（机械制造及其自动化专业论文）2prr并联机床控制系统研究与实现.pdf

at h e s i si nm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n d a u t o m a t i o n t h er e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no f2 一p r r p a r a l l e l m a c h i n et 0 0 lc o n t r o ls y s t e m b yx uf a n d i n g s u p e r v i s o r ： a s s o c i a t ep r o f e s s o rh um i n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i 坶 j u n e2 0 1 0 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己在论文中作了明确的说明并表示谢 = 亡已 思。 学位论文作者签名：衫；f 边丁 日 期：2 p o ，j 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。本人同意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。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一射一年半口两年口 学位论文作者签名：碑良丁 签字日期：乃多 导师签名：毡问e 同 签字目期：2 。o 石、 东北大学硕士学位论文摘要2 p r r 并联机床控制系统研究与实现摘要并联机床以空间并联机构为基础，使将近两个世纪以来以笛卡尔坐标直线位移为基础的机床结构和运动学原理发生了根本变化。并联机床以桁架杆系结构取代传统机床的悬臂梁和两支点梁结构来承载切削力和部件重力，具有刚度高、动态性能好、模块化程度高、易于重构以及机械结构简单等优点。而为了使并联机床的控制系统具有配置灵活、功能扩展简便、基于统一的规范和易于实现统一管理等特点，同时相应的控制软件具有及时扩展和联接的功能以使控制系统的开发更加标准化和易于实现，这就意味着本并联机床需要具有一个开放式的控制系统。本课题密切结合研制和开发2 p r r 并联机床的需要，采用了美国d e l t at a u 公司生产的a d v a l l t a g e4 0 0 数控系统作为控制主体，利用其强大的功能架构了一个开放式的控制系统。这里主要对并联机床的开放式数控系统相关的关键技术进行了系统深入的研究，涉及插补算法、轨迹控制、数控系统软硬件设计等内容。由于控制系统的标准化及其开放式特征，在以后的研究中，仍可以进一步的根据需要很方便地向系统加入新的硬件和软件，来扩充系统的功能，完善整个并联机床的整体性能。论文中首先简要的介绍了并联机构和机床控制系统的特点和发展，提出了开发一个并联机床数控系统应该达到的技术指标。然后，通过进一步学习和比较，指定了本课题的2 p r r 并联机床控制系统的整体方案。整体思路就是依据开放式控制系统的思想，采用数控系统作为主体，对并联机床进行开环控制。紧接着，论文阐述了所选用的硬件产品的特点及其链接组装，构建了控制系统的硬件平台。最后，通过对2 p i 状并联机构进行运动学分析，设计了整个控制系统的软件部分。其中包括坐标轴的建立和设置；数控系统变量设置；运动插补的g 指令编写等。关键词：并联机床；开放式控制系统；a d v a n t a g e4 0 0 ；运动插补程序i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no f 2 一p r rp a r a l l e lm a c h i n et 0 0 1c o n t r 0 1s y s t e m a b s t r a c t p a r a l l e lm a c h i n et o o l ( p m t ) b a s e do ns p a t i a lp a r a l l e l i tm a l 【e sl ( i n e m a t i c so fa f u n d 锄e n t a la n dm a c h i n et o o ls t m c t i i r ew h i c hb a s e do nt 1 1 ec a r t e s i a nc o o r d i n a t e so fl i n e a r d i s p l a c e m e n tn e a r l y 铆oc e n t u r i e sc h a i l g ei np d n c i p l e p a r a l l e lm