（机械电子工程专业论文）串并联混合式数控机床控制技术的研究.pdf

华中科技大学博士学位论文 摘要 并联机床具有模块化程度高、重量轻和加工速度快等优点，已成为新结构数控 机床的重要研究方向。尽管并联机床具有上述优点，但也存在着工作空间小、控制 复杂、实用精度和刚度还不理想等缺点，采用串并联混合结构可以较好地解决上述 不足。由于串并联机床在运动控制方面与常规机床有较大的不同，本文对此进行了 深入的研究，主要工作如下： ( 1 ) 对常规五坐标机床结构进行了研究，针对大型飞机零件五坐标加工特点 提出了一种串并联机床运动结构，分析了基于此结构的机床控制特点，并阐述了该 机床控制中应解决的关键问题。 ( 2 ) 分析了平台的运动变换，建立了串并联机构的几何约束方程，成功地推导 了此类机构位置正解的解析表达并建立了位置逆解模型，为后续的研究提供了关键 性的基础。 ( 3 ) 采用虚设构件法和影响系数理论，对机构的速度与加速度进行了分析，并 通过数值仿真分析了机构的输入运动与输出运动之间的非线性关系，为进给速度控 制提供了基础。 ( 4 ) 根据串并联机床的特点，进行了机构运动变换、非线性误差分析、进给速 度控制及作业空间保护的研究，较好地实现了该机床的n c 运动控制。 f ( 5 ) 由于机构实际参数测量非常困难，推导了机构的误差模型，提出了一种机 构参数的辨识方法，并研究了位姿误差的测量，实现了通过修正机构参数进行机床 静态误差的软件补偿。 ( 6 ) 基于上述研究，研制了一个功能比较完善的串并联混合机床控制系统，介 绍了该系统的软、硬件结构，任务流程和任务机制。该系统已应用于国家“九五” 重点攻关开发的串并联机床上，获得了良好的效果。尸7 ， 关键词，串并联数控机床正i 煎解p 挂犷速度力口速度分析n c 运动控制 机构运动变换进给速度控制作业空间保护误差补偿 了一 华中科技大学博士学位论文 i i a b s t r a c t a p a r a l l e lm a c h i n e t o o lp o s s e s s e ss o m ea d v a n t a g e ss u c ha sh i e , h e rm o d u l a r i z a t i o n ， l i g h t e rw e i g h ta n ds h a r p e rf e e dr a t e s oi th a s b e e na ni m p o r t a n td i r e c t i o no fr e s e a r c ho n n cm a c h i n et o o lw i t han e ws t r u c t u r e d e s p i t et h ea b o v e m e n t i o n e dv i r t u e s ，i th a ss m a l l w o r k s p a c e ，c o m p l e xm a n i p u l a b i l i t y , l o wa p p l i e da c c u r a c y a n dr i g i d i t y t h e s ed e f i c i e n c i e s c a nb es o l v e dw i t has e r i a l - p a r a l l e lm e c h a n i s m h o w e v e r , t h em a n i p u l a t i o n o ft h e s e r i a l 。p a r a l l e l m a c h i n et o o l i sf 打d i 艉r e n tf r o ms e r i a lo n e t h e r e f o r et h ec o n t r o l t e c h n o l o g yf o rt h es e r i a l - p a r a l l e lm a c h i n et o o lh a sb e e nd e e p l ys t u d i e di nt h ef o l l o w i n g a s p e c t s ： ( 1 ) t h ef i v e a x i s s t r u c t u r eo fg e n e r a ln cm a c h i n et o o li ss t u d i e d ak i n do f s e r i a l p a r a l l e ls t r u c t u r ei sp r e s e n t e da c c o r d i n g t ot h ef i v e a x i sm a c h i n i n gf e a t u r e so f l a r g e a i r p l a n ew o r kp i e c e s n l ec h a r a c t e r i s t i c sa n dk e yi s s u e si nt h ec o n t r o lo f t h em a c h i n et o o l w i t ht h i ss t r u c t u r ea r ca n