新型并聯(lián)數(shù)控銑床手輪模塊功能的實(shí)現(xiàn)
2014/9/2 11:07:17
并聯(lián)機(jī)床是空間多環(huán)機(jī)構(gòu)在機(jī)床制造業(yè)中的創(chuàng)造性應(yīng)用。具有剛度質(zhì)量比和承載能力大、精度高、運(yùn)動(dòng)速度快、適合加工復(fù)雜曲面等優(yōu)點(diǎn),自20世紀(jì)90年代一問世,即引起各界的極大關(guān)注。在傳統(tǒng)立式銑床的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造,安裝6自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu),構(gòu)成了新型數(shù)控銑床,該型銑床可以加工具有復(fù)雜曲面的工件,如汽輪機(jī)葉片。在加工過程中,手輪模塊可以實(shí)現(xiàn)工件與刀具(或測頭)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),工件采點(diǎn)定位等功能,是并聯(lián)數(shù)控銑床的重要組成部分。
由于并聯(lián)機(jī)床虛實(shí)映射的運(yùn)動(dòng)控制特點(diǎn),即使是沿笛卡兒坐標(biāo)系的單軸運(yùn)動(dòng),仍需要逆解運(yùn)算轉(zhuǎn)換為關(guān)節(jié)空間各伺服軸的聯(lián)合運(yùn)動(dòng),因而,并聯(lián)機(jī)床的手輪功能不能象傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床那樣通過可編程控制器控制單軸電機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)。因此,手輪功能的開發(fā)一直是并聯(lián)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)中的難點(diǎn)之一。
結(jié)合哈爾濱工業(yè)大學(xué)對(duì)新型6自由度并聯(lián)數(shù)控銑床6DOFHITPKM的開發(fā)實(shí)踐,介紹了該型銑床采用的手輪模塊的軟硬件結(jié)構(gòu)。
1 硬件結(jié)構(gòu)
是由傳統(tǒng)立式銑床改造后的數(shù)控銑床,動(dòng)平臺(tái)為工作臺(tái)面,動(dòng)平臺(tái)與基座定平臺(tái)之間,由6路絲杠支桿連接,與動(dòng)平臺(tái)連接的是3自由度虎克鉸,與定平臺(tái)連接的是2自由度虎克鉸。桿長的變化由6臺(tái)伺服電機(jī)通過齒輪系連接絲杠的傳動(dòng)軸控制,6路不同的桿長決定切削加工時(shí)動(dòng)平臺(tái)不同的位姿狀態(tài)。
手輪模塊的功能就是控制載有工件的動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行必要的運(yùn)動(dòng),完成對(duì)刀、采點(diǎn)定位等數(shù)控銑床必需功能。
該型銑床手輪模塊需要多軸運(yùn)動(dòng)控制卡、IO接口卡、工控機(jī)等配合使用,控制卡采用美國的kollmorgen公司的servostar多軸運(yùn)動(dòng)控制卡。驅(qū)動(dòng)器上有通訊端口可連接在手輪信號(hào)輸出端,接收差動(dòng)脈沖信號(hào);控制面板上有手輪模塊的方向設(shè)置,步長設(shè)置,坐標(biāo)系設(shè)置等選項(xiàng),該類信號(hào)通過IO卡與上位機(jī)通訊,上位機(jī)負(fù)責(zé)接收處理并傳遞給運(yùn)動(dòng)控制卡指令信號(hào);運(yùn)動(dòng)控制卡采用SERCOS通訊協(xié)議控制6臺(tái)驅(qū)動(dòng)器,從而驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)改變6路桿長完成對(duì)刀、采點(diǎn)等功能。
2 工作原理
首先在控制面板上進(jìn)行手輪模塊的方向、步長、坐標(biāo)系設(shè)置。方向和步長信號(hào)將提供數(shù)控銑床工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向dir(X,Y,Z,A,B)和運(yùn)動(dòng)步長step(0.001,0.01,0.1,1,3)。運(yùn)動(dòng)方向中的A和B是工作臺(tái)姿態(tài)歐拉角中的進(jìn)動(dòng)角和章動(dòng)角。信號(hào)通過IO卡采集到上位機(jī),上位機(jī)處理后通過PC總線發(fā)送給運(yùn)動(dòng)控制卡。搖動(dòng)手輪,驅(qū)動(dòng)器將采集手輪差動(dòng)信號(hào)脈沖變化量,并發(fā)送給運(yùn)動(dòng)控制卡。運(yùn)動(dòng)控制卡根據(jù)采集的方向、步長、坐標(biāo)系、脈沖變化量等參數(shù)進(jìn)行解算。求出6路電機(jī)的伺服位置,從而改變6根絲桿的桿長,完成預(yù)期動(dòng)作,同時(shí)運(yùn)動(dòng)控制卡將實(shí)時(shí)提供當(dāng)前動(dòng)平臺(tái)位姿信息,上位機(jī)可以周期性采集。在該手輪模塊中,上位機(jī)只負(fù)責(zé)采集外部數(shù)字信號(hào),不負(fù)責(zé)位置的解算。全部解算工作由運(yùn)動(dòng)控制卡內(nèi)部的CPU負(fù)責(zé)。避免了由上位機(jī)解算及與運(yùn)動(dòng)控制卡之間通訊和數(shù)據(jù)交換造成的時(shí)間延遲,有效地保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
3 軟件部分功能實(shí)現(xiàn)
手輪模塊功能的實(shí)現(xiàn)需要相應(yīng)的軟件部分。軟件部分主要負(fù)責(zé)下列任務(wù):
(1)負(fù)責(zé)監(jiān)控手輪差動(dòng)信號(hào)脈沖是否發(fā)生;
(2)利用上位機(jī)采集的控制信息,以及手輪脈沖變化量進(jìn)行動(dòng)平臺(tái)的位姿解算;
(3)實(shí)時(shí)提供動(dòng)平臺(tái)的位姿坐標(biāo)信息。由于手輪模塊控制的動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)空間是機(jī)床工作空間的子集,故不會(huì)發(fā)生桿長干涉等危險(xiǎn)信息。