a c h i n et o o lu s em l s sf r 锄e s 咖c t u 】汜t or e p l a c em et r a d i t i o n a lt 0 0 l so fc 锄t i l e v e rb e 锄sa i l d 铆op o i n t st oc a 玎了t l l e c o m p o n e n t so fc u t t i n gf o r c ea n dg r a v i 够，w i 也h i 曲s t i 肺e s s ，g o o dd y n 锄i cp e r f 0 n n 锄c e ， m o d u l a r ，1 1 i 曲，e a s yt or e c o n s t m c ta 1 1 dm e c h 越c a ls 协j c t u r ea n ds i i n p l e e l u ti no r d e rt 0m a k e t h ec o n t r o ls y s t e mo fp a m l l e lm a c l l i n et o o l 诵t l lf l e x i b l ec o 瓶g u r a t i o n ，s i m p l ee x t e n s i o n s ， 硼i f o 吼s t a l l d a r da 1 1 de a s yt oa c k e v eu i l i f i e dm a l l a g e m e n tf e a n 聆s ，a tt l l es 锄et i m e ，t i l e c o r r e s p o n d i n gc o n t r o ls o 行w a r ei st i m e l ye x p a n da i l dc o n n e c t i o ns o 也a tt l l ec o n t ls y s t e mi s e a s yt or e a l i z e 戤l dm o r es t a n d a r d i z e dd e v e l 哪釉e n t ，w 1 1 i c hm e a n st h a tt l ep 甜a 】l e lm a c l l i n e t o o ln e e d st oh a v ea no p e nc o n t m ls y s t e m t h es u b j e c to fr e s e a r c ha i l dd e v e l o p m e n tc l o s e l yc o m b i n e d 埘t l l2 一p r rp a r a l l e lm a c k n e t o o l ，u s i n gt h ea m e r i c a i lc o m p a i l yd e l t at a u sa d v a i l t a g e4 0 0c n cs y s t e m 硒t h em a i np a r t w i mi t sp o w e r 如lc o n t r o lf h n c t i o n si ti se a s yt 0a r c l l i t e c t u r eo fa no p e nc o n t r o ls y s t e m m a i n l ys t u d yt h ek e yt e c l l i l 0 1 0 9 i e so ft h eo p e np a m l l e lm a c l l i n et o o lc n cs y s t e m ，i n v o l v i n g i n t e 叩o l a t i o na j g o r i t i m l ，t r 旬e c t o r yc o n t r o l ，a i l d n u 】【i l 耐c a lc o n l r o ls y s t e ms o 俞w a r ea n d h a r d w a r ed e s i g na l l ds oo n b e c a u s eo ft h es t a r l d a r d i z a t i o no ft l l ec o n t r o ls y s t e m 甜l di t so p e n c h a r a c t 嘶s t i c s ，、es t i nc 锄a d dn e wh 矾w a r ea j l ds o r w a r es y s t e ma c c o r d i i l gt ot h en e e d s e a s i l yi i lf 讥r er e s e a r c h ，t 0e x p a l l dt h es y s t e mf - u n c t i o n sa i l di m p r o v