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东北大学硕士学位论文 摘要 五轴混联机床数控系统若干问题的研究 摘要 混联机床是以并联机床为基础，突出串联约束机构作用的一种新型并联机床。 它将并联机构与串联机构进行了有机结合，继承了并联机床刚度高、速度快、工作 空间大的特点，同时融入的串联约束机构不仅限制了机床的自由度，规范了动平台 的运动姿态，而且更为重要的是作为测量链的存在，能够有效的提高机床的运动精 度。 本文结合五轴混联机床数控系统的开发，对3 - t p s 型混联机床的运动学动力学 仿真、机床运动的相关控制算法以及数控系统的结构搭建进行了研究，具体包括以 下内容： ( 1 ) 阐述了并联机床和开放式数控系统的发展状况，分析了并联机床数控系 统的特点，总结了国内一些并联机床数控系统的应用。 ( 2 ) 利用s o l i d w o r k s 2 0 0 5 和a d a m s 2 0 0 5 对3 - t p s 混联机床进行了运动学动 力学仿真，分析了三个驱动杆在机床进给时的速度和加速度变化趋势以及三杆驱动 力的变化情况。 ( 3 ) 描述了3 - t p s 混联机床的具体结构，建立了该机床的机床坐标系和工件 坐标系，建立了该机床的串联机构关节转角与驱动电机转角之间的变换方程，分析 了该机床在三坐标和五坐标加工时的运动变换，并建立了运动变换过程的数学模型。 同时，建立了该机床进行单坐标控制时的运动控制数学模型，探讨了针对串联机构 单关节的控制算法。 ( 4 ) 分析了一般数控系统的软件结构，结合3 - t p s 混联机床的控制特点分析 了五轴混联机床数控系统的控制流程，提出了五轴混联机床数控系统的基本结构。 ( 5 ) 提出了3 - t p s 混联机床的插补控制策略，对操作空间粗插补和关节空间 精插补进行了深入的分析。 关键词：并联机床；数控系统；仿真；运动控制：插补 i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t u d y o nas e r i e so ft a s k sf o rc n c s y s t e m o f 5 - a x i sh y b r i dm a c h i n et o o l a b s t r a c t h y b r i dm a c h i n et o o l i san e wp a r a l l e lm a c h i n et o o ii nw h i c ht h es e r i a ls t r u c t u r ei s e m p h a s i z e d i tc o m b i n e ss e r i a la n dp a r a l l e ls t r u c t u r e ，n o to n l yi n h e r i t st h ec h a r a c t e r i s t i c s o fb i gr i g i d i t y , h i g hs p e e da n dl a r g ew o r k s p a c ef r o mt h ep m t , b u ta l s or e s t r i c t st h e f r e e d o mo ft h es t r u c t u r ea n dm a k e st h em o v i n gp l a t f o r mm o v ec o m p l a n a t e l yb e c a u s eo f t h es e r i a ls t r u c t u r e f u r t h e rm o r e a sam e a s u r ec h a i nt h es e r i a ls t r u c t u r ec a ni m p r o v et h e m o v i n gp r e c i s i o no ft h em a c h i n et 0 0 1 c o m b i n e dw i t ht h e5 - a x i sc n cs y s t e md e v e l o p m e n t t h i sp a p e rd e a l tw i m3 - t p s h y b r i dm a c h i n et o o ls e v e r a lt a s k s s u c ha sk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c ss i m u l a t i o n ，c o n t r o l a l g o r i t h m sa n dt h ec n cs y s t e m t h ed e t a i l so ft h es t u d ya r ea sf o l l o w i n g ( 1 ) t h i sp a p e re x p a t i a t e do nt h ed e v e l o p m e n to ft h ep m t a n dt h eo p e nc n cs y s t e m ， a