a l y z e d ( 2 ) t h et r a n s f o r mo f p l a t f o r mi sa n a l y z e d t h eg e o m e t r yc o n s t r a i n te q u a t i o n sf o rt h i s m e c h a n i s ma r eg i v e n t h ef o r w a r dk i n e m a t i c so ft h i sm e c h a n i s mi ss u c c e s s f u l l yd e r i v e d i na n a l y t i c a lf o r ma n dt h er e v e r s em o d e li sg i v e n ，w h i c ha r et h e k e yb a s i so f t h ef o l l o w i n g r e s e a r c h ( 3 ) t h ev e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o no fm e c h a n i s ma r ea n a l y z e dw i t ht h ev i r t u a ll i n k m e t h o da n dt h ei n f l u e n c ec o e f f i c i e n tp r i n c i p l e t h en o n l i n e a rr e l a t i o nb e t w e e nt h ei n p u t a n d o u t p u tm o t i o ni sa n a l y z e dw i m n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h e s ea n a l y s e sa r et h eb a s i so f t h ef e e dr a t ec o n t r 0 1 ( 4 ) a c c o r d i n gt o t h ec o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c so fs e r i a l - p a r a l l e l m a c h i n et 0 0 1 t h e k i n e m a t i ct r a n s f o r mo fm e c h a n i s m ，t h en o n - l i n e a re r r o r , t h ef e e dr a t e c o n t r o la n dt h e w o r k s p a c ep r o t e c t i o na r es t u d i e d n en cm o v e m e n tc o n t r o lf o rt h i sm a c h i n et o o li s f a v o r a b l yr e a l i z e d j i 华中科技大学博士学位论文 ( 5 ) b e c a u s et h em e a s u r e m e n to f t h ea c t u a lm e c h a n i c a lp a r a m e t e r si sv e r yd i f f i c u l t , t h ee r r o rm o d e lo fm e c h a n i s mi sd e r i v e d ，am e t h o df o ri d e n f i f y i n gt h e s ep a r a m e t e r si s e x p l o r e da n d t h em e a s u r e m e n to f t h e p o s i t i o na n do r i e n t a t i o ni ss t u d i e d t h es t a t ce r r o ri s c o m p e n s a t e d i ns o f t w a r eb ya d j u s t i n gt h e i n p u to f t h em a c h i n e t 0 0 1 ( 6 ) b a s e do nt h ea b o v e m e n t i o n e da c h i e v e m e n t s ，am o r ep e r f e c tc o n t r o l l e rf o rt h e s e r i a l p a r a l l e ln c m a c h i n et o o l ，w h i c hi ss u p p o s e d b yt h en i n e - f i v ey e a rp l a nn a t i o n a l k e yp r o j e c t s ，i si m p l e m e n t e da n do b t a i n sf a v o r a b l ee f f e c t t h