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东北大学硕士学位论文摘要 三杆五自由度并联机床数控技术研究 摘要 并联机床是2 0 世纪9 0 年代发展起来的新型机床，它是集机床技术、机器人 技术和现代数控技术于一身的新一代加工设备，与传统数控机床相比，并联机床 有刚度重量比大、响应速度快、环境适应性强和技术附加值高等优点，具有广阔 的应用前景。东北大学先进制造与自动化技术研究所，在蔡光起教授的主持下， 先后研制成功三杆三自由度并联机床试验样机、三杆五自由度并联机床和3 - p t t 钢坯修磨并联机床，为我国并联机床的发展做出了杰出的贡献。本文主要工作是 研究三杆五自由度并联机床控制系统，开发出相关的控制和仿真软件，具体包括 以下主要内容： 1 ) 回顾了并联机床的发展历史并展望其应用前景，论述了并联机床国内外的 研究状况，介绍了并联机床数控技术的发展历史与现状，分析了数控技术及并联 机床数控系统的发展方向。 2 ) 研究了三杆五自由度并联机床控制的基础，论述了其结构特点和工作过 程，分析了并联机床的运动学正、逆解和雅可比矩阵。 3 ) 论述了制定并联机床数控系统总体方案的依据，研究了数控系统的组成和 各个模块的作用及相互之间的关系，分析了并联机床采用基于p c 和开放式体系 的优势。 4 ) 开发了并联机床轨迹规划程序。在研究插补原理的基础上，分析了数字脉 冲和时间分割插补各自的特点，提出了一种插补误差计算方法，并应用此方法比 较了数字脉冲和时间分割插补的误差。 5 ) 利用v i s u a lc + + 开发出并联机床的系统控制软件，为操作机床进行加工 和设置提供了可视界面，并在v i s u a lc + + 环境下利用0 p e n g l 技术开发出并联机 床数控程序轨迹仿真软件，为验证数控程序是否正确提供了平台。 关键词：并联机床，数控系统，轨迹规划，插补 一i i 耋兰盔兰2 圭耋竺尘塞! ! ! ：! ! ! ! s t u d y o nt h en c t e c h n o l o g y o ft h e5 - d o f 3 - l e g p a r a l l e l m a c h i n et o o l a b s t r a c t t h ep a r a l l e lm a c h i n et o o l ( p m t ) i san e wk i n do fm a c h i n et o o l d e v e l o p e di n 19 9 0 s ，i t st h en e w g e n e r a t i o nm a c h i n i n ge q u i p m e n tc o m b i n e dw i t ht h et e c h n o l o g yo f m a c h i n et o o l s ，r o b o t sa n dm o d e mn c c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lm a c h i n et o o l s ， p m t sh a v es u c hp d o r i e sa s h i g h s t i f f n e s sw e i g h tr a t i o ，h i g h r e s p o n s er a t e ，h i g h a d a p t a b i l i t yt oc i r c u m s t a n c ea n dh i g ha d d i t i o n a lt e c h n o l o g yv a l u e e t c a n dt h e yh a v ea v e r y v a s t a p p l i c a t i o n v i s t ai n i n d u s t r y c a ig u a n g q i ，ap r o f e s s o r i na d v a n c e d m a n u f a c t u r i n g & a u t o m a t i o ni n s t i t u t en o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y , p r e s i d e do v e rt h e d e s i g no f t h e3 - d o f3 - l e gp m t , 5 - d o f3 - l e gp m t a n dt h ei n - p a r a l l e lb i l l e tt r i g l i d e a l lt h e s ew o r kc o n t r i b u t e st ot h ed e v e l o p m e n to fp a r a l l e lm a c h i n et o o l si nc h i n a g r e a t l y t h em a i nw o r ko f t h i sp a p e ri st os t u d yt h en c s y s t e mo f t h e5 - d o f3 - l e g p m ta n dd e v e l o pt h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o