e t l l eo v e r a l lp e r f o m l a i 】l c e o fp a m l l e lm a c h i n et 0 0 1 p a p e r b e g i i l s 诚t ha 嘶e f i n t r o d u c t i o nt ot h ec h a r a c t 舐s t i c sa 1 1 dd e v e l o p m e n to f p 龇a j l e l i n s t i t u t i o n sa n dt l l em a c h i n et o o lc o n t r o ls y s t e m p u tf b n 甜dt 0d e s i 印ap a r a l l e lm a c l l i n e 伽l c n cs y s t e ms h o u l dr e a c hs e v e r a l 妣l 皿c a li n d i c a t o r s 1 h e n ，啪u 曲缸曲e rs t u d y 锄d i i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c tc o m p a r i s o n ，t h ew h 0 1 es c h e m eo f2 一p r rp a r a l l e lm a c h i n et o o lc o n t r o ls y s t e mi ss h o w n 1 1 1 ew h 0 1 ep l a ni sb a s e do nt h ei d e ao f0 p e nc o n 们ls y s t e m s ，u s i n gd i g i t a lc o n t r o ls y s t e ma st h em a i nb o d yo ft h ep m t so p e n1 0 0 pc o n t r o ls y s t e m t h e n ，t h ep a p e re x p o u n d st h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dl i n k so fh a r d w a r ep r o d u c t s ，c o n s t r u c t sah a r d w a r ep l a t f o m lo ft h ec o n t r o ls y s t e m f i n a l l y ，b a s e do nt 1 1 ek i n e m a t i c sa n a l y s i so f2 - p r rp a r a l l e lm e c h a n i s m ，c o m p l e t et h ew h 0 1 ec o n 们ls y s t e ms o 腑a r ed e s i 盟t h e s ei n c l u d et h ee s t a b l i s h m e n ta i l ds e ta ) ( i s ；c n civ 撕a b l e ；t h egc o d e so fi n t e 印o l a t i o np r o 铲锄m l i n g ；e t c k e y w o r d s ：p a r a l l e lm a c l l i n et o o l s ；o p e nc o n t r o ls y s t e m ；a d v a n t a g e4 0 0 ；m o v e m e n ti n t e 印o l a t i o np r o g r a mi v 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 l 。1 引言1 1 2 并联机床概述2 1 3 机床数控系统概述5 1 4 数控系统的技术指标7 1 5 论文的选题及主要工作8 第2 章2 。p i 汛并联机床的结构参数以及运动学研究9 2 1 引言9 2 22 p i 汰并联机床机构的组成和相关参数9 2 32 p r r 并联机床的自由度计算l o 2 42 p i 汛并联机床运动学正、逆问题1 1 2 52 p r r 并联机床机构的速度方程及雅克比矩阵1 2 2 6 本章小结l 5 第3 章2 p r r 并联机床控制系统的总体设计1 6 3 1 引言1 6 3 2 采用开放式控制系统的设计思想1 6 3 3 控制系统类型的选择1 8 3 4 控制方式的选择2 0 3 52 p r r 并联机床控制系统总体方案2 2 3 6 小结2 4 第4 章2 - p r r 并联机床控制系统的硬件组成2 5 4 1 引言2 5 。 