et a s k f l o w , t h et a s k p r i n c i p l e ，t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r es t r u c t u r ea l ei n t r o d u c e d k e yw o r d s ：s e r i a l p a r a l l e ln c m a c h i n et o o l f o r w a r d r e v e r s ek i n e m a t i cp r o b l e m v e l o c i t y a c c e l e r a t i o na n a l y s i sn cm o v e m e n tc o n t r o l k i n e m a t i ct r a n s f o r mo f m e c h a n i s m f e e dr a t ec o n t r o l w o r k s p a c ep r o t e c t i o n e r r o rc o m p e n s a t i o n h i 华中科技大学博士学位论文 1 绪论 摘要：介绍了论文的课题来源、研究目的；回顾了并联机床的发展概况，综述了控制 技术的研究现状，分析了当前机床控制中存在的问题：阐述了本文的主要研究工作和 创新点。 1 1 课题来源与研究目的 i i 1 课题来源 本课题来源： ( 1 ) 国家“九五”重点攻关专题“五轴桁架结构数控机床的研究与开发”( 项 目编号为9 6 一a 2 2 0 1 - 0 3 0 2 ) ( 2 ) 武汉市科技项目“并联结构数控高速加工机床关键技术研究”( 项目编号 为9 9 1 0 0 2 0 3 3 ) 1 1 2 研究目的 并联机床是机器人技术、机械加工技术、自动控制技术、计算机技术和信息处 理技术交叉的结合。由于并联机床具有模块化程度高、可重组性强，理论上刚度好、 承载能力强、结构对称易于补偿、重量轻响应速度快和技术附加值高等优点，作为 一种新型和具有较大发展潜力的加工设备，近年来受到了国际机床行业的高度重视， 并成为国际学术界的研究热点。然而，由于并联机构自身固有的局限性，虽然国内 外已经研制出了一些并联数控机床的样机，但在实用性方面还存在许多问题例 如有效工作空间小、运动控制复杂和实用刚度还不够好等，且由于并联机床运动结 构的复杂性输入控制量与输出控制量之间存在着非线性关系，使得设计者和使 用者无法象对传统串联型机床那样经过简单的分析计算就能获得机床的工作特性。 华中科技大学博士学位论文 因此，仍然存在许多控制技术问题没有得到很好解决，并阻碍了这种新型加工设备 的实用化。为此，国家“九五”科技攻关将并联数控机床的研究与开发作为重点专 题，由中科院沈阳自动化所负责，并由华中科技大学承担其控制系统软件的研制a 此外，武汉市科委也委托我校进行并联机床关键技术的研究。 由于并联机床运动的复杂性，目前在控制技术方面的研究比较薄弱，很大程度 上制约了并联机床的实用化进程。因此，本文根据机床运动结构特点并针对并联机 床控制方面存在的不足，对串并联混合数控机床控制技术进行了深入、系统的研究， 主要解决机构运动变换、插补速度控制、作业空间保护控制和误差补偿等控制问题， 为机床数控系统的研究与开发提供技术基础。 本文研究工作的现实意义是为串并联机床提供了与传统数控保持兼容、操作方 便、实用性好的控制系统。此外，对该机床相关控制技术的探索，对开发具有自主 版权的并联机床数控系统、发展我国新型数控加工设备和提高我国机床制造业的竞 争力都具有重要的意义。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 并联致控机床的发展概况 机床是机械制造的工作母机，自问世以来经历了普通机床、机械式自动机床、 数控机床和加工中心等几个发展阶段，并向高速、高精、高效、自动化、柔性化和 复合化方向发展，然而在机床结构技术上始终采用由工作台、床身、立柱和主轴箱 等部件串接而成的布局结构。它存在以下不足卜”】： ( 1 ) 机床结构部件不但承受拉、压载荷，而且还承受弯、扭载荷。因此为了保 证刚度，通常需要建造粗笨的结构支撑件和运动部件，这些都制约了进给速度和加 速度的提高。 ( 2 ) 机床结构复杂、部件众多。 ( 3 ) 机床布局的非对称性可能导致受力与热变形不均匀，使进一步提高精度及 实现精确的误差补偿较为困难。 并联机构为研制新型结构机床开辟了一条崭新的途径。基于s t e w a r t 机构1 1 4 ) 的 华中科技大学博士学位论文 并联机床由运动平台、固定平台和6 个可伸缩的运动杆件组成，各运动杆件通过球 铰与运动和固定平台连接，并由伺服电机、滚珠丝杆副实现杆件的伸缩运动。若将 不同的工作主轴固定在运动平台上，则通过杆件的伸缩可以实现五坐标数控加工。 与传统的串联机床相比，并联机床具有许多优点，具体表现为”。”： ( 1 ) 以杆件作为运动部件，通用性好、模块化程度高、结构简单可方便地进行 各种自由度组合及布局形成不同的加工设备，是可重组柔性制造系统的重要单元设 备。