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          河北華利機械配件有限公司

          新型并聯數控銑床手輪模塊功能的實現

          2014/9/2 11:07:17
          并聯機床是空間多環機構在機床制造業中的創造性應用。具有剛度質量比和承載能力大、精度高、運動速度快、適合加工復雜曲面等優點,自20世紀90年代一問世,即引起各界的極大關注。在傳統立式銑床的基礎上進行改造,安裝6自由度并聯機構,構成了新型數控銑床,該型銑床可以加工具有復雜曲面的工件,如汽輪機葉片。在加工過程中,手輪模塊可以實現工件與刀具(或測頭)之間的相對運動,工件采點定位等功能,是并聯數控銑床的重要組成部分。
          由于并聯機床虛實映射的運動控制特點,即使是沿笛卡兒坐標系的單軸運動,仍需要逆解運算轉換為關節空間各伺服軸的聯合運動,因而,并聯機床的手輪功能不能象傳統數控機床那樣通過可編程控制器控制單軸電機就可以實現。因此,手輪功能的開發一直是并聯機床數控系統開發中的難點之一。
          結合哈爾濱工業大學對新型6自由度并聯數控銑床6DOFHITPKM的開發實踐,介紹了該型銑床采用的手輪模塊的軟硬件結構。
          1    硬件結構
          是由傳統立式銑床改造后的數控銑床,動平臺為工作臺面,動平臺與基座定平臺之間,由6路絲杠支桿連接,與動平臺連接的是3自由度虎克鉸,與定平臺連接的是2自由度虎克鉸。桿長的變化由6臺伺服電機通過齒輪系連接絲杠的傳動軸控制,6路不同的桿長決定切削加工時動平臺不同的位姿狀態。
          手輪模塊的功能就是控制載有工件的動平臺進行必要的運動,完成對刀、采點定位等數控銑床必需功能。
          該型銑床手輪模塊需要多軸運動控制卡、IO接口卡、工控機等配合使用,控制卡采用美國的kollmorgen公司的servostar多軸運動控制卡。驅動器上有通訊端口可連接在手輪信號輸出端,接收差動脈沖信號;控制面板上有手輪模塊的方向設置,步長設置,坐標系設置等選項,該類信號通過IO卡與上位機通訊,上位機負責接收處理并傳遞給運動控制卡指令信號;運動控制卡采用SERCOS通訊協議控制6臺驅動器,從而驅動伺服電機改變6路桿長完成對刀、采點等功能。
          2    工作原理
          首先在控制面板上進行手輪模塊的方向、步長、坐標系設置。方向和步長信號將提供數控銑床工作臺的運動方向dir(X,Y,Z,A,B)和運動步長step(0.001,0.01,0.1,1,3)。運動方向中的A和B是工作臺姿態歐拉角中的進動角和章動角。信號通過IO卡采集到上位機,上位機處理后通過PC總線發送給運動控制卡。搖動手輪,驅動器將采集手輪差動信號脈沖變化量,并發送給運動控制卡。運動控制卡根據采集的方向、步長、坐標系、脈沖變化量等參數進行解算。求出6路電機的伺服位置,從而改變6根絲桿的桿長,完成預期動作,同時運動控制卡將實時提供當前動平臺位姿信息,上位機可以周期性采集。在該手輪模塊中,上位機只負責采集外部數字信號,不負責位置的解算。全部解算工作由運動控制卡內部的CPU負責。避免了由上位機解算及與運動控制卡之間通訊和數據交換造成的時間延遲,有效地保證了系統的實時性。
          3    軟件部分功能實現
          手輪模塊功能的實現需要相應的軟件部分。軟件部分主要負責下列任務:
          (1)負責監控手輪差動信號脈沖是否發生;
          (2)利用上位機采集的控制信息,以及手輪脈沖變化量進行動平臺的位姿解算;
          (3)實時提供動平臺的位姿坐標信息。由于手輪模塊控制的動平臺運動空間是機床工作空間的子集,故不會發生桿長干涉等危險信息。
          其中任務(2)是核心任務,該過程根據控制面板采集的坐標系信息的不同,分兩種情況運行。 情況1:當采集的坐標系信息為動平臺坐標系時,處理過程較為簡單,此時手輪模塊直接控制動平臺的運動。
          過程如下:
          (1)獲取當前動平臺Om-XmYmZm的初始位姿信息Mspos(Xms,Yms,Zms,Ams,Bms),該信息表示動平臺在機床坐標系O-XYZ下的位置和姿態角,信息由上位機給出;
          (2)利用采集的動平臺運動方向、運動步長、手輪脈沖變化量,求出相應的目標點位姿Mepos(Xme,Yme,Zme,Ame,Bme)。進行并聯機構的逆解,得到該位姿對應的6路絲杠的長度(l1,l2,l3,l4,l5,l6),發出運動指令,控制伺服電機運轉;
          (3)將目標位姿Mepos(Xme,Yme,Zme,Ame,Bme)存入運動控制卡存儲區,供上位機周期性采集,同時Mspos=Mepos回到過程(1)周期循環。情況2:當采集的坐標系信息為工件坐標系時,處理過程較為復雜,此時手輪模塊控制刀頭點(或測頭點)相對于工件運動。
          過程如下:
          (1)獲取當前動平臺的初始位姿信息Mspos(Xms,Yms,Zms,Ams,Bms),利用工件坐標系在動平臺坐標系下的位姿信息Tmw,Owinmf和mcutterpos,可以求出當前刀頭點在工件坐標系Ow-XwYwZw下的位姿Wspos(Xws,Yws,Zws,Aws,Bws)。Tmw是一個3@3矩陣,矩陣的每一列為工件坐標系坐標軸單位向量在動平臺坐標系下的投影;Owinmf是工件坐標系原點在動平臺坐標系下的位置向量;mcutterpos是刀頭(或測頭)點在定平臺坐標系下的坐標向量。
          (2)采集工件坐標系下的運動方向、運動步長、手輪脈沖變化量,求出工件坐標系下的目標點位姿Wepos(Xwe,Ywe,Zwe,Awe,Bwe)。然后利用工件坐標系在動平臺坐標系下的位姿信息Tmw,Owinmf以及mcutterpos,可以求解出目標點對應的動平臺位姿信息Mepos(Xme,Yme,Zme,Ame,Bme)。
          (3)利用動平臺位姿信息Mepos(Xme,Yme,Zme,Ame,Bme),進行并聯機構的逆解,求解該位姿對應的6路絲杠的長度,發出運動指令,控制伺服電機運轉。過程(1),(2),(3)的具體求解過程見參考文獻。
          (4)將目標位姿Mepos(Xme,Yme,Zme,Ame,Bme)存入運動控制卡存儲區,供上位機周期性采集,上位機可以根據需要轉換為刀頭(或測頭)點在工件坐標系下的位姿Wepos(Xwe,Ywe,Zwe,Awe,Bwe)。同時將Mspos=Mepos。
          4    應用實例
          該手輪模塊已成功應用在哈爾濱工業大學研制的新型數控銑床(6-DOFHITPKM)上,實際加工過程中,手輪能夠快速準確控制銑床動平臺作相應運動,實現對刀、采點等功能,操作方便靈活。表明了該模塊的有效性。這項技術對促進并聯機床的商品化和實用化起到很大的作用。
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