ls o f t w a r ea n ds i m u l a t i o ns o f t w a r e ；t h e m a i nc o n t e n t sa r en u m e r a t e di nt h ef o l l o w i n g ： 1 ) t h eh i s t o r yo fp m ti sr e v i e w e da n di t sa p p l i c a t i o nf u t u r ei sv i e w e d t h e r e s e a r c hs t a t u so fp m t sa n dt h e i rn c t e c h n o l o g yi sd i s c u s s e d t h ed i r e c t i o n so fn c t e c h n o l o g ya n dp m t n c s y s t e ma l ea n a l y z e d 2 ) t h ec o n t r o le l e m e n t sa n ds t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e5 - d o f 3 - l e gp m t a r e s t u d i e d t h ek i n e t i ce q u 砒i o n sa n dj a c o b i nm a t r i xa r ea n a l y z e d 3 ) t h er e a s o n sd e t e r m i n e dt h ep r o j e c to ft h en cs y s t e ma l e p r e s e n t e d ；t h e c o m p o n e n t so f t h en c s y s t e ma n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne a c hm o d u l ea r es t u d i e d t h e p r i o r i t i e so fo p e n n c s y s t e mb a s e d o np ca r ea n a l y z e d 4 ) t h et r a c kp l a n n i n gp r o g r a mi s d e v e l o p e d o n en e wm e t h o do fc a l c u l a t i n g i n t e r p o l a t i o ne r r o ri sc r e a t e da n di ti sa p p l i e di nc o m p a r i n gt h ee r r o ro fd d aa n d t i m e d i v i d e dm e t h o d 1 1 1 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t 5 ) t h ec o n t r o ls o f t w a r eo ft h ep m ti s d e v e l o p e dw i t hv i s u a l c + + a n dt h e s i m u l a t i o ns o f t w a r ei s d e v e l o p e dw i t ht h et e c h n o l o g yo fo p e n g l t h es o f t w a r e s p r o v i d e i n t e r f a c eo f o p e r a t i o na n dt h e p l a to f n cp r o g r a m s s i m u l a t i o n k e y w o r d s ：p a r a l l e lm a c h i n et o o l ，n cs y s t e m ，t r a c kp l a n n i n g ，i n t e r p o l a t i o n 一一 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己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 本人签名：高嚷新式 日 期：灿十绎确胁目 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 先进制造技术和加工设备的发展 先进制造技术( a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ) 作为一个专用名词是在 2 0 世纪8 0 年代末，由美国学者反省本国制造业存在的问题而提出的【。它是制造 业不断吸收信息技术和现代管理技术的成果，并将其综合应用于产品设计、加工、 检测、管理、销售、使用、服务乃至回收的制造全过程，以实现高效、低耗、清 洁、敏捷生产，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。 先进制造技术具有实用性、应用的广泛性、动态特征、集成性、系统性等特点。 先进制造技术的概念一经提出，立即获得世界各主要工业强国及一些新兴的 工业化国家的响应，纷纷投入大量人力物力进行研究。