在动平台上安装各种刀具可进行多坐标铣、镗、钻、磨、抛光等加工，若装备 机械手腕、测量设备和高能源发生器等末端执行器，还可完成精密装配、焊接、测 量和特种加工等作业。 ( 2 ) 切削力由杆件承担，理论上杆件仅受轴向载荷而没有弯扭载荷，而且采用 结构刚度好的多杆桁架，因此机床变形小、承载能力强。 ( 3 ) 由于机床结构对称，各杆的变形及误差对最终的平台位姿有均化和抵消作 用，而且还简化了受力变形和热变形的误差补偿。 ( 4 ) 无需以增加部件质量来提高刚度，机床重量轻、惯量小，有效地改善了伺 服控制的动态品质，可实现较高的运动速度和加速度，因而适合于多种高速加工应 用。 ( 5 ) 具有“硬件”简单、“软件”复杂的特点，是一种技术附加值很高的机电 一体化产品，有望获得较好的经济效益。 由于并联机床具有良好的发展潜力，因而自其从问世以来就得到国内外学术界 和工业界的密切关注并取得了一定的进展。1 9 9 3 年，美国i n g e r s o l l 公司首次提出 采用并联形式的机床结构u 3 。在1 9 9 4 年美国芝加哥i m t s 9 4 博览会上，美国 g i d d i n g s l e w i s 公司和英国g e o d e t i ct e c h n o l o g yi n t e r n a t i o n a lh o l d i n g s 公 司首次展出了称为“变异型”( v a r i a x ) 1 5 1 和“六足虫”( h e x a p o d s ) 1 6 1 的数控机床 与加工中心，产生了轰动效果，被多家媒体称誉为“机床结构的重大革命”、“2 1 世纪新一代数控加工设备”等n 8 】。此后，俄罗斯l a p i c 公司i i o 、意大利c o m a u 公 司、瑞典n e o sr o b o t i c s 公司、挪威m u t i c r a f t 公司、丹麦b r a u n s c h w e i g 公司、 日本丰田 i 1 1 、东芝、日立精机、三菱重工等公司，德国亚琛工业大学、汉诺威大学、 斯图加特大学、韩国国立昌原大学、瑞士联邦技术学院( e t z h ) 的机床和制造研究 所( i f w ) 等单位也纷纷对不同结构形式和功能的并联机床i t , s 进行研制。 华中科技大学博士学位论文 我国对并联机床这一机床行业的新发展方向也极为重视并将并联机床的研究与 开发列入国家“九五”攻关计划和8 6 3 高技术发展计划，相关的基础理论研究则得 到国家自然科学基金和国家攀登计划的连续资助。有些高校还将并联机床的研制纳 入教育部2 11 工程重点建设项目，并得到地方政府部门的支持且吸引了机床骨干企 业的参与。因此，在国内掀起了一股研究与开发并联机床的热潮。清华大学、中科 院沈阳自动化所、天津大学、哈尔滨工业大学、东北大学、燕山大学、国防科技大 学、北京航天航空大学和华中科技大学等都已开展了该方面的研究1 2 】。 虽然各国推出的机床结构形式有很大的不同，但区别主要集中在三个方面：机 床的总体布局、并联机构的运动自由度和机床的驱动方式。 机床总体布局主要分为倒置式( 悬挂式) 和正置式。所谓倒置式就是并联机构 倒挂悬置，在运动平台下方安装刀具。而正置式布局的机床特点为运动平台上刀具 处于上下两平台及驱动杆件共同组成的空间内。美国g i d d i n g s l e w i s 公司的“变 异型”( v a r i a x ) 并联数控机床采用的是后一种布局，而俄罗斯l a p i c 公司和日本丰 田公司的机床采用前一种布局。虽然前一种布局需要一个较占空间的桁架结构支架 用于悬挂运动平台，但由于刀具与工件处于悬挂杆件的外侧，因此与后一种结构相 比，工件的装夹与刀具的更换更为方便而且机构的工作空间更大。 美国g i d d i n g s l e w i s 公司的“变异型”( v a r i a x ) 、英国g e o d e t i ct e c h n o l o g y i n t e r n a t i o n a lh o l d i n g s 公司的“六足虫”( h e x a p o d s ) 、俄罗斯l a p i c 公司的机床 和清华大学研制的镗铣类v a m t i y 型虚拟轴机床原型样机“1 等都是典型的基于6 自由度并联机构的五坐标数控机床。其中清华大学研制的样机采用双八面体桁架、 全对称控制轴结构和并联机构正置的总体布局，通过伺服电机和精密滚珠丝杠驱动 连接固定平台和运动平台的可伸缩6 杆来控制装有主轴头的动平台空间位置和姿 势，进而实现五坐标复杂曲面加工。还有一大类基于3 自由度并联机构的数控机床， 如文献 2 2 3 1 中研究的机床。其中文献 2 8 - 3 1 的研究对象为东北大学研制的 d x s 5 7 0 型三杆三自由度虚拟轴机床样机。它的最大特点是机床运动自由度少于六 个，机床的固定平台和运动平台都呈正三角形结构，通过三根可改变长度的驱动杆 件来悬挂运动平台，使用中间所加的空间平行机构来限制3 个转动自由度，即运动 平台在空间内只能实现3 个自由度的平移。当改变驱动杆件的长度时，运动平台的 位置将会发生变化。目前国内外基于其他自由度机构的并联机床比较少，典型的如 华中科技大学博士学位论文 文献 3 2 、 3 3 中研究的机床。