n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep m tc n cs y s t e ma n ds u m m a r i z e dt h ea p p l i c a t i o no f t h ep m tc n cs y s t e mi no u rc o u n t r y ( 2 ) k i n e m a t i c sa n dd y n a m i c ss i m u l a t i o nf o rt h e3 - t p sh y b r i dm a c h i n et o o l ( h m t ) w a sd o n ew i t hs o l i d w o r k s 2 0 0 5a n da d a m s 2 0 0 5 a n dt h ec h a n g ed i r e c t i o no ft h e3 d r i v i n gl e g s v e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o nw a sa n a l y z e d ，a l s ot h ef o r c eo f t h e3l e g s ( 3 ) t h i sp a p e rd e s c r i b e dt h ed e t a i ls t r u c t u r eo ft h e3 - t p sh m t , s e tu pt h em a c h i n e t 0 0 1c 0 0 r d i n a t e sa n dw o r k p i e c ec o o r d i n a t e s a n dt h et r a n s f o r m a t i o ne q u a t i o nb e t w e e n t h ec o m e ro f j o i n ti ns e r i a ls t r u c t u r ea n dt h ec o r n e ro f t h ed r i v i n ge l e c t r o m o t o rw a sg i v e n t h et r a n s f o r m a t i o ne q u a t i o n sw e r ed e v e l o p e df o r3 - a x i sa n d5 - a x i s o nt h ew h i l et h e m o v i n gc o n t r o le q u a t i o ni n1 一a x i sf o rt h em a c h i n et o o lw a sg i v e n a n dt h e3 - t p sh m t m o v i n gi n1 - j o i n to f t h es e r i a ls t r u c t u r ew a sd i s c u s s e d f 4 、c o m b i n e dw i t hg e n e r a lc n cs y s t e m ss o f t w a r es t r u c t u r ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h e3 - t p sh m t ab a s i cs o f t w a r es t r u c t u r eo f5 一a x i sc n c s y s t e mw a sg i v e n ( 5 ) i nt h i sp a p e rt h ec o n t r o lp o l i c yo fi n t e r p o l a t i o nf o r3 - t p sh m t w a sp o i n t e do u t ， i n c l u d i n gi n t e r p o l a t i o ni nw o r k s p a c ea n di nj o i n ts p a c e k e yw o r d s ：p a r a l l e lm a c h i n et o o l ；c n cs y s t e m ；s i m u l a t i o n ；m o t i o n c o n t r o l i n t e r p o l a t i o n 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者躲；千蛳 日期：m 易- 、玛 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名：许壁琴 签字日期：少鲫易、飞 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 并联机床与开放式数控系统发展概要 并联机床( 又称虚拟轴机床) 实质上是机器人技术、机床结构技术、数控技术 等多学科交叉结合的产物。这种新型机床完全打破了传统机床结构的概念，采用了 多杆并联机构驱动，机床的主轴( 动平台) 与机座( 静平台) 之间为多杆并联联接， 称为并联结构，从而大大提高了机床的刚度，使加工精度和加工质量都有较大的改 进，另外，其进给速度的提高，也使高速加工更容易实现。