我国近年来也十分重视先 进制造技术的发展，国家自然基金会已将不少经费投入先进制造技术发展的基础 研究。 近年来，随着对先进制造技术的研究日益深入，从管理体制、经营理念、实 际方法、方案评价、制造手段等方面总结经验，探索新思路，先后提出了许多先 进制造模式i “，主要有：计算机集成制造( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g ) ， 其实质是借助于以计算机为核心的信息技术，将企业中各种与制造有关的技术系 统集成起来，使企业得到整体优化，从而提高企业适应市场竞争的能力；敏捷制 造( a g i l em a n u f a c t u r i n g ) ，敏捷制造是指制造企业采用现代通信手段，通过快速 配置各种资源，以有效和协调的方式响应用户需求，实现制造敏捷性的一种制造 模式；柔性制造( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n g ) ，是一种能够快速响应市场，适用于 多品种、中小批量生产，具有高柔性且自动化程度高的制造模式；智能制造 ( i n t e l l i g e n tm a n u f a c t u r i n g ) ，它是利用计算机模拟制造业人类专家的分析、判 断、推理、构思和决策等智能活动，并将这些智能活动与智能机器有机地融合起 来，将其贯穿应用于整个制造企业的各个子系统，以实现整个制造企业经营运作 的高度柔性化和高度集成化，从而取代或延伸制造环境中人类专家的部分脑力劳 动，并对制造业人类专家的智能信息进行搜集、存储、完善、共享、继承与发展； 精益生产( l e a np r o d u c t i o n ) ，是一种以人为本和精简生产中的一切不产生价值环 节的生产方式；虚拟制造( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ) ，是一种以计算机仿真和建模 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 技术为支持，利用虚拟产品模型，在产品的实际加工之前对产品的性能、产品的 可制造性进行评价，同时对产品的生产全过程进行仿真，以达到产品生产的最优 目标的制造模式。除了以上介绍的制造模式还有很多如网络化制造、绿色制造等， 这些制造方式都有以下特点【3 】： 1 )先进制造技术贯穿了从产品设计、加工制造到产品销售及使用维修等全 过程，而传统制造过程一般单指加工过程。 2 ) 先进制造技术充分应用计算机技术、传感讲述、自动化技术、新材料技 术、管理技术等的最新成果。 3 )先进制造技术是技术、组织与管理的有机集成，特别重视制造过程组织 和管理体制的简化及合理化。 4 )先进制造技术并不追求高度自动化或计算机化，而是通过强调以人为中 心，实现自主和自律的统一，最大限度地发挥人的积极性、创造性和团队合作精 神。 5 )先进制造技术是一个高度开放、具有高度自组织能力的系统，通过大力 协作，充分、合理地利用资源，生产出最具竞争力的产品。 6 ) 先进制造技术的目的在于能够以最低的成本、最快的速度提供用户所希 望的产品，实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，并取得理想的技术经济效 果。 先进制造理念的发展必将促进加工设备的发展。自工业革命以来，加工设备 已经历了皮带机床、齿轮机床、数控机床、计算机数控机床、多功能加工中心等 几代的发展【4 j ，但它们的基本结构几乎没有什么变化，一般都采用由床身、立柱、 主轴箱和工作台等部件串联而成的“c ”型布局 5 1 。按这种模式制造的机床，虽 具有容易计算和控制、作业范围大、灵活性好等优点，但也具有一些固有缺陷， 如由于串联配置，终端构件需由始端构件和中间构件带动和加速，全部的力流f 包 括横向力和弯矩、扭矩) 都作用在每一根轴上，且终端构件还要承担始端构件的重 力和惯性力等。为达到机床高刚度的要求，每个环节都要为此增加更多材料，这 不但增加了材料和能源的消耗，而且也制约了进给速度的提高。为了克服传统机 床上述缺陷世界各国的机床制造业都在进行探索、研究新型制造设备，在上世纪 九十年代终于取得了突破性进展：并联机床出现了。 1 2 并联机床发展历史和研究现状 并联机床的理论基础是空间并联机构理论，早在1 8 9 0 1 8 9 4 年，c 1 e r k 2 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 j m a x w e l l a a n n h e i m j 就进行了空间机构理论的研究1 6 j ，g o u g h - 于1 9 4 8 年最先提出 平台式并联机构，用于轮胎测试，并于1 9 6 2 年与w h i t e h a l l - - 起设计了由六个并行 线性支链支撑两个平台的轮胎测试机。1 9 6 5 年，d s t e w a r t 为解决飞行员飞行训练 模拟问题构思了一种三杆六自由度并联机构( 图1 1 ) i _ ”，并对其运动学、工作空间、 控制等问题进行了研究。由于g o u g h 和s t e w a r t 提出并联机构很早而且颇具代表性， 所以后来人们将多种并联机构称为g o u g h ；帆构、s t e w a r t 平台或s t e w a r t g o u g h l 6 n 构。 