4 2 主控单元a d v a n t a g e 4 0 0 数控系统2 5 4 2 1a d v a n t a g e4 0 0 数控系统的特点2 6 v 东北大学硕士学位论文目录4 2 2a d v a n t a g e4 0 0 数控系统的接口2 74 3 伺服控制单元314 3 1 安川伺服驱动器3 24 3 2g s 系列主轴伺服电机3 34 4 本章小结3 4第5 章2 p i 汛并联机床控制系统的运动控制和软件程序3 55 1 引言3 55 22 p r r 并联机床控制系统软件的实现方式3 55 3 插补运算方案的选择3 65 3 1 脉冲增量插补法3 65 3 2 数据采样插补法3 75 3 3 插补运算方法的确定及其原理3 85 4 控制程序的预先设置以及工作空间规划4 35 4 1 对轴的定义4 35 4 2 主要的i 变量设置4 35 4 32 p l 水并联机床工作空间规划4 55 52 p r r 并联机床g 代码编写4 65 5 1 快速进给命令g 0 0 4 95 5 2 直线插补命令g 0 1 4 95 5 3 圆弧插补命令g 0 2 和g 0 3 515 5 4 暂停命令g 0 4 5 35 5 5 精确的停止命令g 0 9 5 35 5 6 从参考点返回g 2 8 5 35 5 7 绝对坐标编程g 9 0 5 35 5 8 增量坐标编程g 9 1 5 45 6 主要的m 代码程序。5 45 7 本章小结5 6第6 章总结与展望5 76 1 总结5 76 2 展望5 7v i 东北大学硕士学位论文 目录 参考文献5 9 致谢6 3 附录6 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 并联机床( p a r a l l e lm a c h i n et 0 0 l s ) ，又称并联结构机床( p a r a l l e ls t m c t u r e dm a c h i n e t o o l s ) 、虚拟轴机床( v i r t u a la x i sm a c h i n et o o l s ) ，也曾被称为六条腿机床、六足虫 ( h e x a p o d s ) 【l 】。并联机床是基于空间并联机构s t e w a n 平台原理开发的，是近年才出 现的一种新概念机床，它是并联机器人机构与机床结合的产物，是空问机构学、机械制 造、数控技术、计算机软硬技术和c a d c a m 技术高度结合的高科技产品。它克服了传 统机床串联机构刀具只能沿固定导轨进给、刀具作业自由度偏低、设备加工灵活性和机 动性不够等固有缺陷，可实现多坐标联动数控加工、装配和测量多种功能，更能满足复 杂特种零件的加工。 并联机床以空间并联机构为基础，使将近两个世纪以来以笛卡尔坐标直线位移为基 础的机床结构和运动学原理发生了根本变化。并联机床以桁架杆系结构取代传统机床的 悬臂梁和两支点梁结构来承载切削力和部件重力。具有刚度高、动态性能好、模块化程 度高、易于重构以及机械结构简单等优点。 并联机床最明显的优势是其桁架结构带来的良好的刚度特性。典型的对比是工业机 械手串联机构。2 0 世纪8 0 年代，机械手被应用于汽车产业并得到了巨大发展。其主要 应用是点焊、弧焊、喷涂、上下料作业。这些机械手工作在结构性环境中，按照事先示 教编好的程序重复不断地工作。机械手是由多个关节串联而成，作业空间大，运动灵活， 适合于上下料、焊接作业等场合。但机械手的刚度特性较差，难以达到很高的运动精度， 也难以承受较大的载荷。这些缺点决定了机械手不能应用于机械加工。而并联机床则从 原理上就具有很好的刚度特性和承载能力，可满足机械加工要求。 并联机床的另一个优点是其模块化结构。比如典型的6 自由度s t e w a n 机构是由6 个完全相同的连杆分支支撑运动平台。分支的模块化特点使机床的设计加工等多方面得 以简化。此外，并联机床桁架结构的特点使机床具有良好的刚度重量比，单位刚度的机 构本体重量得以大大减小，可大量节省钢材，在当今全球资源环境日益紧张的形势下意 义重大。 传统数控机床主要是简单的串联直角坐标轴，或带有一两个旋转坐标轴的结构。机 床的运动关系比较清晰，运动学求解也较为简单。坐标轴之间没有复杂的耦合关系，操 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 作直观简单。但是为了满足机械加工的精度，要求各坐标轴具有很高的刚度，因此机床 的尺寸和重量都比较大。 与传统机床不同，并联机床的刀具轨迹是“虚轴”运动的结果，“实轴”( 杆件) 需 要按照一定的运动学解算规律进行运动才能得到要求的虚轴”轨迹。因此并联机床从运 动机理上就是“多轴联动”的。这也是并联机床与传统机床相比所具有的一个优势。并 联机床可以方便地实现空间复杂轨迹的运动，用于模具等复杂零件的加工。 并联机床桁架结构的优点极大地改善了机床的刚度重量比指标，极大地节省了机床 的材料消耗，具有很好的发展前景。 