因此，并联机床是本世 纪机床设计的最革命性的突破，它是解决传统机床问题最有效的途径，被誉为“机 床结构的重大革命”，代表了2 1 世纪机床发展的方向【l 2 1 。 国外对并联机床的研究是从2 0 世纪8 0 年代开始的，并于9 0 年代相继推出了形 式各异的产品化样机。1 9 9 4 年在芝加哥国际机床博览会上，美国的g i d d i n g s & l e w i s 公司和g e o d e t i c s 公司分别推出了各自的并联机床，在机床行业引起了轰动。而开 放式数控系统被作为一个概念提起也差不多也是那个时期，可以说并联机床的产生 为开放式数控系统的开发创造了条件，同时开放式数控系统又为并联机床的发展提 供了支持。 2 0 世纪7 0 - - 8 0 年代，数控系统的发展进入到了普及和应用的成熟期，在系统 产量及数控机床生产上，都有大幅度增长，可靠性也大为提高，但同时也暴露出不 少问题。世界上几家有名的数控系统生产厂，研制和生产的数控系统都是一种封闭 式的专用系统，没有一个强有力的体系结构予以支撑，在控制软件开发上缺乏持久 开发的能力，不能进行高可靠性的软件扩展，不能满足用户对其二次开发的需要。 因此，为适应数控进线和联网能力及个性化的要求，创建一个新的强有力的开放性 体系结构已是数控发展的最重要趋势。9 0 年代开始，一些发达国家针对c n c 所面临 的问题和开放式数控发展的必然趋势，为占领数控市场以设计生产开放式数控系统 作为目标，在自动化领域对开放式体系结构做了大量的开发研究工作，相继推出了各 自的开放式体系结构规范。如美国的n g c ( n e x tg e n e r a t i o nc o n t r o l l e r ，下一代控制 器) 和o m a c ( o p e nm o d u l a ra r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r ，开放式模块化体系结构控制器) 计划、欧盟的o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r e f o rc o n t r o lw i t h i na u t o m a t i o n s y s t e m ，自动化系统中的开放式控制系统体系结构) 计划、日本的o s e c ( o p e ns y s t e m e n v i r o n m e n tf o rc o n t r o l l e r ，控制器开放系统环境) 计划等。 自改革开放以来，我国数控技术的开发研究有了较快的发展，尤其是经过“六 五”( 1 9 8 1 1 9 8 5 ) 规划引进国外技术、“七五”( 1 9 8 6 1 9 9 0 ) 规划对引进技术的消化 吸收，“八五”( 1 9 9 1 1 9 9 5 ) 规划由国家组织科技攻关对自主版权数控的开发及“九 五”( 1 9 9 6 2 0 0 0 ) 规划国家组织产业化攻关等各个阶段实施，开发了具有我国自主 一1 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 版权的两个基本系统( 即平台) 、四种数控系统及其派生产品。它们是中华i 型( 中国 珠峰公司) 、航天i 型( 航天数控集团公司) 、蓝天i 型( 中科院沈阳计算所) 、华中i 型( 华中理工大学) 。其中，中华i 型、华中i 型是基于“p c + 数控卡”构成硬件平台 而进行开发的。航天i 型是利用p c 机的体系结构设计了与通用p c 兼容的微机、加 上数控通用专用模板构成了单机数控系统。在这个基础上，再与通用p c 机互连， 构成了典型的前后台结构的多机系统。蓝天i 型是在原7 5 0 0 系列的高档数控的基 础上，通过大规模可编程门阵芯片( e p l d ) 二次集成的，缩小化设计后与通用p c 互连， 构成了8 5 0 0 系列多机系统。 这些高档数控系统的开发成功，使我国数控技术有了长足的进步，也给我国数控 发展带来了新的机遇，如今随着芯片技术及计算机系统的高速发展，利用通用微机系 统设计开放式结构的数控系统，把开发工作转到软件及算法上，在已开发的四个基本 系统中都有突破。上述高档数控系统，都具有多轴联动功能，联动轴数可在五轴以上。 这些具有独立自主产权的开放式数控系统为我国并联机床数控系统的开发提供了载 体。 1 2 并联机床数控系统简介 并联机床的数控系统兼具有传统数控机床与并联机器人的特点。目前并联机床 的数控系统无一例外地继承了传统数控的标准和协议。几乎所有并联机床都使用了 与传统数控机床相一致的操作界面风格、数控代码格式、坐标定义和相关术语，并 且具备同标准c a d 接口的能力。但是并联机床的数控系统还兼具有与传统机床数 控系统所不同的特点： 第一，传统机床加工对象的图样或模型、数控加工程序的编制以及传统机床的 d h 7 - 轨迹等控制概念都是建立在笛卡尔坐标系中的，是以直线运动和某一坐标上的 微小增量( a x 、a y 、a z ) 来逼近曲线和曲面以实现实体模型。