j t i n d a l e - 于1 9 6 5 年最早提出开发此种机床的设想。1 9 7 8 ：年，h u n t 建议将s t e w a r t 平 台用做机器人，并指出由于该机构同串连机构相比所具有的精度高、刚度高的优 势，非常值得在机器人领域展开深入研究，从此并联机构特别是s t e w a r t 平台在机 器人领域的研究逐渐开展也来。1 9 7 9 年m a c c a l l i o n 设计出第一台基于s t e w a r t 平台 的机械手臂，将其应用在自动化装配上，从此s t e w a r t 平台也称作并联机器人。2 0 世纪8 0 年代，人们对并联机构的应用研究主要放在各种并联机械手、机器人上， 这期间出现- j d e l t a ( 如图1 2 ) 和h e x a 并联机构，两者在9 0 年代中后期已经成功 ， 图1 1 飞行训练模拟器结构示意图 h g 1 1s k e t c ho f t h ef l i g h ts i m u l a t o r 图1 2 瑞士d e m a u r r e x 的d e l t a 机器人 h g 1 2d e l t ar o b o to f d e m a u r r c xc o 地进行了商品化。真正将并联机构成功应用于机床上的是在1 9 9 4 ：年芝加哥国际机 床博赏2 会( i m t s 9 4 ) 1 - ， 的g i d d i n g s & l e w i s 公司推出、埘i a x 并联机床r 如图 1 3 ) 和i n g e r s o l l 公司推出的第一代八面体六足虫并联机床( o c t a l l e d r a lh e x a p o d ) ( 女l l 图1 4 ) 。这些并联机床的推出了极大的轰动，被称作“机床行业的革命”，“2 1 世 纪的新一代数控加工设备”嘲。 3 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 图1 3 g i d i n g s & ：l e w i s 公司的v a r i a x 并联机床图1 4 i n g e r s o l l 公司的o c t a h e d r a l h e x a p p o d f i g 1 3v a r i a xp a r a l l e lm a c h i n et o o lo f g & lc o f i g 1 4o c t a h e d r a lh e x a p p o do f i n g e r s o l lc o 为什么并联机床会引起世界各国这么大的关注昵，这与并联机构相对于串联 机构有如下独特优点是分不开的，其主要优点有： 1 )联机构运动平台由多杆支承，与串联结构相比刚度大、结构稳定； 2 ) 与串联结构相比，在相同自重与体积下承载能力高； 3 )并联机构末端没有串联结构末端件的误差积累和放大作用，故误差小、 精度高； 4 ) 基于并联机构的机械很容易将电机置于机座上，运动负荷比较小，而基 于串联机构的机械其电机及传动系统都放在运动件上，增加了系统的惯性，恶化 了动力学性能； 5 )在运动学求解上，并联机构正解求解困难、逆解求解非常容易，而串联 机构的正解求解容易、逆解求解十分困难。由于在实时控制这些机构时要计算逆 解，故并联机构在这方面很有优势。 所以并联机床相应地也具有运动部件质量小，运动惯性小；高运动速度、高 加速度，适合高速加工；主要部件具有重复性，通用程度高；容易通过预加载荷， 提高机床部件的刚度；通过控制系统可以实现运动精度的补偿等串联机床无法比 拟的优点。 i m t s 9 4 之后，并联机床成为国际机床界研究的熟点，各国纷纷投入大量的 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 人力物力进行并联机床的研究。目前国外从事并联机床研究的大型实验室有近百 家：其中美国1 9 家，加拿大8 家，德国9 家，瑞士5 家，意大利7 家，法国7 家，日本 1 1 家，韩国8 家；开展并联机床研究的知名大公司有十几家，像美国的h e x e l 公司、 i n g e r s o l l 公司，俄罗斯的l a p i k 公司，挪威的m u l t i c r a f t 公司，日本的o k u m a 公司、 t o y o d am a c h i n et o o l s 公司等；有关并联机床研究的较大研发中心共有十九家，主 要分布在美国、荷兰、加拿大、德国、法国、英国等。并联机床发展近十年来， 已不仅仅停留在实验型样机阶段，许多公司或研究机构已经成功地开发出了商品 化的产品，如美 g i d d i n g s & l e w i s 公司的v a r i a x 机床，日本o k u m a 公司的c o s m o c e n t e rp m 6 0 0 ( 图1 5 ) 西班牙f a t r o n i k 公司的u l y s e s 并联机床( 图1 6 ) ，俄罗斯 l a p i k 公司的t m 7 5 0 型并联机床( 图1 7 ) ，法国c m w 公司的h e x a p o d e c m w 3 0 0 ( 图1 8 ) 等。