1 2 并联机床概述 最早应用并联机构的机械是v e g o u g h 于1 9 4 9 年设计的轮胎压力试验机。1 9 6 5 年， d s t e w a r t 首次提出了一种应用于飞行器模拟器上的6 条腿连接基础平台与动平的并联 机构，并展开了相应理论的研究，奠定了其在并联机构领域的鼻祖地位，并联机构也被 称为s t e w a n 机构。典型的s t e w a n 平台如图1 1 所示，它由上下两个平台和6 个并联的、 可独立自由伸缩的杆件组成，伸缩杆和平台之间通过球铰链连接，改变伸缩杆的长度 可以实现上动平台在空间有限的6 自由度运动1 2 j 。 图1 1 典型的s t e w a n 平台 f i g 1 1 聊i c a ls t e w a np l 删f 0 n n 1 9 7 8 年，h u l l t 建议将s t e w l 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 l n 平台在机器人领域的研究逐渐展开。1 9 7 9 年m a c c a l l i o n 设计出第一台基 一 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 于s t e w a n 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 n 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，这期间出现了d e u a 和h e x a 并联机构，两者在9 0 年代中后期已经成功地进行 了商业化。1 9 9 3 年美国德娜自动化与机器人研究院研制出可完成铣、磨、钻、镗、抛光 和高能束的多功能并联加工机械手，它是现代并联机床的雏形，它标志着机床的发展进 入了一个崭新的阶段。1 9 9 1 年i m t 9 4 ( 1 9 9 4 年美国芝加哥国际机床博览会) 上，美国 g i d d i n g s & l e 诵s 公司和i n g 盯s o u 铣床公司、瑞士g e o d e t i s 公司展出s t e w ，m 数控机床样 品，举世瞩目。世界各国的研究机构和企业开始大量投入s t e w ，l n 平台的研究与开发。9 月在美国成立h e x e l 公司，专业从事各种类型的s 删机床机器功能部件研究、开发、 生产与销售，该公司的部分产品如图1 2 所示。随后，在政府和企业的支持下，美国成 立了五个国家级基地( m i t n i s t 、o r n l 、s n l n m 、s n l c a ) 专业从事s t e 懒l n 机 床的研究开发。1 9 9 5 年5 月e m o 米兰展览会上，意大利c o m 踟公司、日本日立精机 展出了s t e w a n 机器人。1 9 9 6 年s g i 公司开发出u 聃平台下s t e w a n 机床设计造型三 维c a d 软件包。1 0 月2 3 - 2 5 日，日本本田工机公司在丰田技术展览会上展出了日本 第一台s t e w a n 机床，用于铸锻模具的高速加工。1 9 9 7 年e m 0 9 7 ( 9 7 年汉诺威国际机 床展览会) 展出了l o 余件s 删机床样品，并首次进行金属工件铣削，s t e w a n 机床 又向商品化迈进了一步，在此次展览会上，在概念上将传统机床与新兴的s t e w a r t 机床 从结构上划分为串联机床与并联机床，是人类对机床机构认识概念上的突破，s t i 蹦僦 机床专用功能部件，如球铰、虎克铰、导轨、滚珠丝杠、控制器等的专业研究开发生产 迅速崛起。c i m t 9 7 ( 第五届中国国际机床展览会) 上，俄罗斯l a p i k 公司展出了珊2 7 5 0 型吼嘲傩数控机床。 图1 2h e x e l 公司的部分产品 f i g 1 2p r o d u c t so f h e x e lc o r p 0 i i a t i o n 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 国内对并联机构及并联机床的研究开展也是比较早的。1 9 9 8 年，清华大学与天津大 学合作开发了s t e w 狃机床原型样机v a m i t y 。1 9 9 9 年，在c i m t 、c c m t 等国际、国 内机床展览会上，国内的五轴数控机床产品纷纷亮相，国内五轴数控机床的市场逐渐打 开，随后国际机床巨头纷至沓来，五轴数控机床的品种和数量逐年上升。2 0 0 0 年， c c m t 2 0 0 0 分别推出3 台国产五轴联动机床。