但是并联运动机床 的轨迹控制是由若干杆件空间运动综合的，它在操作空间用来描述运动平台位姿的 运动轴x 、y 、z 、a 、b 、c ( a 、b 、c 为绕x 、y 、z 轴的转动) 并不真实存在( 虚 轴) ，不能对其进行直接控制，而直接可控的为关节空间的各关节轴，即伸缩杆的长 度( 实轴) 。若使动平台上主轴部件的刀头点实现所需要的运动，最关键的问题是要 解决如何通过对实轴的控制来实现对虚轴的联动控制，即必须通过两者之间的坐标 转换来实现刀具所需要的运动轨迹，如图1 1 所示。即并联运动机床动平台在笛卡 尔空间中的运动是关节空问伺服运动的非线性映射。因此，在进行运动控制时，必 须通过位置逆解模型，将事先给定的刀具位姿及速度信息变换为伺服系统的控制指 令，并驱动并联机构实现刀具的期望运动。 第二，由于并联运动机床结构和配置形式的多样性，导致不同并联机床虚实映 射的结构和参数不尽相同，使其很难有一种控制系统能够适合所有并联运动机床的 要求，只能有一种控制平台，由机床开发者自行配置硬件和软件。因此，并联机床 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 的控制系统必须是开放式结构。 图1 1 并联机床控制特点 f i g 1 1 c o n t r o ic h a r a c t e r i s t i co fp a r a l l e lm a c h i n et o o l s 第三，由于并联运动机床的数控系统结构及诸多算法尚处于试验和探索阶段， 采用开放式数控系统结构可以增添系统的模块化和可重构性，降低再次开发的困难。 因此采用开放式体系结构建造并联机床的数控系统是提高系统适用性的理想途径。 并联机床数控系统兼具传统数控机床与并联机器人的特点，这个特点主要体现 在数控软件上。并联机床硬件结构简单，但软件部分复杂，其软件计算量要远多于 传统机床，开发一套完善的数控软件是并联机床实用化的关键。而数控系统的模块 化是软件开放性的关键，也是数控系统向用户化、个性化发展的关键。基于模块和 组件的系统构建策略更能体现产品设计制造过程中的人性化思想，每一个模块都是 一个有针对性应用领域的技术产品形式，是该领域技术原理、应用方案和实现形式 的综合体现，是其在数控加工环境下的具体应用，其设计理念和性能指标都体现了 数控加工技术的要求和市场应用的需求，这些充分体现设计者个性化的产品组件通 过开放的标准接口形式有机的结合，组成了功能丰富性能完善的数控装备产品。 根据模块化的设计思想和并联机床数控系统的特殊要求，数控系统的基本模块 通常被划分为以下几个【1 6 1 7 、1 8 1 ，如图1 2 所示： 程序解释模块：主要用于对输入的加工信息进行预处理，包括将g 代码转换成 系统内部的数据格式，对程序段进行坐标平移计算，对加工程序中的子程序和固定 循环进行预处理等。 运动仿真模块：运动仿真是对数控系统和数控加工在更高层次上的抽象，它可 以在虚拟环境中进行机床运动和切削加工。由于并联机床的刀具运动与伺服轴运动 存在非线性映射关系，故为了更直观和清晰地了解并联机构和刀具的运动情况，在 并联机床数控系统中开发了运动仿真模块，用于完成干涉校验、刀具轨迹仿真、加 工等功能。 1 东北大学硕士学位论文第一章绪论 系 统 功 能 网络通信模块 运动算法模块 数据处理 p l c 控制模块 数据采集 p l c 通讯管理 p l c 数据生成 税谦丽垂覆项1 二= 二= l 整体调整 匕】姿态调整 伺服控制模块 单杆调整 干涉检验 程序仿真 预处理 仿真模块 多任务调节模块 面雨矿 人机界面管理模块 工件定位 曲面自动定位 加工状态实时显示 插补模块 程序解释模块 菜单管理 文件管理 人机对话 程序编译 参数化编程 图1 2 并联机床数控系统基本功能模块 f i g i 2 b a s i cf u n c t i o n a lm o d u l eo f d i g i t a lc o n t r o ls y s t e mo f p a r a l l e lm a c h i n et o o l s 人机接口模块：由于大多数操作者已习惯于传统数控机床操作面板、相关术语 及指令系统，因此设置人机接口模块，可以给用户提供所需要处理的信息，如操作 面板的显示、数控程序代码和坐标定义等。数控系统的人机接口是数控系统与机床 操作者之间的信息交互的窗口，友好的系统界面有助于操作者使用机床。 刀补模块：对输入的轨迹信息进行刀补计算。 p l c 接口模块：控制机床的逻辑运动顺序，并对系统中的开关量进行控制，如： 主轴起停、冷却系统、行程保护等环节的运行。 插补模块：在加工信息解释的基础上，调用运动学算法模块，将动平台在操作 空间的运动转变为关节空间的伺服运动，实时生成刀具的运动轨迹，并将各伺服轴 的移动指令送给伺服模块。 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 伺服驱动模块：将插补运算的结果实时的发送给轴控制器，并由轴控制器完成 对各伺服轴的高精度位置控制。 运动学算法模块：运动学算法模块是并联机构数控系统的特有模块。由于刀具 的运动与伺服轴运动之间是非线性的映射关系，因此要实现刀具给定的空间运动， 必须经过运动学逆解，将给定的刀具运动信息转化为伺服轴的运动指令。因此，运 动学算法模块为伺服驱动提供逆解、速度映射算法，为加工状态的实时仿真及精度 补偿提供正解算法。 