这些并联机床虽然与高精度的传统机床相比还有一定的差 距，但已经基本达到一般传统机床的性能指标，初步进入了实用化阶段，并联平 台机构的应用已不仅仅局限于加工机，种类还涉及到加工中心、定们和定向机械、 测量机、装配机械等【9 1 。 图1 5 0 k u m a 公司的c o s m o c e n t e r p m 6 0 0 f i 9 1 5c o s m oc e n t e rp m 一6 0 0o f o k u m ac o 5 图1 6 f a t r o n i k 公司的u l y s e s f i 9 1 6u l y s e so f f a t r o n i kc o 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 图1 7l a p i k 公司的t m 一7 5 0 f i g 1 7t m - 7 5 0o f l a p i kc o 图1 8c m w 公司的h e x a p o d ec m w 3 0 0 f i g 1 8h e x a p o d ec m w 3 0 0o fc m w c o 国内对并联机构及并联机床的研究开展的也是比较早的，早在上世纪8 0 年代 初期燕山大学就开始对并联机构进行系统地研究，到北北京第5 届中国国际机床展 览会( c i m t 9 7 ) 时，俄罗斯l a p i k 公司展出了加工、测量两用的t m 7 5 0 型并联机床 ( 图1 7 ) ，引起了中国许多科研院所、大学以及工厂的极大关注，此后国内对并联 机床的研究工作迅速地开展起来。在国家自然科学基金委员会支持下，中国从事 这方面研究的骨干力量于1 9 9 9 年6 月在清华大学召开了我国第一届并联机器人与 并联机床设计理论与关键技术研讨会，对并联机床的发展现状、未来趋势以及亟 待解决的问题进行了研讨。1 9 9 8 年清华大学和天津大学合作开发出我国第台基 于s t e w a r d 平台机构的大型镗铣类并联机床原型样机v a m t l y ( 图1 9 ) t l o 】，在2 0 0 1 年中国国际机床展览会上清华大学推出了与昆明机床股价有限公司合作开发的 x n z 6 3 数控镗铣类并联机床和与江东机床有限公司合作开发的x n z 2 0 1 0 数控龙 门式并联机床，2 0 0 2 年在中国国际机床展览会上又推出了与大连机床集团合作研 制的d c b 5 1 0 五轴联运并联机床；天津大学与天津第一机床厂合作于1 9 9 9 年研制 成功我国第一台三坐标并联机床商品化样机l i n a p o d ，北京航空航天大学在国家 自然科学基金的资助下，研制了六杆磨削机床( h d p g ) ；中科院沈阳自动化所研制 出多自由度混联机床样机，哈尔滨工业大学，河北工业大学、北京理工大学等高 校也都设计出了自己的并联机床( 图1 1 0 为哈尔滨工业大学设计的并联机床) 。 6 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 图1 9v a m t i y 并联机床 f i g 1 9t h ep a r a l l e lm a c h i n et o o lo f v a m t i y 图1 1 0 哈尔滨工业大学的h b j 并联机床 f i g 1 1 0 h b jp a r a l l e lm a c h i n et o o lm a d e b yh a r b i ni n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y 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机构，是制造业具有革命 性的创新成果。但六杆并联机构虽然具有其独特的优势，但距离实际应用还有许 多问题需要进一步加以研究和解决，主要问题有： 1 ) 有效工作区域的描述复杂和受约束问题的解决困难。 2 ) 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。 3 ) 动力学计算困难，影响因素非常复杂。 4 ) 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。 5 )由于其工作空间存在奇异点，而且要考虑避免驱动杆间的几何干涉，机床 的实际工作空间狭小。 六杆并联机床的以上局限性影响了其应用和推广，另外在许多情况下并不需 要六自由度即可满足加工要求，因此少于六自由度的并联机床就成为并联机床的 一个重要发展方向。德国汉诺威大学生产工程和机床研究所研制出用于钢板激光 加工的三杆并联机床，美国s h e l d o n v a ns o m e r o n 公司研制成功了“t r i a x ”三杆并 联机床。东北大学在国家“8 6 3 ”高技术项目的支持下对少于6 杆的并联机构作了 大量研究l ，设计了独创的三杆少自由度的并联机构，并研制成功了多台并联机 床，走在了国内的前列；1 9 9 8 年研制出了3 一t p t 三杆三自由度并联机床试验样机( 图 1 1 1 ) ，1 9 9 9 年研制出t d s x 5 - 7 0 三杆五自由度并联机床( 图1 1 2 ) 、2 0 0 0 年研制生产 出3 一p t t - 一- - 杆三自由度钢坯修磨并联机床( 图1 1 3 ) ，并与大连钢铁集团有限公司合 7 奎：! 