6PM2六轴混联镗铣床数控加工程序的处理

6PM2六轴混联镗铣床数控加序的处理 西安理工大学JournalofXi'anUniversityofTechnology(2o07)Vo1.23No.2127 文章编号:1006-4710(2007)02-0127-04 6PM2六轴混联镗铣床数控加工程序的处理 高峰,乔雁龙,黄玉关,李艳,何根良 (西安理工大学机械与精密仪器工程学院,陕西西安710048) 摘要:为解决6PM2型六轴混联镗铣床的数控加工编程问题,借助于现有成熟的五 坐标编程方法 和控制技术,将加工程序中对应于各虚轴的驱动量经过虚实映射变换,插补运算和 速度处理,转化 为混联机床各实轴的驱动量用于控制刀具的运动,最终实现了在六轴混联镗铣床 上的数控加工. 实验结果明该方法可行且有效. 关键词:虚拟轴机床;混联数控机床;插补;PVT模式 中图分类号:TG659文献标识码:A ProcessingofNCMachiningProgramfor6PM2 Six—AxisMilling-BoringHybridNCMachineTools GAOFeng,QIAOYan-long,HUANGyu—mei,LIYan,HEGen-liang (FacultyofMechanicalandPrecisionInstrumentEngineering, Xi'anUniversityofTechnology,Xi'an710048,China) Abstract:InordertosolvetheproblemoftheNCmachiningprogramofsix-axismilling-borin g hybridmachinetoolssuccessfully,theexistingfive-coordinateprogrammingmethodandwe ll—de— velopedcontroltechnologyareemployed,inwhichthedrivingvauleofeachvirtualaxisistran s— ferredtothecorrespondingdrivingvauleoftherealaxisinthehybridmachinetoolsthrough transformationfromvirtualaxisspacetorealaxisspace,interpolationandspeedcontrol,SOa s tocontrolthemotionofthecuttingtoo1.TheNCmachiningprocessisfulfilledonthesix—axis milling—boringhybridmachinetools.Thetestingresultsindicatethatthismethodisfeasibleand practica1. Keywords:virtualaxismachinetools;hybridNCmachinetools;interpolation;PVTmode 虚拟轴机床又称为并联机床,是上世纪9O年代 中期问世的新型数控机床,国内外在这一领域进行 了大量的研究工作.美国,俄罗斯等国家的众多研 究机构以及我国的清华大学,天津大学,哈尔滨工业 大学等都已成功开发出了各种原型样机.但目前虚 拟轴机床的原型大多是基于Stewart平台及其变形 的结构,此类虚拟轴机床的最大理论特点是加工精 度高,结构抗震性及切削稳定性好,运动部件重量 轻,结构刚度高,运动误差不累加.但同时也存在工 作空间小,难以实现大倾角加工等不足[1,23. 针对目前虚拟轴机床存在的问题,由西安理工 大学开发并与秦川机械发展股份有限公司联合研制 的6PM2六轴混联数控镗铣床,采用了串联驱动和 并联驱动并用的混联驱动原理,兼有传统型数控机 床(串联驱动)和新型并联机床的优点.本文针对六 自由度混联机床6PM2的数控加工技术进行了深入 的研究,将现有的五坐标编程方法和控制技术应用 于该机床,并对数控加工程序进行虚实映射变换,插 补,速度控制等处理,用于对混联机床的控制,从而 实现数控加工. 1虚实映射变换 对于混联机床,由于其采用了并联机构,刀具在 笛卡尔空间的运动是关节空间伺服运动的非线性映 射,传统数控加工用的刀具运动轴X,y,z,A,B,C 并不真正存在,因此五坐标数控加工程序不能直接 去驱动混联机床各实轴,而需要通过虚实映射变换, 将加工程序中所包含的刀位数据信息转化为实轴运 收稿日期:2007—01—12 基金项目:国家经贸委重点技术创新项目(99BK455);西安理工大学校科技创新项 目(102—21303). 作者简介:高峰(1969一),男,宁夏中卫人,副教授,博士,研究方向为数控装备及 控制. E-mail:gf2713@xaut.edu.cn. 128西安理工大学(2007)第23卷第2期 动指令,再通过系统控制机床上的伺服电机使驱动 轴达到指令值,从而实现所要求的刀具运动轨迹. 图1是6PM2坐标系建立示意图. 图16PM2坐标系示意图 Fig.1Thecoordinatesystemof6PM2 图中0c-X是定平台坐标系,0一zY r1c.sc.s.s—sinasin Tp一sinacos — flc s o i s7+ .s c y osasiny 是动平台坐标系,O一z是刀具坐标系,O, at"是工件坐标系,O一zY是旋转工作台坐 标系.