其中文献 3 2 的研究对象为中国科学院沈阳自动化 所研制的一台以模具加工和叶片异形曲面的五轴铣削加工为目标的并联数控机床。 该机床首次采用串并联混合导轨驱动结构，不仅可以借鉴成熟的导轨驱动技术简化 机床设计，而且较好地解决了传统纯并联机床作业空间小的不足。此外，该机床采 用由两部分构件铰接组成的4 自由度运动平台并增加一导轨使工件可以沿某一方向 平动，不仅解耦了机床的部分运动控制并简化了计算，而且在一定程度上增大了机 床作业空间。 机床的驱动方式主要分为固定杆长导轨驱动和伸缩杆驱动两种。大部分的并联 机床都采用后一种驱动方式。相对而言，采用前一种驱动方式，不仅可以借鉴传统 机床的相关技术，而且有利于提高精度和整机的刚性，典型的如最近由瑞士联邦技 术学院( e t z h ) 的机床和制造研究所( i f w ) 开发的机床及日本丰田公司研制的机床。 1 2 2 并联机床控制技术的研究现状 由于并联机床具有机械结构简单而控制系统复杂的显著特点，因此控制技术的 研究是并联机床理论研究的关键部分之一。目前与控制技术相关的研究工作主要从 机构运动学、机构动力学和机床n c 控制等方面进行。 ( 1 ) 机构运动学和动力学 位置正、逆解 位置正、逆解问题( f o r w a r dk i n e m a t i cp r o b l e ma n dr e v e r s ek i n e m a t i c p r o b l e m ) 不仅是并联机构运动学研究的核心内容，也是构造机床作业空间数值算法、 控制机床运动、误差补偿和速度及加速度分析的理论基础。 w a l d r o n 和h u n t 在文献 3 4 中指出：与串联机构相比，并联机构的位置逆解问 题( r k p ) 比较简单而且具有一一对应的显式格式：然而机构位置正解问题( f k p ) 却极其复杂，不仅需要求解一组非线性方程组，而且可能有多种答案。迄今为止， 尚缺乏具有普遍意义的通用s t e w a r t 平台运动学正解的解析形式，因此，不少学者 采用数值法进行求解 3 s - 3 8 1 。 d i e u d o n n e t 3 7 1 采用n e w t o n r a p h s o n 数值算法解决了与标准s t e w a r t 平台相似 的运动仿真器的f k p 。在文献 3 8 中，b e h i 也采用类似的数值方法解决并联机构的 华中科技大学博士学位论文 f k p 。 数值法基本上都采用相似的迭代方法来求解含多个中间变量的超越方程进而获 得机构的位置正解，具有建模简单、使用方便、通用性强不受机构类型限制的优点， 但也存在着难以获得完整的位置正解和迭代不收敛的不足。因此，近年来，不少研 究人员对一些特殊构型的并联机构运动学解析正解问题进行了深入的探讨，出现了 一批研究成果 2 4 , 2 6 , 3 1 , 3 9 - 4 7 。 5 r i f f s 和d u f f y 【3 9 1 首先采用解析法求解了o c t a h e d r a 型s t e w a r t 平台的f k p ， 尽管这类3 3 构型( 两个数字分别表示运动支链与固定平台、运动平台相连接的铰 链数) 的机构较为简单，但推导出了复数域内的1 6 组正解。随后，n a n u a 和 w a l d r o n ( 4 0 1 、i n n o c e n t i 和p a r e n t i - c a s t e l l i l 4 1 1 分别对6 3 构型s t e w a r t 平台的位 置解析正解进行了分析，都得到了复数域内的1 6 组正解。l i n 、d u f f y 和g r i f f s l 4 2 则对4 4 构型的并联机构正解进行了研究，得到了复数域内的2 4 组封闭正解。 i n n o c e n t i f 4 3 1 则对6 4 配置的并联机构正解进行了分析，得到了复数域内的3 2 组 正解。迄今为止，最为复杂的位置正解分析应属i n n o c e n t i 和p a r e n t i - c a s t e l i h 4 】 对5 5 配置并联机构的研究，他们推导出的封闭正解在复数域内的个数多达4 0 个。 解析法主要是针对某些特殊构型的并联机构，利用消元技巧获得所有的封闭位 置解，并将这些可能解回代原有方程进行验证从而得到机构的真实解。由于机构的 复杂性和多样性，到目前为止，仍有许多并联机构的解析正解问题尚未解决，本文 所研究的这类并联机构就是其中之一。 作业空间 一般的并联机床运动结构具有作业空间小、奇异点多和各向操作性差等不足， 目前的研究主要集中在作业空间的求解、奇异点的回避和灵活性的评价。 目前工作空间的求解主要分为作图法【4 “5 0 】、解析法 2 2 , 2 7 , 5 1 1 和数值法 5 2 - 5 3 j 。尽管 作图法对于简单的机构可能比较有效，但对于稍微复杂的空间机构就无能为力，而 且还存在难以保证结果精确性的问题。解析法的基本思路是将并联机构的各个分支 作为单开链利用串联机构的空间求解方法曲面包络原理求解各分支子空间边 界，在此基础上再利用曲面求交技术得到机构的整体工作空间边界。解析法不仅求 解过程复杂难以实现，而且在表达机床工作间这一立体空间方面有较大的困难。