机床调整模块：因为并联机床与传统机床的结构完全不同，它是由几根并联的 杆来支撑动平台和静平台的，因此其调整也与传统机床的调整完全不同，它分为单 杆调整、整体调整和姿态调整。 实时多任务调节模块：此模块用于监控各任务的状态，决定任务获得c p u 的优 先权，并根据任务的调度策略改变任务的状态，或让其运行，或让其挂起等待。 除了以上这些主要模块以外，还有网络通信模块。基于网络的控制技术是2 1 世纪世界控制技术的主流，因此网络模块可以实现c n c 与伺服装置之间的通信联 系、与上一级计算机问的通信联络以及与不同车间现场设备和通过因特网进行通信 的网络互联。在有些并联机床数控系统中还设计运动控制、监控模块、自动运行模 块、手动测量模块、测量模块、程序设计模块和刀库控制模块等。 主控计算机模块 半仃思线 可编程逻辑控制器 电气线路 ( 工业控制计算机) 7 l( p l c ) 控制面板 i s a 总线 ，r ! 数字量输入输出多轴联动控制模块 主轴驱动板卡 3 2 d i o ( i o 画磊举再税素绣) 上- t ，王 壅塑墨一j 数字量监j开关量控 一 - _l 测信号l | 制信号f 轴轴轴轴轴 轴 ( 1 6 d i ) ( 1 6 d o ) i l245 6 l 交流主轴电动机 驱 驱驱 驱 驱驱 动动动动动动 器器器器器器 图1 3b j 一2 并联机床数控系统结构图 f j g 1 3d i a g r a mo ft h ec o n t r o ls y s t e mo ft h eb 3 2p m t 国内的并联机床数控系统主要是n c 嵌入p c 结构的开放式数控系统。这种数 控系统是将数控的核心功能插卡化，并将其插入p c 中，p c 将实现用户接口、文件 管理以及通信等功能，n c 插卡将全面负责机床的运动控制和开关量控制。其中比 较具有代表性的主要有哈尔滨工业大学与哈尔滨量具刃具厂合作开发的b j 2 并联 机床数控系统，其硬件结构如图1 3 所示，整个数控软件采用模块化设计，操作简 气 东北大学硕士学位论文第一章绪论 单，实时性好，具有良好的可扩展性及易维护性。该并联机床数控系统以工业p c 机为基本硬件，基于w i n d o w s 9 8 操作系统，利用v c 十+ 开发了一个开放式的数控系 统软件平台，在标准化与多样化的基础上设计软硬件模块，通过加减配置不同的模 块来构造数控系统，实现系统“积木式”的集成，具有友好的用户界面，实现实时 多任务控制。 另外，大部分国内研究并联机床的单位都以p c + p m a c 为基础搭建开放式并联 机床数控系统，如图1 4 所示为中国科学院沈阳自动化研究所采用的数控系统的原 理图。该系统采用主从式的控制方式，其中上位机选用工业p c 机，以完成人机对 话，内部数据处理以及系统资源的管理；下位机则选用以d s p 芯片为核心的p m a c 多轴运动控制器，以完成实际运动时的位置、速度、加速度等伺服控制以及其他辅 助i o 控制。底层的p c 机及其上插的p m a c 卡构成了“p c + p m a c ”的双c p u 的 硬件结构，w i n d o w s 作为操作系统，该系统的开放性就在于c n c 软件可以和其 他应用软件同时使用。 p c 总线 图1 4自动化所并联机床数控系统原理图 f i g 1 4d i a g r a mo ft h ep r i n c i p l eo ft h ep m tc o n t r o ls y s t e mb ya i 1 3 本文的研究背景及其意义 以s t e w a r t 平台为基础的并联机床改变了传统机床的结构，是制造业具有革命 性的创新成果。但是以s t e w a r t 平台为代表的六杆并联机构，虽然有着得天独厚的 特点和优势，却又有许多实际应用问题需要进一步加以研究和解决，如有效工作区 域的描述复杂和受约束问题：运动学的正解求解非常困难；没有解析解、存在运动 耦合和多解性；动力学计算困难；影响因素非常复杂；球铰的制造精度、运动和造 价等问题影响其应用；运动耦合的存在导致对元件和控制精度要求高；工作空间存 6 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 在奇异点i 要考虑避免驱动秆间的几何干涉；机床的实际工作空间狭小等。以上所 述问题的局限性影响了其应用和推广。因而近年来，少于六杆的并联机构引起了机 械专家的广泛兴趣。东北大学先进制造与自动化技术研究所在蔡光起教授的领导下 对三杆并联机构进行了长期深入研究，取得了一系列成果。最新设计的3 - t p s 立卧 转换混联机床，它的前身是三杆三自由度虚轴机床和三杆五自由度虚轴机床。 为了使新设计的3 - t p s 立卧转换式混联机床能够适应生产需要，实现产业化的 目的，同时使该并联机床具有我国独立自主产权的数控系统，我们与中国科学院沈 阳计算所的蓝天数控系统为该机床共同开发使用于该新型并联机床的数控系统。 蓝天数控自从“七五”末宣布我国第一台高档数控系统的研制成功以来，已经 历了1 0 年的历程。在“八五”期间，承担了国家攻关和中国科学院重大项目7 项， 研制并形成了3 个系列1 1 种型号的高档数控系统。