盔兰堡圭兰竺篁圣 芏：兰丝篁 图1 1 1 东北大学研制的三杆三自由度 并联机床试验样机 f i g 1 11t h ep r o t o t y p e3 - d o ft r i p o dd e v e l o p e d b yn o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y 图1 1 2 东北大学三杆五自由度并联机床 f i g 1 1 2t h e5 - d o ft r i p o dd e v e l o p e d b yn o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y 作应用于钢坯修磨生产中；它是一种大负载加工机械，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。 图1 1 3 东北大学研制的3 - p t t 钢坯修磨并联机床 f i g 1 13t h e3 - l e g g e ds n a g g i n gp a r a l l e lm a c h i n et o o ld e v e l o p e d b yn o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y 并联机床是一种新兴的机床，还存在很多不完善的地方，目前并联机床研究 的主要内容有： 1 ) 并联机床组成原理的研究。研究并联机床自由度计算、运动副类型、支 8 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 铰类型以及运动学分析、建模与仿真等问题。 2 )并联机床运动空间的研究。包括运动空间分析及仿真、可达工作空间求 解、机床干涉计算及位置分析等。 3 )并联机床结构设计的研究。并联机床的结构设计包括很多内容，如机床 的总体布局、安全机构设计、数控系统设计( 包括数控平台建造、数控系统编程、 数控加工过程仿真等) 。 4 )并联机床刚度、精度、柔度、灵巧度的研究。并联机构封闭回路的特性， 使并联机床较传统串联结构机床具有更高的刚度，但这个特性引起的耦合问题， 相对的形成在动力分析上很大的困扰，因此对其研究应予以足够的重视。关于并 联机床精度的研究仍是国际难题，包括机床系统硬件研究( 及机床制造前精度设计 和精度描述) 和系统输出精度研究( 及机床制造后输出数据处理和精度评价) 。并联 机床柔度的研究包括柔度分析、柔度评价指标及其在工作空间内的分布等方面。 灵巧度主要研究灵巧度指标及其分布等。 5 )并联机床误差研究。包括误差分析、建模及误差精度保证、测量系统设 计等问题。 6 )并联机床模块设计与创建。根据工件加工的空间型和平面型，相应地把 并联机床分为空间型并联机床和平面型并联机床两大类。并联机床按功能和结构 可分为以下几个功能模块：执行模块、机座模块( 静平台模块) 、动平台模块、机 架模块、定位模块、驱动模块、控制显示模块、润滑与冷却模块。 7 ) 新型并联数控机床的研究。并联数控机床的设计与运行要用到非常复杂 的数学计算与推理，目前对于s t e w a r d 平台的理论研究已取得一些关键结论，还需 进一步研究s t e w a r d 平台的综合分析，为并联数控机床的研制提供理论基础。 8 )并联机床控制的研究。包括高速、高精度的控制算法，刀具运动轨迹的赢 接控制、开放式数控系统等。虚拟轴机床的最大特点是机械结构简单而控制复杂， 因此这方面的研究在并联机床的研究中具有举足轻重的作用。 1 3 机床数控技术的发展历史和研究现状 现代数控技术是集机械制造技术、计算机技术、成组技术与现代控制技术、 传感检测技术、信息处理技术、网络通讯技术、液压气动技术、光机电技术等于 一体的- - f 新兴而又发展十分迅速的高新技术，它也是现代制造技术的基础，它 的发展和应用，开创了制造业的新时代，使世界制造业的格局发生了巨大变化。 9 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 3 1 机床数控技术的发展历史概况 世界上开始数控研究的历史始于2 0 世纪4 0 年代后期。当时，由于航空航天技 术的飞速发展，对各种飞行器的加工提出了更高的要求。飞行器中大量的零件形 状复杂、精度要求高，而材料多为难加工的合金。以往的加工方法是使用仿形加 工机床，即在图纸设计和大量试验完成后，再制作昂贵的靠模和样板，然后在仿 形机床上进行加工。靠模和样板的制作也很困难，制造周期长，更新品种难，为 了加速航空、航天工业的发展，迫切要求革新样板加工设备。1 9 4 8 年，美国帕森 公司与空军部门签订合同【1 2 1 ，发展一种柔性的控制系统，用以装备机床，控制铣 刀加工出光滑曲线，帕森公司设想的方案是：把坐标点的代码打在穿孔卡上，然 后输入到机床的控制系统中，使一台改装过的铣床，按照微小增量的步距移动得 到需要的轨迹。并要求该机床精度高、生产率高，在变更加工零件时夹具的变换 不要太花费时间，以适应中、小批量零件加工自动化的要求，这就是数控制造系 统的最初构想。后来帕森公司和麻省工学院伺服机构研究所合作，进行数控机床 的研制工作。1 9 5 2 9 研制成功了世界上第一台三坐标数控铣床，其数控系统全部 采用电子管元件，具有直线插补、连续控制功能，它标志着第一代数控系统 电子管数控系统诞生。2 0 世纪5 0 年代末，完全由固定布线的晶体管元器件电路所 组成的第二代数控系统一晶体管数控系统研制成功，取代了昂贵、易坏、难以推 广的电子管控制装置。