数 值法的核心算法为根据工作空间边界必为约束条件起作用边界的性质，基于机构位 6 华中科技大学博士学位论文 置逆解模型并结合约束条件搜索工作空间边界点集，具有简便实用的特点。 奇异位形与灵活度是评价机床运动精度和静刚度的重要指标。g o s s e l i n ”】和 a n g e l e s l 5 4 , 5 5 1 基于运动速度方程将奇异位形分为边界奇异、位形奇异和构型奇异三种 形式。除了上述的矩阵分析法外，m e r l e t p “5 7 1 使用基于线丛和线汇特性的g r a s s m a n n 线几何法来判别机构的奇异位形。该法不仅具有直观性好，而且可以找出机构的所 有奇异位形。目前评价并联机构操作灵活度的指标主要有s a t i s b u r g 和c r a i g 3 1 提出 的雅可比矩阵的条件数和y o s h i k a w a t ”) 提出的可操作度。研究表明，后者作为衡量 指标更为合理一些忡】。 误差补偿 误差补偿是并联机床工程化的关键，但由于影响并联机床加工精度的因素很多 而且比较复杂，目前只有少数学者致力于这方面的研究。文献 6 1 分析了机床几何 结构参数误差对平台位姿精度的影响并采用误差补偿器硬件来消除平台的位姿误 差，相对软件法补偿虽然具有补偿精度高，但结构复杂、成本较高且对操作器的刚 性影响较大。文献 6 2 和文献 6 3 把连接运动平台的每一条支链都认为是串联运动 链并建立了它们的运动方程，考虑了制造和装配造成的铰链及关节误差，运用数值 方法进行了精度分析。仿真结果表明，若综合考虑所有影响运动平台精度的所有因 素，并联机构的终端精度并不一定比串联机构高。 此外，进行动力学研究的目的是为了优化机床刚度、提高加工性能以及利于机 床控制，但由于涉及因素较多而且非常复杂，目前尚难以实际应用。当前关于动力 学的研究主要集中在刚体动力学模型的建立上。即已知运动平台规律，采用拉格朗 日方程【“1 、虚功原理1 2 1 、凯恩方程邮1 等力学原理来求解驱动力矩和各运动副的约 束反力。 ( 2 ) 机床n c 控制 控制系统是数控机床的核心，其基本功能是完成数字化程序信息的输入、译码、 运算，机床的运动控制和状态监控。因此，控制系统的设计就成为并联机床控制技 术研究的最基本问题。 自1 9 5 2 年第一台数控机床问世以来，常规串联机床数控系统结构从n c ( 硬线 数控) 、c n c ( 计算机数控) 发展到目前的p c n c ( p c 数控) ，而硬件组成则经历 了电子管、晶体管、小规模集成电路、微处理器芯片到微型计算机p c 的五代发展。 华中科技大学博士学位论文 特别是9 0 年代以后，随着p c 性能的提高、数量的增加、价格的下降，使原为个人 事务处理而设计的p c 机，走向工业控制应用，并成为批量生产的商品和各种控制 应用的开发平台。p c 日益提高的处理能力，使得用软件方式完成大部分c n c 功能 成为可能；其硬件的高度集成，使得专用结构设计的优势不再明显：而p c 丰富的 技术资源、优越的开发环境，可以大大简化c n c 系统设计。因此基于p c 的n c 控 制器由美国a i 公司首先推出后得到迅速发展。目前，p c - - n c 已被各大公司所接受， 并推出了许多成熟的产品。国外的产品如美国、c i n c l n n a t im i l a c r o n 公司的 a c r a m a t i c2 1 0 0 系统、日本f a n u c1 6 0 b 、德国s i e m e n s 的8 4 0 d 系统和意大利f i d i a 的m 3 0 系统。德国s i e m e n s 的8 4 0 d 、法国的n u m l 0 6 0 、美国辛辛那提的2 1 0 0 m c 等1 “- 6 7 】。国内则有航天i 型、中华i 型、蓝天i 型和华中科技大学推出的华中i 型数 控系统等“”】。 虽然常规数控机床的c n c 系统已经发展得比较完善，但由于并联机床是一个近 年才出现的新生事物，特别是其运动控制比较复杂，因此迄今为止国内外尚无成熟 的通用并联机床数控系统产品，目前仍处于摸索阶段。 典型的系统硬件结构有两类。类为文献 3 3 中采用的p c + 软件数控的系统硬 件结构，p c 通过插在p c i 槽上的自制i o 板经放大器后直接驱动运动轴。另一类为 清华大学【1 5 1 和东北大学m 1 研制的样机系统硬件，它们都采用p c 工控机( i p c ) 为上 位机，通过基于d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 的多轴运动控制器p m a c 实现对 伺服系统的控制。这两类结构的主要区别在于：后者的p c 主机完成控制系统的核心 任务译码解释和插补控制，p m a c 完成位置控制和p l c 功能，而前者的p c 完成 了所有的控制任务。因此比较而言，前者具有硬件结构简单而软件相对复杂的特点。 在系统软件方面，由于并联机床的运动控制使用的是关节坐标( 固定杆长导轨 驱动为滑块位置；伸缩杆式驱动为杆长) ，而工件几何描述和加工刀具轨迹规划等仍 和传统数控机床一样采用的是三维笛卡儿直角坐标，因此传统的n c 控制软件不适合 于并联机床。