蓝天i 型是在原7 5 0 0 系列的高 档数控的基础上，通过大规模可编程门阵芯片( e p l d ) z - 次集成的，缩小化设计后与通 用p c 互连，构成了8 5 0 0 系列多机系统，具有多轴联动功能【9 1 叫。 1 9 9 7 年在“8 6 3 ”高技术研究发展计划支持下，研制出的新型3 - t p t 三杆三自 由度并联机床是为我国特殊钢行业提供的新技术和先进设备，主要用于解决钢坯修 磨自动化问题，如图1 5 。在特殊钢行业，全修磨已实现机械化和半自动化，而局 部修磨因缺陷部位的随机性，难以实现高效率的机械化和自动化，仍采用落后的人 力手工修磨，因此其劳动强度大、工作环境恶劣，而且生产效率低。特别是手工修 磨质量差，造成钢材质量不稳定、成材率低，使轧材损失很大，3 - t p t 三杆三自由 度并联机床试验样机的研究正是在此背景下进行的。3 - t p t 三杆三自由度并联机床 是一种可承受大负载的加工机械，在加工运动中既要承受磨头的重量，又要克服较 大的切向力和法向力，同时还要实现较精确的运动轨迹，这是串联机构机器人难以 实现的。这种3 - t p t 三杆三自由度并联机床，具有结构简单、没有运动耦合、工作 空间大等优点。它为我国钢坯局部修磨自动化提供了新技术和先进设备，为特殊钢 行业解决精整工序的关键技术问题提供了保证；为我国发展新型的并联机床结构， 丰富机器人和并联机床的理论技术，有重要科学理论意义。 图1 53 - t p t 并联机床 f i g 1 5 3 - t p tp m t 由于一些复杂型面的加工用一般的三轴、 一7 - 图1 6d s x 5 7 0 型并联机床 f i g 1 6 d s x 5 - 7 0p m t 四轴机床难以实现，必须用到五轴数 东北大学硕士学位论文第一章绪论 控机床，可以说五轴机床是加工复杂精密零部件的重要手段之一，五轴机床在我国 机械、航空、航天、能源和交通等工业领域中发挥着重要的作用。据此，东北大学 先进制造与自动化技术研究所又在3 - t p t 三杆三自由度并联机床基础上，增加了两 个转动自由度，于1 9 9 9 年研制出d s x 5 7 0 型三杆五自由度并联机床【“2 引，它是由 三自由度的并联机构和两自由度的串联机构混联组成的五自由度虚拟轴机床。其中， 两自由度串联机构置于运动平台上，整个机构通过三杆的伸缩和两驱动轴可实现五 轴联动，用以完成多种作业任务，如图1 6 所示。d s x 5 7 0 型三杆五自由度并联机 床的设计成功，进一步扩展了机床加工能力。在相同的工作空间下，这种结构的并 联机床，较传统的五轴加工机床，它的机体更小，而成本更低，它更适合于复杂曲 面的加工。 图1 73 - p t t 型水平滑块式并联机床图1 8 机床在现场进行大功率重负荷磨削 f i g 1 7 t h e3 - p t tp k m f i g 1 8 t h ep h o t oo f p k mi ns n a g g i n g 2 0 0 0 年，东北大学先进制造技术研究所在蔡光起教授的带领下又自行设计开发 了3 - p t t 水平滑块式三杆并联机床，如图1 7 所示，主要用于钢坯修磨。针对钢坯 表面局部修磨基本属于平面作业，要求钢坯修磨机床能承受较大负载，机床运动中 既要承受磨头的重量，又要承受较大的切向磨削力和法向磨削力的特点，设计了 3 - p t t 水平滑块式并联机构，这种结构机床既有较大的作业面积，又有较高的刚性， 且有良好的柔性自动化。采用该机构的并联机床更加集合了上述两种并联机床的优 点，不但适合大的工作空间，而且可实现复杂曲面的磨削加工，有效解决了冶金工 程中钢坯修磨作业环境恶劣、劳动强度大、修磨质量和生产效率低的问题，实现了 钢坯修磨的自动化，图1 8 是该机床对钢坯进行修磨的现场照片。 2 0 0 0 年以后，东北大学又在先期三杆五自由度并联机床的基础上进行了改进， 设计出一种新型的立卧转换式混联机床3 t p s 立卧转换式混联机床，如图1 9 。 该机床继承了前期并联机床的少自由度、刚度高、速度快、工作空间大及混联结构 的优点，同时又增加了转动轴线受切削力矩小、约束链兼测量链等特点以及立卧转 换、5 轴联动、5 面加工等功能，使该机床的功能和性能特点更加突出和完善。 在前几轮的并联机床数控系统开发研制中，逐渐形成了一套以p m a c 为核心组 建的开放式数控系统，在实验室实现了对三杆5 - d o f 并联机床样机的控制，并且达 到了预期控制要求，实现了刀具轨迹的高速度高精度控制。同时，在三杆五自由度 并联机床上实现了三坐标加工，也建立了五坐标加工的数学模型。该套系统的机构 一r 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 如图i 1 0 所示f 1 1 1 2 l 。 图1 93 - t p s 混联机床 f i g 1 9 3 - t p sh y b r i dm a c h i n et o o l 图1 1 0d s x 5 7 0 型并联机床数控系统总图 f i g 1 1 0d i a g r a mo ft h ec o n t r o ls y s t e mo ft h ed s x 5 7 0p m t 这套以p m a c 为核心的基于p c 的开放式数控系统软件模块化设计，面向用户， 方便操作，具有良好的可扩展性及可维护性。