，pqrl是取五個支鏈中任一單支鏈，桿長即求解rL
已知條件如下其中，m=l， 2， 3， 4， 5------桿的序號
X, Y, Z------刀頭點的位置；
A， B， C------刀具軸線的姿態(tài)；
Xln, Ylm， ZlB-----五桿件連于機(jī)架的鉸接點位置
IB=(1—A2) (XlB—X) —AB(Ylm—Y) —AC(Zln—Z) Jffl=—AB(X^—X) + (1—B2) (Yh—Y)—BC (Zlm—Z) Km=—AC (XlB—X)—BC(YlB—Y) + (A2+B2) (ZB—Z)
④ 將桿長公式歸結(jié)為桿件伸縮基于時間函數(shù)
將基于時間的數(shù)控加工插補公式代入桿長公式:
Lffl= ln (X， Y， Z， A, B) = 1 [x(time)， y(time)， z(time)， a (time), b(time)]
⑤ 建立每一時間瞬時同步與協(xié)調(diào)
在運動控制卡中設(shè)置第六根虛擬軸，五根驅(qū)動桿的每個對應(yīng)的插 補點由一根虛擬軸同步與協(xié)調(diào)，相當(dāng)于機(jī)械式的凸輪組主軸的勻速旋 轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)速度決定五根驅(qū)動桿的同步速度，因此機(jī)床的走刀速度也可 由虛擬軸的旋轉(zhuǎn)速度決定。如圖4所示，第六根虛擬軸以角速度co 旋轉(zhuǎn)，五根驅(qū)動桿各自伸縮曲線不同，但五根驅(qū)動桿每一瞬時對應(yīng)的 插補點和虛擬軸運行斜線上的瞬時點是一一對應(yīng)的。 本發(fā)明的優(yōu)越功效在于
1. 本發(fā)明根據(jù)數(shù)學(xué)和力學(xué)原理，提供了控制五桿五環(huán)并聯(lián)機(jī)床 桿長變化的控制模型，該控制模型將空間交錯矢量的求解問題轉(zhuǎn)化為 平面矢量的求解問題，簡化了運算過程，有利于提高加工時的插補速 度；
2. 控制模型桿長變化直接和被加工工件表面的數(shù)學(xué)模型形成一 一對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，從理論上適應(yīng)任何復(fù)雜曲面，不同于其它機(jī)床對
6復(fù)雜曲面采用的擬合算法，極大程度減少誤差；
3.在運動控制卡中設(shè)置第六根虛擬軸，用電子凸輪代替凸輪功 能，不但解決了五根驅(qū)動桿的每個對應(yīng)的插補點同步，同時解決了五 根驅(qū)動桿的速度對應(yīng)。
圖1為本發(fā)明五桿五環(huán)并聯(lián)機(jī)床的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為桿長公式的矢量法求解示意圖； 圖3為本發(fā)明控制模型的電路原理框圖4為五凸輪聯(lián)動凸輪組及其推桿的位置一時間函數(shù)示意圖； 圖5A為本發(fā)明五桿五環(huán)并聯(lián)機(jī)床實體模型坐標(biāo)系示意圖； 圖5B為動平臺(機(jī)床主軸)在動坐標(biāo)系中的投影圖； 圖5C為靜平臺在靜坐標(biāo)系中的投影圖。
具體實施例方式
請參閱附圖所示，對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
如圖3所示，本發(fā)明提供了一種五桿五環(huán)并聯(lián)運動機(jī)床加工的控 制方法，該五桿五環(huán)并聯(lián)運動機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)是由運動控制卡分別與 上位PC機(jī)、伺服控制系統(tǒng)雙向連接。該控制方法包括如下的步驟
(l)建立控制模型，該控制模型將五桿五環(huán)并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)、刀 具尺寸和被加工工件表面的數(shù)學(xué)模型形成一一對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，如圖
2所示，獲得桿長函數(shù)；
結(jié)合圖5A、圖5B和圖5C介紹本發(fā)明具體實施，結(jié)構(gòu)尺寸包括動 平臺半徑X，桿件固聯(lián)機(jī)架的e,點，2,(BcosA,BsinA,Z/mf;每個 環(huán)到動坐標(biāo)系x' -y''面的距離Hm。
根據(jù)實體模型中的結(jié)構(gòu)尺寸，確定出了常量，結(jié)構(gòu)尺寸簡圖如圖5A所示。表示如下
= 123.87
Q坐標(biāo)，(472.98，—273.07,1444.92) ; Hl=330;
込坐標(biāo)，(630'03,363.75，900); H2=25;
込坐標(biāo)，(0，510.09,1444.92); H3 =170;
24坐標(biāo)，(—630.03,363.75，900); H4 =75;
a坐標(biāo)，(-472.98,—273.07，1444.92); H5 二250;