2 0 0 1 年，c i m t 2 0 0 1 国际机床展览会上， 北京第一机床厂和桂林机床股份有限公司分别展出了主轴转速1 0 0 0 0 r m i n 的五轴高速 龙门加工中心，北京市机电院的主轴转速1 5 0 0 0 r m i n 的五轴高速立式加工中心；清华大 学与昆明机床股份有限公司联合研制的删z 6 3 ，采用标准s t e w a n 平台结构，可实现六 自由度联动；大连机床厂自行研制的串并联机床d c b 2 5 1 0 ，其数控系统由清华大学开 发，该机床通过并联机构实现x 、y 、z 轴直线运动，由串联机构实现a 、c 轴旋转运 动，从而实现五轴联动，其直线快速进给速度可达8 0 n i n 。本届机床展中最先进、最 好的展品是北京机床研究所的两台纳米级机床和一台高精度数控机床。其中的 n a m 2 8 0 0 超精度数控车床是我国纳米加工机床的最新成就，在世界上也是超一流的。 它应用于激光、航空航天、军工等最前沿的领域，主轴回转精度和反馈系统分辨率、控 制系统分辨率分别达到了3 0 衄、2 1 5 m 和5 n m 。2 0 0 4 年，由哈尔滨量具刃具集团有限 责任公司与哈尔滨工业大学联合开发研制的五台并联机床加工中心h l n c5 0 0 1 型( 如 图1 3 ) 分别应用于哈尔滨汽轮机厂的生产加工现场及无锡鼎元叶片厂的生产加工现场。 该并联机床加工中心由开放式数控系统构成。在叶片加工过成中，仅需一次装夹，自动 换刀，即可完成叶片汽道型面、叶顶、叶根圆角及进、出汽边圆角的加工，并成功地加 工出多级别、具有复杂自由曲面的汽轮机叶片零件。实现了并联机床加工的自动化，从 而实现了由并联机构向并联机床加工中心的转化，以适应并联机床发展的需要，标志着 我国并联机床加工技术正式步入实用化阶段。 图1 3h l n c5 0 0 1 型并联机床 f i g 1 3h l n c5 0 0 1p a r a l i e lm a c h i n et o o l 一4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 3 机床数控系统概述 数字控制机床是用数字代码形式的信息( 程序指令) ，控制刀具按给定的工作程序、 运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床1 3 j 。 数控机床具有广泛的适应性，加工对象改变时只需要改变输入的程序指令；加工性 能比一般自动机床高，可以精确加工复杂型面，因而适合于加工中小批量、改型频繁、 精度要求高、形状又较复杂的工件，并能获得良好的经济效果。 随着数控技术的发展，采用数控系统的机床品种日益增多，有车床、铣床、镗床、 钻床、磨床、齿轮加工机床和电火花加工机床等。此外还有能自动换刀、一次装卡进行 多工序加工的加工中心、车削中心等。 1 9 4 8 年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制飞机螺旋桨叶片轮廓样板的加工 设备。由于样板形状复杂多样，精度要求高，一般加工设备难以适应，于是提出计算机 控制机床的设想。1 9 4 9 年，该公司在美国麻省理工学院伺服机构研究室的协助下，开始 数控机床研究，并于1 9 5 2 年试制成功第一台由大型立式仿形铣床改装而成的三坐标数 控铣床，不久即开始正式生产【4 j 。 当时的数控装置采用电子管元件，体积庞大，价格昂贵，只在航空工业等少数有特 殊需要的部门用来加工复杂型面零件；1 9 5 9 年，制成了晶体管元件和印刷电路板，使数 控装置进入了第二代，体积缩小，成本有所下降；1 9 6 0 年以后，较为简单和经济的点位 控制数控钻床，和直线控制数控铣床得到较快发展，使数控机床在机械制造业各部门逐 步获得推广。 1 9 6 5 年，出现了第三代的集成电路数控装置，不仅体积小，功率消耗少，且可靠性 提高，价格进一步下降，促进了数控机床品种和产量的发展。6 0 年代末，先后出现了由 一台计算机直接控制多台机床的直接数控系统( 简称d n c ) ，又称群控系统；采用小型 计算机控制的计算机数控系统( 简称c n c ) ，使数控装置进入了以小型计算机化为特征 的第四代。 1 9 7 4 年，研制成功使用微处理器和半导体存贮器的微型计算机数控装置( 简称 m n c ) ，这是第五代数控系统。第五代与第三代相比，数控装置的功能扩大了一倍，而 体积则缩小为原来的l 2 0 ，价格降低了3 4 ，可靠性也得到极大的提高。 8 0 年代初，随着计算机软、硬件技术的发展，出现了能进行人机对话式自动编制程 序的数控装置；数控装置愈趋小型化，可以直接安装在机床上；数控机床的自动化程度 进步提高，具有自动监控刀具破损和自动检测工件等功能。 数控机床主要由数控装置、伺服机构和机床主体组成。输入数控装置的程序指令记 5 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 录在信息载体上，由程序读入装置接收，或由数控装置的键盘直接手动输入【5 】。 