然而用户又有了更高的要求：要求数控系统实用、具有柔 性、易维修、适应不同加工类型；随着集成电路技术的发展，1 9 6 5 年出现了第三 代数控系统集成电路数控系统，集成电路数控比前两代数控在功能和使用上都 有了很大提高。计算机技术的迅速发展强有力地带动了数控技术的发展，1 9 7 0 9 在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出第四代数控机床一小型计算机数控； 其后，随着微型计算机以其优越的性能价格比渗透到各个行业中，很快也应用到 了数控技术中，1 9 7 4 年第五代数控系统一微型计算机数控系统也出现了。 从体系结构看，电子管数控系统、晶体管数控系统和集成电路数控系统主要 由电路的硬件和连线组成，所以统为称为硬数控系统或简称为n c ! ”】，其特点是 具有很多硬件电路和连接结点，电路复杂，可靠性不好；小型计算机数控和微型 计算机数控系统主要由计算机硬件和软件组成，称为计算机数控系统或简称为 c n c ( c o m p u t e r n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 数控系统。它最突出的特点是利用存储器里的 软件控制系统工作，这种系统容易扩大功能，柔性好，可靠性高，由于它具有许 l o 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 多优点而得到了飞速的发展。它采用存储器里的程序完成数控功能，其全部或部分 控制功能由软件实现，数控系统软件完成管理和控制两种工作，管理工作包括： 输入、i 0 处理、通信、显示和诊断等；控制工作包括：译码、刀具补偿、速度 处理、插补、位置控制等。 我国对数控技术的研究在是比较早的，从1 9 5 8 年开始，全国有上百所高等院 校、研究机构和工厂开展数控机床研究和试制。但由于国产元器件不配套，加之 工艺和技术还不够成熟，自1 9 6 0 年开始，数控研究工作纷纷下马，到1 9 6 2 年坚持 开展数控技术研究工作的单位已所剩不多，在这种情况下我国于1 9 6 6 年研制成功 晶体管数控系统，并于随后将其样机用于生产，其中有的品种已经小批量生产： 1 9 7 2 年我国研制成功集成电路数控系统，但接下来由于种种原因我国数控机床研 究工作陷入了低潮。2 0 世纪八十代以来，国家对数控机床的发展十分重视，经历 了“六五”、“七五”期间的消化吸收引进技术，“八五”期间科技攻关开发自 主产权数控系统两个阶段，已为数控机床的产业化奠定了良好的基础，取得了长 足的进步。“九五”期间数控机床发展已经进入实现产业化阶段，数控机床新开 发品种3 0 0 多个。新开发的国产数控机床产品大部分达到国际上世纪8 0 年代中期水 平，部分达到上世纪9 0 年代水平，为国家重点建设提供了一批高水平数控机床。 目前，我国数控系统正处于由研究开发阶段向推广阶段过渡的关键时期，也是由 封闭型向开放型过渡时期。我国在数控系统在技术上已趋于成熟，在某些重大关 键技术上己达到国际先进水平，而且我国数控系统的可靠性已有很大提高。 1 3 2 计算机数控系统研究现状 计算机数控是现代数控发展的主流，它的主要组成部分有：程序、输入输出 设备、计算机数字控制装置、可编程控制器、主轴驱动和进给驱动装置、位置检 测装置等( 如图1 1 4 所示) 【1 4 】；当然为了保证数控机床功能的充分发挥还要配备一 些数控机床的辅助装置如：液压气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和 数控分度头等才能构成一个完整的数控机床。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 | 输入装置l +括鲨卜 主轴电动机 1 一。 l f 一一+ 广 计算机数控 机床 通信线路 控制装置 l 输出装置 - 圈一 进给电动机 位置检测器 图1 1 4 计算机数控系统的组成 f i g 1 1 4c o m p o n e n t so f c o m p u t e r n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m 计算机数控相对于硬件数控有其无可比拟的优势，主要表现在以下几个方面： 1 )加工精度和同一批零件的尺寸重复精度高，加工质量的稳定性好。 2 )柔性好，通用性强。改变加工零件时，只需要改变通用、组合式可调夹 具装夹工件，然后更换刀具和加工程序就可继续进行加工。 3 )易于实现多功能、高复杂程度的控制。由于计算机可以安装很多外围设 备，很容易扩展数控系统和数控机床的功能。 4 )生产效率高。c n c 数控系统可以自动处理以前必须由工人做的工作，节省 了机床准备、调整和检测的时间，大大提高了生产效率。 5 )有很高的可靠性且经济实用。与n c 数控相比，c n c 数控系统许多功能均由 软件实现，减少了硬件焊点、接插件和外部联线，可靠性有很大提高。采用微机 数控系统后，系统的性能价格比也大大提高。 6 )易于向更高级的制造系统发展。计算机数控机床是机械加工自动化的基 本设备，计算集成制造系统、柔性制造系统、柔性制造单元都是以c n c 机床为主体。 目前，世界上c n c 系统的主要生产商有德国的s i e m e n s 公司，美国的a b 公司 和日本的f a n u c 公司等。