由Q點坐標(biāo)可得A —萬cosA，Bsin/ ,，0f的坐標(biāo)，以相對應(yīng)字母代
入
B產(chǎn)(Xll， Yll，0):=(472.98， -273.07， 0)
B2= (X12， Y12，0)=(630.03,363. 75， 0)
B3= (X13， Y13，0 )=(0,510.09,0)
B4= (X14， Y14，0)=(-630.03,363.75,0)
B5= (X15， Y15，0)=(-472.98，-273. 07,0)
Zll =1444.92
Z12 =900
Z13 =1444. 92
Z14 =900
Z15 =1444. 92
將Xlm， Ylm. Zlm，Hm， R的常量代入L，
("，x。,；;o，Zo)
顯然，桿長數(shù)學(xué)模型中未知參數(shù)只有4Ax。，％,z。，這五個參數(shù)是 從被加工表面直接獲得的，數(shù)學(xué)模型表達(dá)為桿長和加工表面數(shù)學(xué)方程 之間的函數(shù)關(guān)系。這時桿長數(shù)學(xué)模型也由通項變?yōu)獒槍唧w結(jié)構(gòu)可直 接應(yīng)用的桿長數(shù)學(xué)模型，如以下的桿長數(shù)學(xué)模型。舉例為了使主軸刀尖在XOY平面上加工一個圓心在(-100， 0，
0)的圓，圓方程組如下(主軸在XOY平面上加工，和X和Y軸分別
垂直，A等于B為二分之一J1)。
';c。 = 100 x COS("me) -100 < y0 =100x57，.— z0=0
(2)上位PC機(jī)用MATLAB軟件算出五根桿長函數(shù) L1二SQRT((472. 98-(100XCOS (time)-100)-123. 87 X (472. 98-(100X COS(time) -100)) /SQRT((-273. 07-100X SIN(time)) X(-273.07-100 X SIN(time)) + (472. 98- (100 X COS (time) -100)) X (472. 98- (100 X C OS(time)-100)))) X (472. 98-(100XC0S(time)-100)-123. 87X (472 .98- (100 X COS (time) -100)) /SQRT ((-273. 07-100 X SIN(time)) X (-273. 07-100 XSIN(time)) + (472. 98-(100 XCOS(time)-100)) X (472. 98- (100 X COS (time) -100)))) + (-273. 07-100 X SIN (time) -123. 87 X (-273. 07—100XSIN(time))/SQRT((-273. 07-100XSIN(time)) X (-2 73. 07-100 X SIN (time)) + (472, 98- (100 X COS (time) -100)) X (472. 9 8-(100XCOS(time)-100)))) X (-273. 07-100 X SIN (time)-123. 87 X (-273.07-100 XSIN(time))/SQRT((-273. 07-100 X SIN(time)) X(-2 73. 07-100 X SIN (time)) + (472. 98- (100 X COS (t ime) -100)) X (472. 9 8- (100 X COS (time) -100)))) +664094. 6064) -917. 83 L2=SQRT ((630. 03- (100 X COS (time) -100) -123. 87 X (630. 03- (100 X COS(time)-100))/SQRT((363. 75-100XSIN(time))X (363. 75-100X SIN (time)) + (630. 03- (100 X COS (time) -100)) X (630. 03- (100 X COS (time) -100)))) X (630. 03- (100 X COS (time) -100) -123. 87 X (630. 0 3-(100XC0S(time)-100))/SQRT((363. 75-100XSIN(time)) X (363. 75-100 X SIN (time)) + (630. 03- (100 X COS (time) -100)) X (630. 03-(
9)X ((001- (9，) S03X001) -SO '0S9-) + ((呵"NIS XOOI-S丄.S9S) X ((9ui卩)NIS X 001—SZ 'S9S))丄HOS/ ((001—(柳卩)S(XD X 001) —￡0 .0S9-) X丄8 'MI- (OOI-(9in卩)SCOX001)-SO '0S9-) X ((((001-S03X 00T)-S0 .0S9-) X ((00I-(柳卩)S03X001)-S0 '0￡9-) + ((9mT"NISX 001-S丄'S9S) X ((柳卩)NIS X 001-S丄.S9S))丄奶S/ ((001-(抓卩)S03 X 001) -S0 '0S9-) X Z8 'SSI- (001-S03 X 001) -S0 '0S9-))工奶S二F1
