新型并联数控铣床手轮模块功能的实现

2014/9/2 11:07:17

并联机床是空间多环机构在机床制造业中的创造性应用。具有刚度质量比和承载能力大、精度高、运动速度快、适合加工复杂曲面等优点,自20世纪90年代一问世,即引起各界的极大关注。在传统立式铣床的基础上进行改造,安装6自由度并联机构,构成了新型数控铣床,该型铣床可以加工具有复杂曲面的工件,如汽轮机叶片。在加工过程中,手轮模块可以实现工件与刀具(或测头)之间的相对运动,工件采点定位等功能,是并联数控铣床的重要组成部分。

由于并联机床虚实映射的运动控制特点,即使是沿笛卡儿坐标系的单轴运动,仍需要逆解运算转换为关节空间各伺服轴的联合运动,因而,并联机床的手轮功能不能象传统数控机床那样通过可编程控制器控制单轴电机就可以实现。因此,手轮功能的开发一直是并联机床数控系统开发中的难点之一。

结合哈尔滨工业大学对新型6自由度并联数控铣床6DOFHITPKM的开发实践,介绍了该型铣床采用的手轮模块的软硬件结构。

1 硬件结构

是由传统立式铣床改造后的数控铣床,动平台为工作台面,动平台与基座定平台之间,由6路丝杠支杆连接,与动平台连接的是3自由度虎克铰,与定平台连接的是2自由度虎克铰。杆长的变化由6台伺服电机通过齿轮系连接丝杠的传动轴控制,6路不同的杆长决定切削加工时动平台不同的位姿状态。

手轮模块的功能就是控制载有工件的动平台进行必要的运动,完成对刀、采点定位等数控铣床必需功能。

该型铣床手轮模块需要多轴运动控制卡、IO接口卡、工控机等配合使用,控制卡采用美国的kollmorgen公司的servostar多轴运动控制卡。驱动器上有通讯端口可连接在手轮信号输出端,接收差动脉冲信号;控制面板上有手轮模块的方向设置,步长设置,坐标系设置等选项,该类信号通过IO卡与上位机通讯,上位机负责接收处理并传递给运动控制卡指令信号;运动控制卡采用SERCOS通讯协议控制6台驱动器,从而驱动伺服电机改变6路杆长完成对刀、采点等功能。

2 工作原理

首先在控制面板上进行手轮模块的方向、步长、坐标系设置。方向和步长信号将提供数控铣床工作台的运动方向dir(X,Y,Z,A,B)和运动步长step(0.001,0.01,0.1,1,3)。运动方向中的A和B是工作台姿态欧拉角中的进动角和章动角。信号通过IO卡采集到上位机,上位机处理后通过PC总线发送给运动控制卡。摇动手轮,驱动器将采集手轮差动信号脉冲变化量,并发送给运动控制卡。运动控制卡根据采集的方向、步长、坐标系、脉冲变化量等参数进行解算。求出6路电机的伺服位置,从而改变6根丝杆的杆长,完成预期动作,同时运动控制卡将实时提供当前动平台位姿信息,上位机可以周期性采集。在该手轮模块中,上位机只负责采集外部数字信号,不负责位置的解算。全部解算工作由运动控制卡内部的CPU负责。避免了由上位机解算及与运动控制卡之间通讯和数据交换造成的时间延迟,有效地保证了系统的实时性。

3 软件部分功能实现

手轮模块功能的实现需要相应的软件部分。软件部分主要负责下列任务:

(1)负责监控手轮差动信号脉冲是否发生;

(2)利用上位机采集的控制信息,以及手轮脉冲变化量进行动平台的位姿解算;

(3)实时提供动平台的位姿坐标信息。由于手轮模块控制的动平台运动空间是机床工作空间的子集,故不会发生杆长干涉等危险信息。

其中任务(2)是核心任务,该过程根据控制面板采集的坐标系信息的不同,分两种情况运行。情况1:当采集的坐标系信息为动平台坐标系时,处理过程较为简单,此时手轮模块直接控制动平台的运动。

过程如下:

(1)获取当前动平台Om-XmYmZm的初始位姿信息Mspos(Xms,Yms,Zms,Ams,Bms),该信息表示动平台在机床坐标系O-XYZ下的位置和姿态角,信息由上位机给出;

(2)利用采集的动平台运动方向、运动步长、手轮脉冲变化量,求出相应的目标点位姿Mepos(Xme,Yme,Zme,Ame,Bme)。进行并联机构的逆解,得到该位姿对应的6路丝杠的长度(l1,l2,l3,l4,l5,l6),发出运动指令,控制伺服电机运转;

(3)将目标位姿Mepos(Xme,Yme,Zme,Ame,Bme)存入运动控制卡存储区,供上位机周期性采集,同时Mspos=Mepos回到过程(1)周期循环。情况2:当采集的坐标系信息为工件坐标系时,处理过程较为复杂,此时手轮模块控制刀头点(或测头点)相对于工件运动。

过程如下:

(1)获取当前动平台的初始位姿信息Mspos(Xms,Yms,Zms,Ams,Bms),利用工件坐标系在动平台坐标系下的位姿信息Tmw,Owinmf和mcutterpos,可以求出当前刀头点在工件坐标系Ow-XwYwZw下的位姿Wspos(Xws,Yws,Zws,Aws,Bws)。Tmw是一个3@3矩阵,矩阵的每一列为工件坐标系坐标轴单位向量在动平台坐标系下的投影;Owinmf是工件坐标系原点在动平台坐标系下的位置向量;mcutterpos是刀头(或测头)点在定平台坐标系下的坐标向量。

(2)采集工件坐标系下的运动方向、运动步长、手轮脉冲变化量,求出工件坐标系下的目标点位姿Wepos(Xwe,Ywe,Zwe,Awe,Bwe)。然后利用工件坐标系在动平台坐标系下的位姿信息Tmw,Owinmf以及mcutterpos,可以求解出目标点对应的动平台位姿信息Mepos(Xme,Yme,Zme,Ame,Bme)。

(3)利用动平台位姿信息Mepos(Xme,Yme,Zme,Ame,Bme),进行并联机构的逆解,求解该位姿对应的6路丝杠的长度,发出运动指令,控制伺服电机运转。过程(1),(2),(3)的具体求解过程见参考文献。

(4)将目标位姿Mepos(Xme,Yme,Zme,Ame,Bme)存入运动控制卡存储区,供上位机周期性采集,上位机可以根据需要转换为刀头(或测头)点在工件坐标系下的位姿Wepos(Xwe,Ywe,Zwe,Awe,Bwe)。同时将Mspos=Mepos。

4 应用实例

该手轮模块已成功应用在哈尔滨工业大学研制的新型数控铣床(6-DOFHITPKM)上,实际加工过程中,手轮能够快速准确控制铣床动平台作相应运动,实现对刀、采点等功能,操作方便灵活。表明了该模块的有效性。这项技术对促进并联机床的商品化和实用化起到很大的作用。

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