资料【1 5 2 ”0 1 表明目前的研究样机系统软件基本上采用如下解决方案： 在传统控制软件的基础上增加以位置逆解模型为基础的运动学变换模块进行运动控 带0 。 1 2 3 当前并联机床控制中存在的问题 华中科技大学博士学位论文 由于并联机床的研制仍处于起步阶段，研究重点在运动学变换而对其他涉及较 少，因此在机床控制方面存在以下不足： ( 1 ) 机构运动变换问题 由于并联机床控制的是关节空间坐标，并非常规意义下的笛卡儿坐标，因此常 规的控制系统将无法完成对该机床的直接控制。此外受限于复杂度极大的运动学位 置正解问题，目前控制系统软件中的运动变换模块只考虑了基于位置逆解模型的运 动控制( 将直角空间内的运动平台位姿映射为机构空间内的关节位置) ，还不够完善。 因此，现有的运动控制功能将使系统难以完成实际运动轴点动及步进操作、位姿初 始化等任务。 ( 2 ) 速度控制问题 由于并联机床运动坐标轴线与笛卡儿坐标轴线之间不存在线性关系，将在插补 过程中产生非线性误差，这个误差主要取决于机床的插补速度。此外，若机床运动 轴的插补速度或其变化量超出伺服驱动能力的允许范围将产生几何轨迹误差。因此， 需要对插补速度进行合理的控制以减小误差满足加工精度要求。目前尚未见到相关 的研究文献。 ( 3 ) 作业空间保护控制问题 由于机床在运行过程中，可能发生机构干涉、铰链极限约束被破坏和运动轴超 过允许的行程范围等安全性问题，这就涉及到机床保护问题。若在控制系统中不能 较好地解决这些问题，操作者将不能充分发挥并联机床的作业能力并使机床安全可 靠地运行，这是当前控制系统普遍存在的不足。 ( 4 ) 误差补偿问题 目前关于误差的研究主要集中于精度分析，涉及误差补偿的文献难得一见，当 前的并联机床控制系统较少考虑误差补偿问题。 1 3 本文的主要工作 针对上述问题，结合“九五”攻关项目和武汉市科技项目，本文开展了以下主 要工作： 华中科技大学博士学位论文 ( 1 ) 对常规五坐标机床结构进行了研究，针对大型飞机零件五坐标加工特点， 提出了一种串并联机床运动结构，分析了基于此结构的机床控制特点，并阐述了进 行该机床控制所必须解决的关键问题。 ( 2 ) 分析了平台的运动变换，结合机床特定的运动结构推导了机构的几何约束 方程，在此基础上解决了此类机构的位置解析正解问题并建立了位置逆解模型，为 进一步的控制技术研究与开发建立了关键性的基础。 ( 3 ) 采用虚设构件法和影响系数理论对并联机构的速度与加速度进行了分析， 并通过数值仿真研究了机构的输入、输出运动之间的非线性关系，为系统中的插补 速度控制以及进一步的机床动力学分析和控制建立了基础。 ( 4 ) 在常规控制的基础上通过增加机构运动变换、进给速度控制、作业空间保 护控制实现了适合串并联机床的n c 运动控制；介绍了基于时间分割的五坐标线性插 补原理：研究了基于位置正、逆解模型的n c 运动变换控制；结合具体的机床运动结 构，分析了插补过程中产生的非线性误差，并根据系统允许的插补精度差及伺服驱 动的速度和加速度对进给速度进行了控制，提出了相应的控制策略：为充分发挥机 床的作业能力并使机床安全可靠地运行，分析了几何约束条件对作业空间的限制， 在此基础上采用基于机床位置逆解模型的极限边界搜索方法确定了作业空间并设计 了机床运行保护控制策略。 ( 5 ) 针对制约串并联机床实用化的精度问题，在建立了机构误差模型和测量平 台位姿误差的基础上，提出了机构实际参数识别的新方法，进而通过调整机床结构 参数实现静态误差补偿。 ( 6 ) 进行了基于i p c + p k a c 控制系统设计方案的研制，介绍了控制系统的软、 硬件结构和任务流程，最后还探讨了系统软件中的任务机制问题。 ( 7 ) 基于上述研究，研制了一个功能比较完善的串并联混合机床控制系统，已 应用于国家“九五”重点攻关的串并联机床上并经过长期的考核，具有较好的稳定 性和可靠性。并且，该系统还具有开放性好、模块化程度高、与传统数控保持兼容、 操作方便和实用性较好等特点。 全文各章内容及组织结构如图1 一l 所示。 1 0 华中科技大学博士学位论文 关键问题的研究 第一专 绪论：研究背景 之多 第二章 控制中关键问题的提出 图1 - 1 全文的组织结构 本文的创新点如下： ( 1 ) 研究了一类复杂度大的串并联机构位置正解问题，提出了理论解析表达， 为该类机构的运动分析及控制提供理论基础。 ( 2 ) 针对串并联机床控制特点，研究了n c 运动变换、插补速度控制和作业空 间保护方法，使该类机床的使用操作形象直观，符合常规习惯。 ( 3 ) 对该类机床的运动误差补偿问题进行了探讨，针对机构实际参数测量困难 问题，提出了一种基于反求的参数辨识方法，为实现机床静态误差的软件补偿提供 了有效途径。 华中科技大学博士学位论文 2串并联混合机床控制中的关键问题 摘要：提出了串并联混合数控机床结构，分析了其运动控制特点，阐述了该类机床控 制中的关键问题。 2 1 引言 主轴双摆动机构是五坐标机床的关键部件，其结构复杂、制造精度和刚度要求 高，国内目前尚未解决其关键制造技术，只能依赖进口并受国外封锁。为此，采用 结构简单的并联机构来实现双摆动运动是一种解决途径。然而纯并联结构机床的有 效工作空间普遍较小，采用串并联混合结构将可以较好地弥补这种缺陷。