S9'8M)1-(的00'6訴0S6+(
(((ooi-(孤n)scox001)-) x ((ooi-(濕p)so:)xooi)-)+((孤n)虹
SX001-60 '0IS) X (NIS X001-60 '0IS)) 1HC)S/ ((9mP)MISX00 1-60 .OIS) XZ8 .SSI-(柳T1)NISX001-60 .OIS) X ((((001-(柳T"S(D X00I)-) X ((001-(3可"S(X)X001)-) +((3可"NISX001-60 'OIS) X ((柳卩)MISX 001-60 '0IS))工H0S/ ((狐卩)NISX001-60 '0IS) X丄8 (9ui卩)NISX001-60 .OIS) + ((((00T-?？?SOOX001)-) X ((001-(9嗎:;)S03X001)-) + ((柳卩)虹SX00I-60 'OIS) X ((狐卩)NISX001-60 .OIS))工奶S/ ((001-(柳卩)S00X001)-) X Z8 .￡『(001-(柳口) S03 X00T)-) X ((((00I-(e冚卩)S03X001)-) X ((00I-(9m卩)SOOXO0I)-)+ ((3嗎"NIS X 001-60 'OIS) X ((3可"NISX 001-60 '0IS))丄奶S/ ((0 OT-(孤T" SCD X 001) —) X丄8 (001-(孤T" SOO X 001) -)) >wos=n
99 卿OSS十((((001-(呵； )SCO X 001) -￡0 .0S9) X ((001-(孤卩)S(X) X 001) -SO .0￡9) + ((柳卩)NI SX00I-SZ .￡9S) X ((auip)NISX001-SZ .S9S))丄奶S/((9iu卩)NISX00 .S9S) X丄8 .Wl-(孤n)NISXOOI-SZ X9S) X ((((001-(鄉(xiāng)卩)S(D XOOI)-￡0 .0S9) X ((OO卜(柳卩)S(X)X001)-￡0 '0S9) + ((孤卩)NISX0 OI-SZ .S9S) X ((3ui卩)NISX001-S丄.S9S))丄勸S/((柳卩)NISX001-S丄 X丄8(9冚P)NISX001-SZ .￡9S) + ((((00I—(s^WSOOXOOI
雖8/Z惠法g)改
8 '柳e;sooi60oz-630. 03-(100XCOS(time)-100)))) + (363. 75-100XSIN(time)-123. 87 X (363. 75-100XSIN(time))/SQRT((363. 75-100 X SIN (time)) X ( 363. 75—100XSIN(time)) + (—630. 03-(100XCOS(time)—100)) X (-63 0. 03- (100 XCOS (time) -100)))) X (363. 75-100 X SIN(time) —123. 87 X (363. 75-100XSIN(time))/SQRT((363. 75-100XSIN(time)) X (36 3. 75-100 X SIN (time)) + (-630. 03- (100 X COS (time) -100)) X (-630. 03-(100 XCOS(time)-100))))+275625)-799. 99 L5二SQRT((-472. 98-(100XCOS(time)-100)-123. 87X(-472.98-(100 XCOS(time)-100))/SQRT((-273.07-100XSIN(time)) X (-273. 07-1 00 X SIN (time)) + (-472. 98- (100 X COS (time) -100)) X (-472. 98- (10 0 X COS (time) -100)))) X (-472. 98- (100 X COS (time) -100) -123. 87 X (-472. 98- (100 XCOS (time) -100)) /SQRT ((-273. 07-100 X SIN(tim e)) X (-273. 07-100XSIN(time)) + (-472.98-(lOOXCOS(time)-lOO) )X (-472.98-(100XCOS(time)-100)))) + (-273. 07-100 XSIN(time) -123. 87 X (-273. 07-100 X SIN (time)) /SQRT ((-273. 07-100 X SIN(t i me)) X(-273. 07-100XSIN(time)) + (-472. 98-(100 XCOS(time)-100 ))X (-472. 98-(100 X COS (time)-100)))) X (-273. 07-lOOXSIN(tim e)-123. 87 X(-273. 07-100 X SIN(time)) /SQRT((-273. 07-100 X SIN( time)) X (-273. 07-100XSIN(time)) + (—472.98—(lOOXCOS(time)-l 00)) X (-472. 98- (100 X COS (time) -100)))) +800881. 8064) -989. 545 上位PC機(jī)通過PCI總線將五根桿長函數(shù)寫入運動控制卡；