其中任務(wù)(2)是核心任務(wù),該過程根據(jù)控制面板采集的坐標(biāo)系信息的不同,分兩種情況運(yùn)行。 情況1:當(dāng)采集的坐標(biāo)系信息為動(dòng)平臺(tái)坐標(biāo)系時(shí),處理過程較為簡單,此時(shí)手輪模塊直接控制動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。
過程如下:
(1)獲取當(dāng)前動(dòng)平臺(tái)Om-XmYmZm的初始位姿信息Mspos(Xms,Yms,Zms,Ams,Bms),該信息表示動(dòng)平臺(tái)在機(jī)床坐標(biāo)系O-XYZ下的位置和姿態(tài)角,信息由上位機(jī)給出;
(2)利用采集的動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)步長、手輪脈沖變化量,求出相應(yīng)的目標(biāo)點(diǎn)位姿Mepos(Xme,Yme,Zme,Ame,Bme)。進(jìn)行并聯(lián)機(jī)構(gòu)的逆解,得到該位姿對(duì)應(yīng)的6路絲杠的長度(l1,l2,l3,l4,l5,l6),發(fā)出運(yùn)動(dòng)指令,控制伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn);
(3)將目標(biāo)位姿Mepos(Xme,Yme,Zme,Ame,Bme)存入運(yùn)動(dòng)控制卡存儲(chǔ)區(qū),供上位機(jī)周期性采集,同時(shí)Mspos=Mepos回到過程(1)周期循環(huán)。情況2:當(dāng)采集的坐標(biāo)系信息為工件坐標(biāo)系時(shí),處理過程較為復(fù)雜,此時(shí)手輪模塊控制刀頭點(diǎn)(或測頭點(diǎn))相對(duì)于工件運(yùn)動(dòng)。
過程如下:
(1)獲取當(dāng)前動(dòng)平臺(tái)的初始位姿信息Mspos(Xms,Yms,Zms,Ams,Bms),利用工件坐標(biāo)系在動(dòng)平臺(tái)坐標(biāo)系下的位姿信息Tmw,Owinmf和mcutterpos,可以求出當(dāng)前刀頭點(diǎn)在工件坐標(biāo)系Ow-XwYwZw下的位姿Wspos(Xws,Yws,Zws,Aws,Bws)。Tmw是一個(gè)3@3矩陣,矩陣的每一列為工件坐標(biāo)系坐標(biāo)軸單位向量在動(dòng)平臺(tái)坐標(biāo)系下的投影;Owinmf是工件坐標(biāo)系原點(diǎn)在動(dòng)平臺(tái)坐標(biāo)系下的位置向量;mcutterpos是刀頭(或測頭)點(diǎn)在定平臺(tái)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)向量。
(2)采集工件坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)步長、手輪脈沖變化量,求出工件坐標(biāo)系下的目標(biāo)點(diǎn)位姿Wepos(Xwe,Ywe,Zwe,Awe,Bwe)。然后利用工件坐標(biāo)系在動(dòng)平臺(tái)坐標(biāo)系下的位姿信息Tmw,Owinmf以及mcutterpos,可以求解出目標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的動(dòng)平臺(tái)位姿信息Mepos(Xme,Yme,Zme,Ame,Bme)。
(3)利用動(dòng)平臺(tái)位姿信息Mepos(Xme,Yme,Zme,Ame,Bme),進(jìn)行并聯(lián)機(jī)構(gòu)的逆解,求解該位姿對(duì)應(yīng)的6路絲杠的長度,發(fā)出運(yùn)動(dòng)指令,控制伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。過程(1),(2),(3)的具體求解過程見參考文獻(xiàn)。
(4)將目標(biāo)位姿Mepos(Xme,Yme,Zme,Ame,Bme)存入運(yùn)動(dòng)控制卡存儲(chǔ)區(qū),供上位機(jī)周期性采集,上位機(jī)可以根據(jù)需要轉(zhuǎn)換為刀頭(或測頭)點(diǎn)在工件坐標(biāo)系下的位姿Wepos(Xwe,Ywe,Zwe,Awe,Bwe)。同時(shí)將Mspos=Mepos。
4 應(yīng)用實(shí)例
該手輪模塊已成功應(yīng)用在哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的新型數(shù)控銑床(6-DOFHITPKM)上,實(shí)際加工過程中,手輪能夠快速準(zhǔn)確控制銑床動(dòng)平臺(tái)作相應(yīng)運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)對(duì)刀、采點(diǎn)等功能,操作方便靈活。表明了該模塊的有效性。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)促進(jìn)并聯(lián)機(jī)床的商品化和實(shí)用化起到很大的作用。
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- HL.41138 鉸鏈
- 材質(zhì)：鋅合金
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- HL.41108 鉸鏈
- 材質(zhì)：增強(qiáng)尼龍
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- HL.11240 橢圓手柄
- 材質(zhì)：膠木
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- HL.41106 鉸鏈
- 材質(zhì)：增強(qiáng)尼龍
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- HL.23090 空壓機(jī)油標(biāo)
- 材質(zhì)：聚碳酸酯
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- HL.41104 鉸鏈
- 材質(zhì)：增強(qiáng)尼龍
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- HL.41137 鉸鏈
- 材質(zhì)：鋅合金
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- HL.41140 鉸鏈
- 材質(zhì)：鋅合金
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- HL.42110 萬向調(diào)節(jié)支撐腳
- 材質(zhì)：不銹鋼