由于串并 联结构的特殊性，它在控制方式上与常规数控机床有较大的不同，因此有必要对该 机床控制中的一些关键问题进行深入研究。 2 2 机床运动结构 2 2 1 常规五坐标机床结构 五坐标机床结构主要分为刀具摆动型、工作台回转摆动型和刀具与工作台回转 摆动型三种【6 8 1 ，如图2 1 所示。第一种结构类型是指机床的两个转动轴都作用于 刀具上，由刀具绕两个互相正交的轴转动以使刀具能指向空间任意方向。根据旋转 轴的轴线方向在运动过程中是否变化可将两转动轴分为定轴和动轴。第二种结构类 型的机床将两个转动轴都作用于工件上，根据运动的相对性原理，它与由刀具摆动 产生的效果在本质上是一样的。这种结构也分为定、动轴结构，其中动轴紧靠工件。 第三种结构类型是指机床的刀具与工件各具有一个转动运动，但采用的不是定、动 轴结构，因为两个回转轴在空间的方向都是固定的。虽然后两种结构的旋转摆动工 作台容易实现、刚性较好且工艺范围较广，但由于工件要随工作台在空间摆动，因 2 华中科技大学博士学位论文 ( a ) 刀具摆动型( b ) 工作台回转摆动型( c ) 刀具与工作台回转摆动型 图2 1 常规五坐标机床结构示意图 此这种结构主要适合于小规格的机床用于加工体积较小的零件。而第一种结构的机 床虽然主轴头机构复杂且刚性较差，但运动灵活、使用操作( 如装夹工件等) 方便， 因而主要用于中、大型龙门式机床。 2 2 2 串并联混合机床运动结构 本文研究的机床以飞机异形曲面零件和模具的五轴铣削加工为目标，虽然这些 零件对机床的刚性要求不是特别高，但体积都比较大，而且飞机零件般还具有狭 长的特性，因此不宜采用适合于较小零件加工的工作台回转摆动型及刀具与工作台 回转摆动型机床结构。然而常规五坐标铣床的刀具摆动型主轴头不仅结构复杂而且 刚性较差，为解决这一技术难题，在本攻关中尝试采用结构简单的并联机构来实现 刀具摆动型的五坐标加工。 虽然基于并联结构的机床具有许多优点，但也存在着工作空间机床体积比小、 运动控制复杂和实用刚度还不够好等缺点。为了解决并联机床上述固有的不足，本 项目在汲取著联机床优点的基础上采用如图2 2 所示的机床运动结构，主要由机 架、床身、若干个运动部件、运动平台和工作台组成。 该机床运动结构及其特点如下： ( 1 ) 总体布局 华中科技大学博士学位论文 l 横梁2 立柱3 刀具主轴4 工作台5 床身6 运动平台7 穴边形支架 图2 - - 2 串并联机床运动结构示意图 并联机构的放置形式主要分为正置式和倒置式。虽然前一种布局不需要一个较 占空间的支架用于悬挂运动平台，但工件的装夹与刀具的更换非常不便，而且机床 的作业空间较小。为了尽可能增大机床作业空间并方便操作者加工，在本项目中采 用后一种布局。此外，为了提高机床本体的刚度，采用由两个立柱和一个横梁组成 的龙门式框架结构。 ( 2 ) 进给机构 采用导轨驱动方式，不仅可以借鉴传统机床较为成熟的相关技术，而且使设计、 制造和调整工作大为简化。因此，在每个立柱上分别装有两套由交流伺服电机、滚 珠丝杆副、滑块、直线滚动导轨和连杆组成的驱动部件。由于驱动部件与运动平台 分离，减轻了平台的重量，因而为实现平台的高速和高加减速控制提供了可能。而 且使用固定长度的杆件也有利于提高运动精度与整机的刚性。此外，采用导轨驱动 的工作台不仅显著地增大了机床的作业空间，还特别有利于飞机零件这一类长工件 的加工。 ( 3 ) 执行机构 从机床的机构简图2 3 可知，运动平台由两个通过单铰连接的平台a 和平台b 组成，其运动由4 4 构型的并联机构来实现。连杆l 、2 上端通过虎克铰与导轨上 的滑块相连，下端通过球铰与平台b 相连。连杆3 、4 两端则分别通过虎克铰与导轨 华中科技大学博士学位论文 上的滑块和平台a 相连。平台a 除了与两交叉连杆3 、4 连接外，还与一平面六边形 支架相连。该支架不仅具有限制平台a 运动自由度的作用( 使得平台a 只能实现在 y z 平面内的平动和绕砖由方向的转动) ，还提高了运动平台的刚度。将用于驱动刀 具旋转的主轴固定在运动平台b 上，由于采用结构简单的电主轴【9 】，不仅降低了平 台的重量便于机床进行高速切削，而且还减小了连接杆件和机床立柱的变形有利于 满足机床刚度要求。运动平台由两部分构件铰接组成，不仅可以使部分的机床平动 与转动控制解耦，简化计算，而且还可增大机床作业空间。 图2 3 串并联机床的机构简图 ( 4 ) 运动特点 四个连杆通过上端铰链与滚动导轨上的滑块相连，因此通过交流伺服电机可驱 动滑块沿导轨上下运动，进而通过连杆将运动传递到动平台。在对图2 2 所示的并 联机构进行自由度分析时，先假设连接两运动平台彳、占的单铰m 断开，将机构分 解为a 、b 两部分。根据螺旋理论i ”1 可知a 部分机构在被限制了沿x 轴方向移动 的同时还被限制了绕沿y 轴方向和z 轴方向的转动。因此a 部分机构的公共约束数 目为3 ，即该机构是一个3 阶机构。 根据一般形式的空间机构自由度计算公式 华中科技大学博士学位论文 m = d ( n g 1 ) + ： 其中， 8 一 州机构的自由度数 d 机构的阶数 n 机构的构件数目 譬机构的运动副数 f 机构中f 个运动副的相对自由度数 可得4 部分机构的自由