(3) 在運動控制卡中根據(jù)走刀速度設(shè)置電子凸輪的旋轉(zhuǎn)速度；
(4) 運動控制卡輸出控制信號至伺服控制系統(tǒng)，從而控制機(jī)床開始加 工。
權(quán)利要求
1、一種五桿五環(huán)并聯(lián)運動機(jī)床加工的控制方法，該五桿五環(huán)并聯(lián)運動機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)是由運動控制卡分別與上位PC機(jī)、伺服控制系統(tǒng)雙向連接，該控制方法包括如下的步驟(1)建立控制模型，該控制模型將五桿五環(huán)并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)、刀具尺寸和被加工工件表面的數(shù)學(xué)模型形成一一對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，獲得桿長函數(shù)；(2)上位機(jī)將五根桿長函數(shù)寫入運動控制卡；(3)在運動控制卡中根據(jù)走刀速度設(shè)置電子凸輪的旋轉(zhuǎn)速度；(4)運動控制卡輸出控制信號至伺服控制系統(tǒng)，控制機(jī)床進(jìn)行加工。
2、 按權(quán)利要求1所述的五桿五環(huán)并聯(lián)運動機(jī)床加工的控制方法， 其特征在于-所述的建立控制模型，該控制模型將五桿五環(huán)并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)幾何 參數(shù)、刀具尺寸和被加工工件表面的數(shù)學(xué)模型形成一一對應(yīng)的函數(shù)關(guān) 系，獲得桿長函數(shù)的步驟是-① 獲取五桿五環(huán)并聯(lián)機(jī)床的結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)；被加工工件表面的數(shù)學(xué)模 型；② 由被加工工件表面的數(shù)學(xué)模型獲取刀具軸線的姿態(tài)矢量，由刀具尺 寸獲取刀頭點的位置矢量；③ 桿長公式獲得<formula>formula see original document page 2</formula>其中，m=l， 2， 3， 4， 5--桿的序號X， Y， Z-A， B， C--刀頭點的位置； -刀具軸線的姿態(tài);Xlra， Yln， Zln-----五桿件連于機(jī)架的鉸接點位置Im=(l—A2) (XlB—X) —AB(Yln—Y) —AC(Zln—Z) JL=—AB(Xln—X) + (1—B2) (Yln—Y)—BC (Zln—Z) Kn=—AC (Xln—X)—BC(Yln—Y) + (A2+B2) (Zln—Z)④ 將桿長公式歸結(jié)為桿件伸縮基于時間函數(shù)將基于時間的數(shù)控加工插補公式代入桿長公式 L= 1B (X， Y, Z， A， B) = 1 [x(time)， y(time)， z(time)， a (time) b(time)]⑤ 建立每一 時間瞬時同步與協(xié)調(diào) 在運動控制卡中設(shè)置第六根虛擬軸，五根驅(qū)動桿的每個對應(yīng)的插補點由一根虛擬軸同步與協(xié)調(diào)。
全文摘要
一種五桿五環(huán)并聯(lián)運動機(jī)床加工的控制方法，該五桿五環(huán)并聯(lián)運動機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)是由運動控制卡分別與上位PC機(jī)、伺服控制系統(tǒng)雙向連接，該控制方法包括(1)建立控制模型，該控制模型將五桿五環(huán)并聯(lián)機(jī)床結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)、刀具尺寸和被加工工件表面的數(shù)學(xué)模型形成一一對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，獲得桿長函數(shù)；(2)上位機(jī)將五根桿長函數(shù)寫入運動控制卡；(3)在運動控制卡中根據(jù)走刀速度設(shè)置電子凸輪的旋轉(zhuǎn)速度；(4)運動控制卡輸出控制信號至伺服控制系統(tǒng)，控制機(jī)床進(jìn)行加工。本發(fā)明的優(yōu)點是控制模型將空間交錯矢量的求解轉(zhuǎn)化為平面矢量的求解，簡化了運算過程，提高了加工時的插補速度；用電子凸輪代替凸輪功能，解決了五根驅(qū)動桿的每個對應(yīng)的插補點同步。
文檔編號G05B19/18GK101587346SQ20091005346
公開日2009年11月25日 申請日期2009年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月19日
發(fā)明者紅 謝, 高志林 申請人:同濟(jì)大學(xué)