数控装置包括程序读入装置和由电子线路组成的输入部分、运算部分、控制部分和 输出部分等。数控装置按所能实现的控制功能分为点位控制、直线控制、连续轨迹控制 三类。 点位控制是只控制刀具或工作台从一点移至另一点的准确定位，然后进行定点加 工，而点与点之间的路径不需控制。采用这类控制的有数控钻床、数控镗床和数控坐标 镗床等。 直线控制是除控制直线轨迹的起点和终点的准确定位外，还要控制在这两点之间以 指定的进给速度进行直线切削。采用这类控制的有平面铣削用的数控铣床，以及阶梯轴 车削和磨削用的数控车床和数控磨床等。 连续轨迹控制( 或称轮廓控制) 能够连续控制两个或两个以上坐标方向的联合运动。 为了使刀具按规定的轨迹加工工件的曲线轮廓，数控装置具有插补运算的功能，使刀具 的运动轨迹以最小的误差逼近规定的轮廓曲线，并协调各坐标方向的运动速度，以便在 切削过程中始终保持规定的进给速度。采用这类控制的有能加工曲面用的数控铣床、数 控车床、数控磨床和加工中心等。 伺服机构分为开环、半闭环和闭环三种类型。开环伺服机构是由步进电机驱动线路， 和步进电机组成。每一脉冲信号使步进电机转动一定的角度，通过滚珠丝杠推动工作台 移动一定的距离。这种伺服机构比较简单，工作稳定，容易掌握使用，但精度和速度的 提高受到限制。 半闭环伺服机构是由比较线路、伺服放大线路、伺服马达、速度检测器和位置检测 器组成。位置检测器装在丝杠或伺服马达的端部，利用丝杠的回转角度间接测出工作台 的位置。常用的伺服马达有宽调速直流电动机、宽调速交流电动机和电液伺服马达。位 置检测器有旋转变压器、光电式脉冲发生器和圆光栅等。这种伺服机构所能达到的精度、 速度和动态特性优于开环伺服机构，为大多数中小型数控机床所采用。 闭环伺服机构的工作原理和组成与半闭环伺服机构相同，只是位置检测器安装在工 作台上，可直接测出工作台的实际位置，故反馈精度高于半闭环控制，但掌握调试的难 度较大，常用于高精度和大型数控机床。闭环伺服机构所用伺服马达与半闭环相同，位 置检测器则用长光栅、长感应同步器或长磁栅。 为了保证机床具有很大的工艺适应性能和连续稳定工作的能力，数控机床结构设计 的特点是具有足够的刚度、精度、抗振性、热稳定性和精度保持性。进给系统的机械传 动链采用滚珠丝杠、静压丝杠和无间隙齿轮副等，以尽量减小反向间隙。机床采用塑料 减摩导轨、滚动导轨或静压导轨，以提高运动的平稳性并使低速运动时不出现爬行现象。 6 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 由于采用了宽调速的进给伺服电动机和宽调速的主轴电动机，可以不用或少用齿轮 传动和齿轮变速，这就简化了机床的传动机构。机床布局便于排屑和工件装卸，部分数 控机床带有自动排屑器和自动工件交换装置。大部分数控机床采用具有微处理器的可编 程序控制器，以代替强电柜中大量的继电器，提高了机床强电控制的可靠性和灵活性。 随着微电子技术、计算机技术和软件技术的迅速发展，数控机床的控制系统日益趋 向于小型化和多功能化，具备完善的自诊断功能；可靠性也大大提高；数控系统本身将 普遍实现自动编程。 未来数控机床的类型将更加多样化，多工序集中加工的数控机床品种越来越多；激 光加工等技术将应用在切削加工机床上，从而扩大多工序集中的工艺范围；数控机床的 自动化程度更加提高，并具有多种监控功能，从而形成一个柔性制造单元，更加便于纳 入高度自动化的柔性制造系统中。 1 4 数控系统的技术指标 控制系统的设计技术要求，概括起来有以下几个方面【6 1 ： ( 1 ) 对运动速度和运动加速度的要求，指运动对象所能达到的最大速度、最大加 速度、最低速度以及在最低速下运动的平稳性。 ( 2 ) 对动态性能的要求，指闭环控制系统在阶越输入信号作用下，输出响应的最 大过调量、过渡过程时间、振荡次数等。另一种指标是在正弦信号输入作用下，控制系 统的通频带和振荡度等，第三种指标是提出控制系统的剪切频率、相角裕量和增益裕量。 以上三种指标都可作为控制系统的动态性能指标。 u ( 3 ) 对系统精度的要求，指当输入为零时，输出与输入之间的最大位置误差，亦 可称为静态误差；输入为最大速度( 恒速输入) 时，输入与输出之间的位置误差，亦可 称为速度误差；输入为最大等加速度时的位置误差，亦可称为加速度误差。另一种指标 是提出在给定频带的正弦信号输入时，控制系统的最大允许误差。以上两种指标都可作 为对控制系统的精度要求。 在扰动的作用下，控制系统也将产生误差。为此还需要分析在干扰力矩作用下控制 系统的误差。 ( 4 ) 对元件参数变化的敏感性要求，指控制系统本身各项元件参数的变化所引起 的误差。通常如不提出要求，则应包含在控制系统精度和稳定性要求之内。但是在有些 控制系统中，例如飞机自动驾驶系统，其对象( 飞机) 的参数会在大范围内变动( 指飞 行高度和飞行速度大范围变化的情况) ，这时必须分析控制系统对参数变化的灵敏性。 ( 5 ) 环境条件要求，指环境的温度，湿度，腐蚀性和防爆性等。 7 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 此外，在消耗功率、体积、重量、成本和美观装饰等方面的要求，在设计中也应予 以考虑。在设计控制系统之前，需要将上述要求和控制对象本身的物理参数汇集起来， 作为设计的依据。 1 5 论文的选题及主要工作 本课题密切结合研制和开发2 p i 汛并联机床的需要，采用了美国d e l t at a u 公司生 产的a d v 枷a g e4 0 0 数控系统作为控制主体，利用其强大的功能架构了一个开放式的控 制系统。这里主要对并联机床的开放式数控系统相关的关键技术进行了系统深入的研 究，涉及插补算法、轨迹控制、数控系统软硬件设计等内容。由于控制系统的标准化及 其开放式特征，在以后的研究中，仍可以进一步的根据需要很方便地向系统加入新的硬 件和软件，来扩充系统的功能，完善整个并联机床的整体性能。 论文中首先简要的介绍了并联机构和机床控制系统的特点和发展，提出了开发一个 并联机床数控系统应该达到的技术指标。然后，通过进一步学习和比较，指定了本课题 的2 p r r 并联机床控制系统的整体方案。整体思路就是依据开放式控制系统的思想，采 用数控系统作为主体，对并联机床进行开环控制。紧接着，论文阐述了所选用的硬件产 品的特点及其链接组装，构建了控制系统的硬件平台。最后，通过对2 p r r 并联机构进 行运动学分析，设计了整个控制系统的软件部分。其中包括坐标轴的建立和设置；数控 系统i 变量设置；运动插补的g 指令编写等。 8 东北大学硕士学位论文第2 章2 p r r 并联机床的的结构参数以及运动学研究 第2 章2 p i 汛并联机床的结构参数以及运动学 2 1 引言 研究 2 p r r 并联机床控制系统软件的核心部分是机器人运动学计算、轨迹规划、插补计 算程序的编制和执行。并联机构的运动学分析是实现上述部分的基础。2 p r r 并联机构 是典型的少自由度并联机构，少自由度机构是机构家族中应用最广的成员，因此对少自 由度机构运动学问题的深入研究，不仅有利于认识已有少自由度机构特性，而且对掌握 和开发新的并联机构有着特殊的重要意义。本章内容的研究主要集中在并联机构的空间 模型、尺寸型，并联机构的结构设计、工作空间，灵巧度、运动学的正反解、雅可比矩 阵的求得、速度、加速度的分析，机构奇异位形的分析。为下一步对该机构的控制程序 的开发应用提供了理论基础。 2 22 p r r 并联机床机构的组成和相关参数 该2 p r r 型并联机床的机构简图如图2 1 所示。 图2 12 p r r 并联机床机构简图 f i g 2 1t 1 1 es i m p l i f i e dd i a g r 锄o f2 p 1 1 rp a m l l e lm a c h i n e 伽1 9 东北大学硕士学位论文第2 章2 一p r r 并联机床的的结构参数以及运动学研究 通过机构的运动简图中我们可以看出，机床通过电机带动丝杠来驱动两个滑块在导 轨上的横向移动，来实现执行点p 的进给运动控制。为了准确的描述滑块位置和执行点 p 的位置关系，我们就必须要建立个合理的坐标系。 为了在运动控制中，使所有的位置值都不是负值，那不妨把导轨所在直线设置为坐 标系的x 轴，丝杠的左极限位置设置为y 轴与x 轴交点即原点( 图2 2 ) 。坐标系图中 的a ，b ，c ，d 分别表示机构中的各铰链的位置，x 。，x d 分别表示铰链a ，d 在直角坐 标系中的x 坐标；尸( x 。，y 。) 表示末端执行器的位置；设厶( 江3 ，4 5 ，6 ，7 ) 分别表示各杆的实 际长度，其中厶= 厶= 厶= 岛= 4 0 0 m 朋，厶= 7 0 0 聊m 。设谚( f = 3 ，4 ，5 ，6 ，7 ) 分别表示第i 杆与x 轴正向夹角，且岛= 幺，皖= 岛= ( 1 8 0 0 一岛) ，岛= o 。h 表示尸 p ，y p ) 到厶的距 离，h - 1 0 0 i i l i i l 。滑块1 和滑块2 所在的丝杠长度同为1 2 0 0 m m ，滑块上2 个铰链轴距离 为2 0 0 l 姗，两个丝杠重叠部分长度为3 0 0 m m 。通过建立坐标系，可以得出，滑块l 所 在丝杠覆盖的坐标区间为( 0 ，1 2 0 0 ) ，而滑块2 所在丝杠覆盖的坐标区间为( 9 0 0 ，2 l o o ) 。 由于滑块上铰链轴距为2 0 0 m m ，所以可以得到铰链a 和铰链d 所能移动的区间分别为 ( 0 ，1 0 0 0 ) 和( 1 1 0 0 ，2 1 0 0 ) 。 图2 22 p r r 并联机构的坐标系 f i g 2 2t h ec 0 0 r d i n a t es y s t e mo f2 p 1 1 rp a r a l l e lm a c h i n et o o l 2 32