在该并联机床上开发出的三坐标加工 的数控软件集c a d 、c a m 于一体，充分吸收了传统c a d c a m 技术的成果。产品 造型设计使用了以色列的c i m a t r o n ，进而生成加工n c 代码，通过自行开发的n c 代码格式变换程序、插补程序、坐标变换及运动学变换程序等最终驱动三个杆带动 一9 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 刀具实现加工。 1 4 本文的主要工作 本文是在东北大学先进制造研究所与中国科学院沈阳计算技术研究所合作开发 基于蓝天c n c 五轴联动并联机床专用数控系统的项目背景下产生的。本文的主要 工作包括： ( 1 ) 简要回顾了并联机床和开放式数控系统的发展历程，简单介绍了并联机床 数控系统的特点及国内并联机床数控系统的发展；介绍本文研究背景的同时回顾了 本文作者所属研究所在并联机床及并联机床数控系统的发展状况。 ( 2 ) 运用s o l i d w o r k s 2 0 0 5 和a d a m s 2 0 0 5 对本文所研究的3 - t p s 型混联机床进 行了动力学运动学仿真，简单分析三个驱动杆在机床进行加工时的速度加速度变化 和驱动力的变化情况。 ( 3 ) 研究了3 - t p s 型混联机床在运动控制方面的一些算法，包括建立该混联机 床的各个坐标系，建立驱动电机与串联机构的关节转角之问的转换方程，给出该混 联机床在三坐标加工和五坐标加工时的运动控制算法，探讨机床的单坐标及单关节 控制算法。 ( 4 ) 在分析一般数控系统的软件结构原理的基础上，提出适合于该3 - t p s 型混 联机床的数控系统的软件结构。 ( 5 ) 重点探讨3 - 1 p s 型混联机床数控系统的插补控制策略，主要阐述操作空间 插补及关节空间插补，分析了插补过程中误差的产牛。 插补及关节空间插补，分析了插补过程中误差的产生。 0 东北大学硕士学位论文第二章混联机床动力学及运动学仿真分析 第二章混联机床动力学及运动学仿真分析 2 1 混联机床运动学与动力学仿真的意义 随着世界经济的快速发展，市场竞争日趋激烈，多品种小批量生产和大批量定 制生产逐渐成为主导的生产形式。这样如何解决好开发产品的t ( 最快的上市时间) 、 0 ( 最好的产品质量) 、c ( 最低的产品成本) 、s ( 良好的产品服务) 和e ( 尽少的 环境污染) 成为企业研发的主题。而随着现代信息技术的飞速发展，以计算机技术 为基础的虚拟产品开发和虚拟样机技术很好的解决了t q c s e 难题p 5 3 6 o 而功能虚 拟样机技术正是在机械系统运动学与动力学分析仿真的基础上形成的。 混联机床作为一个新兴的高技术含量的机器人化机床，很多概念和机构都是全 新的，因此它在研制、设计和试验阶段以及运行过程中会出现系列较难用一般理 论推导解决而又必须尽快解决的问题，如：混联机床运动速度规划、三驱动杆驱动 力的估算、工作空间的动态规划、轨迹规划、机床与工作环境的干涉等等。仿真技 术是解决这些问题较为理想的工具。它有以下的优点： ( 1 ) 数字化方式：分析模型的数字化使得信息交流的数字化和分析结果的数字 化，便于对分析结果的检验与进一步分析。 ( 2 ) 缩短开发周期，节约开发成本。 ( 3 ) 分析过程的高灵活性及完整性。在计算机仿真过程中，可以灵活的修改模 型的各种参数，加入各种约束条件，达到分析过程的全面性。 ( 4 ) 实现机械系统的优化。运用一些c a e 软件对机械系统的仿真分析后，可 以很容易的实现对机械系统零部件的优化。 本章对3 - t p s 型混联机床进行运动学动力学分析主要是为了分析该混联机床在 进行极限进给时( 指机床在进给时的最大速度和加速度达到该机床设计极限，即最 大速度为o 5 m s ，最大加速度为1 9 ) 三杆的速度变化范围和驱动力变化范围，为构 建五轴混联机床数控系统的速度规划以及驱动电机的选择提供参考。 2 2 仿真相关软件介绍 2 2 1s o l i d w o r k s 2 0 0 5 简介 s o l i d w o r k s 2 0 0 5 是个原创的基于w i n d o w s 平台的功能强大的三维机械设计软 件。s o l i d w o r k s 2 0 0 5 完全采用了微软w i n d o w s 的标准技术，如标准菜单，工具条， 组件技术，结构化存取，内嵌v b ( v b a ) 以及拖放技术等。设计者进行三维产品设计 的过程自始至终享受着w i n d o w s 系统所带来的便捷与优势。运用s o l i d w o r k s 2 0 0 5 建立3 - t p s 混联机床的模型主要有以下一些优点： 一l 】一 东北大学硕士学位论文第二章混联机床动力学及运动学仿真分析 ( 1 ) s o l i d w o r k s 2 0 0 5 完全支持d w g d x f 输入输出时的线型，线色，字体及图 层。并所见即所得地输入尺寸，使用一个命令即可将所有尺寸变为s o l i d w o r k s 2 0 0 5 的尺寸并驱动草图，而且可以任意修改尺寸公差和精度等。其它同类软件只能成组 地输入尺寸，因而这些尺寸无法被修改和变得象在原始系统内那样灵活，这使得其 它同类软件要想利用已有工程图变得非常困难。 ( 2 ) s o l i d w o r k s 2 0 0 5 提供各种3 d 软件数据接口格式，其中包括i g e s 、v d a f s 、 s t e p 、p a r a s o l i d 、s a t 、s t l 、m d t 、u g i i 、p r o e 、s o l i d e d g e 、i n v e n t o r 等格式输入 为零件和装配，还可输出v r m l 、t i f f 、j p g 等等文件格式。这就可以保证用s w 2 0 0 5 建立的模型在其它软件中具有良好的兼容性。 ( 3 ) s o l i d w o r k s 2 0 0 5 完整的机械设计软件包括了设计师必备的设计工具：零 件设计、装配设计、工程制图。因为f e a t u r e w o r k s 2 0 0 5 突破了不同系统间在转换模 型时无法识别特征的问题，所以在读取其它c a d 系统的零件模型时把原有特征直 接转换为s o l i d w o r k s 2 0 0 5 的特征。 ( 4 ) s o l i d w o r k s 2 0 0 5 中提供了零部件的镜像功能，不仅镜像零部件的几何外 形，而且包括产品结构和配合条件，还可根据实际需要区分是作简单的拷贝还是自 动生成零部件的对称件。这一功能将大大节约设计时间，提高设计效率。而其它同 类软件是没有这一重要功能的。考虑到3 - t p s 混联机床具有很多对称的结构和零件， s o l i d w o r k s 2 0 0 5 的零部件镜像功能就可以使整个建模过程更为简便。 ( 5 ) 在s o l i d w o r k s 2 0 0 5 进行模型的装配也是很方便的，按照同心、重合、距 离、角度、相切等关系，装配约束丰富多样。s o l i d w o r k s 2 0 0 5 对大型装配的处理能 力表明它不是一个简单的实体建模工具，而是一个面向产品级的机械设计系统。它 既提供自底向上的装配方法，同时还提供自顶向下的装配方法。白顶向下的装配方 法使工程师能够在装配环境中参考装配体其它零件的位置和尺寸设计新零件，更加 符合工程习惯。 2 2 2a d a m $ 2 0 0 5 简介 a d a m s ，即机械系统动力学分析( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a l s y s t e m s ) ，该软件是美国m d i 公司( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 开发的虚拟样机分 析软件。a d a m s 2 0 0 5 是以w i n d o w s 为操作系统的最新版本。 a d a m s 2 0 0 5 使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化 的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法， 建立系统力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、 速度、加速度和反作用力曲线。a d a m s 2 0 0 5 的仿真可用于预测机械系统的性能、 运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。 a d a m s 2 0 0 5 软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱 5 类模块组成。用户不仅可以采用通用模块对一般的机械系统进行仿真，而且可以 一1 2 东北大学硕士学位论文第二章混联机床动力学及运动学仿真分析 采用专业模块针对特定工业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿真分析。 本文的仿真主要采用了a d a m s 2 0 0 5 的基本模块，启用包括用户界面模块 ( a d a m s v i e w ) 、求解器模块( a d a m s s o l v e ) 和后处理模块( a d a m s p o s t p r o c e s s o r ) 。 a d a m s v i e w 是a d a m s 2 0 0 5 的核心模块之一，采用以用户为中心的交互式图 形环境，将图标操作、菜单操作、鼠标点击操作与交互式图形建模、仿真计算、动 画显示、优化设计、x y 曲线图处理、结果分析和数据打印等功能集成在了一起。 采用了p a r a s o l i d 内核进行实体建模，使得与s o l i d w o r k s 2 0 0 5 的转接更为顺畅。该模 块还提供了丰富的零件几何图形库、约束库和力力矩阵，并且支持布尔运算、支持 f o r t r a n 7 7 和f o r t r a n 9 0 种的函数。另外还提供了丰富的位移函数、速度函数、 加速度函数、接触函数、样条函数、力力矩函数、数据元函数、若干用户子程序以 及常量和变量等。 a d a m s s o l v e r 模块能自动形成机械系统模型的动力学方程，提供静力学、运 动学和动力学的结算结果。用户可以通过运动副