比较高档的数控系统一般采用3 2 位以上的微处理器，机 床的进给大多采用交流伺服驱动，能实现5 轴或5 轴以上的联动控制，最小进给分 辨率可达0 1 微米以下，最大快速移动速度在1 0 0 n d m i n 以上，具有三维动画图形功 能和宜人的图形用户界面；同时还具有丰富的刀具管理功能、宽调速主轴系统、 多功能智能化监控系统和面向用户的宏程序功能；还有很强的智能诊断和智能工 艺数据库，能实现加工条件的自动设定，且能实现计算机的联网和通信。 1 2 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 3 3 数控技术发展趋势 随着计算机技术和微电子技术的发展，数控系统功能日臻完善，数控系统应 用领域日益扩大。数控系统正朝着以下几个方向发展： 1 )高速度高精度。速度和精度是数控系统的两个重要技术指标，它直接关 系到加工效率和质量。对于数控系统，高速化首先要求c n c 系统在读入加工指令 后，能高速处理并计算出伺服电机的位移量，并要求伺服电机迅速地做出反应， 所以提高微处理器的位数和速度是提高c n c 速度的有效手段，还要求主轴转速、 进给率、刀具交换、托盘交换等各种关键部件实现高速化。提高主轴转速可以采 用高速内装式主轴电机，这样主轴的驱动就不必通过变速齿轮箱，而是直接把电 机和主轴连接成一体装入主轴部件中，从而可将主轴转速提高到 4 0 0 0 0 5 0 0 0 0 r m i n 。现在一般通过减少数控系统的误差和采用补偿技术来提高数 控机床的加工精度，能有效地减小c n c 系统的控制误差的方法有：采用较高的分 辨率、以微小程序段实现连续进给，使c n c 控制单元精细化、提高位置检测精度 等；常用的补偿方法有：间隙补偿、丝杠螺距补偿、刀具补偿和热变形补偿等。 2 ) 多功能化。一机多能的数控系统可以最大限度地提高设备的利用率。数 控加工中心0 v i c ) 便是一种能实现多工序加工的数控机床，这类数控系统控制的机 床一般配有机械手和刀具库，工件一经装夹，数控系统就能控制机床自动换刀， 连续对工件的各个加工面自动完成铣、镗、铰孔、扩孔及攻螺纹等多工序加工， 把许多工序甚至许多不同工艺过程都集中到一台设备上来完成，从而可以避免多 次装夹造成的定位误差，减少设备台数、工夹具和操作人员，大大节省了辅助时 间，提高了工作效率。 3 ) 智能化。智能化是数控系统的一个重要目标，数控系统可以对机床主轴 转矩、切削力、切削温度、刀具磨损等参数进行自动测量，并由c p u 进行比较运 算后发出修改主轴转速和进给速度大小的信号，确保机床处于最佳的切削用量状 态；建立专家系统和示教系统，从而达到提高编程效率和降低对编程人员技术水 平的要求；具有设备故障自诊断功能，如果系统出了故障，控制系统能够进行自 诊断，并自动采取排除故障的措施以适应长时间无人操作环境的要求；引进模式 识别技术，应用图像识别声控技术，使机器自动辨认图样，按照自然语音命令进 行加工。 1 ) 开放性。传统的数控系统是一种专用封闭式系统，各个厂家的产品之间 1 3 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 以及与通用计算机之间不兼容，使维修、升级困难，难以满足用户的需要；开放 式体系结构普遍采用模块化、层次化的结构，并通过各种形式向外提供统一的应 用程序接口，具有可移植性、可扩展性、互操作性和可缩放性等特点，即系统组 成的内部开放化和系统组成各部件之间的开放化。 2 ) 高可靠性。数控系统可靠性一直是人们关注的重要问题，对在长时间无 人操作环境下运行的数控系统要求更高，目前通常采取的措施有：提高线路集成 度，以减少原器件的数量降低功耗；建立由设计、试制到生产的一整套质量保证 体系，数控系统的质量；增强故障自诊断功能和保护功能。 3 ) 小型化。体积小型化便于将机电设备装在一起。 4 ) 具有更高的通信功能。自动化程度不提高要求数控机床有较强的通信功 能，以组成柔性制造单3 元( f m c ) 、柔性制造系统( f m s ) 以及计算机集成制造系统 f c i m s ) 等。 5 ) 功能更加强大的机床可编程控制器( p l c ) 。利用p l c 的高速处理功能，可 以使c n c 与p l c 之间有机地结合起来也可以利用梯形图的监控功能，使机床的故 障诊断和维修更为方便。 1 3 4 并联机床数控技术简介 并联机床采用与传统数控机床相同的伺服控制技术，并联机床的数控系统也 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，从机床运动学的观点看，并联机床与传统机床的本质区别在予 动平台在操作空间的运动是关节空间伺服运动的非线性映射又称虚实映射。因此， 在进行运动控制时，必须通过逆解模型，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。由于构型和尺度 参数不同，导致不同并联机床虚实映射数学模型和参数不尽相同，因此必须采用 开放式体系结构建造数控系统，以增加模块化和可重构性，降低再次开发的难度。 由于并联机床存在特殊的作业空间、奇异位形、灵活度、刚度和运动的非线性虚 实映射等问题，所以其c n c 系统中必然包括传统c n c 所不具备的作业空间、奇异 位型检验、刚度、灵活度验算和运动控制的虚实转换等功能；从伺服控制的角度 来看，并联机床刀具运动空间为虚轴空间，而驱动关节空问为实轴空间，运