加工程序所包含的刀具信息是刀具在工件坐 标系中的描述(z,,,cf,,e),其中z,,是刀 具中心点在工件坐标系中的坐标值,e,,e为刀 轴在工件坐标系下的方向矢量,最终要转换为各实 轴的驱动量(X,Y,C,L,Lz,L.). 利用位姿矩阵链的思想,把6PM2的总体算法 分解为串联位姿矩阵和并联位姿矩阵两部分.串联 位姿矩阵是从定平台经过串联部分到达动平台的坐 标变换,而并联位姿矩阵则是从定平台经过并联部 分到达动平台的坐标变换.通过解方程(1)可求得 各实轴的驱动量. [11m]一[11m]jjej(1) 方程中: [Tm].一.Tr?Tw?Tb?Tm(2) [cTm]para.一P](3) L01.J 工件坐标系到刀具坐标系的矩阵变化采用 Z-Y-Z欧拉角描述,设先绕Z轴转过a角,再绕y轴 转过卢角,最后绕z轴转过y角: -—— cos12cosSsin7-——sin12cos7 一 sin12cosflsiny+COS12COS~ sinpsiny 0 则: LTm]…一Tr?Tw?TD 在加工时,可以使工件随旋转工作台绕z轴转 动,那么刀具只要存在绕y轴的转动时,就可实现 绝大多数的加工.因此动平台只需绕y轴转动即 可,假设转过0角,则: cos0 0 .—— sin0 0 0sin0 10 0cos0 00 f(O,Z)一f(L,L,L.)(6) 式中Z为动平台中心在定平台坐标系中Z方向的 坐标值. 联立解方程(1). 在加工程序中可以得到刀具轴在工件坐标系中 的方向矢量,c,e,利用这些方向矢量可反解出 欧拉角描述中的a,卢: a—arctan2(,C)(7) —arccos(e)(8) sinflc0S12z sin12si cosfl 01 (4) ? Tm—f(X,Y,C,a,卢,y)(5) 在此基础上解方程可得: y一7c(9) C一7c—a(10) 0一一..(11) X—1 r(cos0—1)一Lxcos~+Lzsin一 (z+z)cosC+(+)sinC(12) y一,(z+z)sinC一(+)cosC(13) Z一Lsin/?+Lcosfl++一H(14) 式中,L,H是由机床结构决定的固定值,z, ,是工件坐标系原点在旋转工作台坐标系中的 坐标值. 知道了z.和0就可以根据并联部分的逆解求 出三个并联杆L,L.,L.的长度: L一 ?础一R]+[z一in (15) 一 00 r 1 ,2 高峰等:6PM2六轴混联镗铣床数控加工程序的处理129 L2一(16) L.一?[R一]+『+专rsin0]2(17)/1 式中R和r分别为定平台和动平台外接圆的半径. 2插补处理 混联机床因并联机构的存在,刀具和驱动杆之 间是非线性对应的,当驱动杆线性运动时,刀具的轨 迹是非线性的.为减小这种偏差,必须对刀具的线 性轨迹进行细分,将一段长的轨迹由多段小的线性 轨迹的组合来代替,即在工件坐标系中进行粗插补. 2.1直线插补 设一段直线轨迹起点为P.,刀轴方向矢量, 终点为P,刀轴方向矢量为.对于混联机床,起 点和终点的刀轴方向有可能不同,固插补时须考虑刀轴方向矢量的变化,可采用双轨迹插补算法_3]. 所以各插补点为: P—P.+(23) 』 — +i一1,2,…,N(24) 』 2.2圆弧插补 在圆弧插补过程中,一段圆弧由一系列弧弦代 替,所以有两个因素要考虑:插补弧长和弧弦误差. 如图3所示,圆弧路径的起点为P.,终点为P,圆 心为P,半径为R,圆弧所在平面单位法矢量为n一 (a,n,"),当刀具轴垂直于圆弧所在平面时,n可 以取刀具轴对应的单位方向矢量;当刀具轴与圆弧 所在平面不垂直时,应根据向量和计算出 圆弧所在平面的单位法向量. 图3圆弧插补示意图 Fig.3Circularinterpolationscheme 130西安理工大学(2007)第23卷第2期 3速度控制 6PM2混联机床的控制系统采用PC+PMAC 的形式,PMAC自身提供插补功能,因此可采用 PMAC的PVT模式来实现驱动轴的位置和速度控 制.主机提供如下数据:在时间T后,电机的位置 P和速度.其中T为插补周期,可根据加工实际 要求确定,位置P为插补周期中终点各轴对应的位 置,速度为插补周期中终点所对应的速度. 机床加工提供的是刀具的运动速度,并且要求 刀具要尽可能地做匀速运动,以保证加工的表面质 量,但由于并联部分的存在,使刀具做匀速运动时, 并联杆的运动是非匀速的,因此需要根据刀具的运 动速度求出各实轴的驱动速度.假设刀具做匀速运 动,其插补周期内两点的刀位数据分别为Pt一 (X1,Y1,Z1,Ox1,1,Oz1)和P2===(X2,Y2,Z2,Ox2, ,Oz),进给速率为F. 首先要通过刀位数据求出动平台的起始位姿 P一(X,Zl,0m)和终点位姿P一(Xm2,Z, )以及三个串联轴x,y,C的起始位置(X,Y, C)和终点位置(X,Y2,C),然后根据进给速率计 算插补周期的时间T为: T—JJ/F一 二:?:?二(32)… 则动平台的速度为: V.一(Zm2一Zm1)/T(33) (Uy一(一m)/T(34) 知道了和,便可由速度逆解求出各并联杆的 驱动速度.而三个串联轴的速度为: V一(X2一X1)/T(35) V一(Y2一Y1)/T(36) V一(C2一C1)/T(37) 4加工实验 利用上述方法, 在6PM2混联机床上 进行了叶轮曲面的加 工实验,加工工件如 图4所示.实验结果 证明了本文方法可行 且有效. 图4加工的工件 Fig.4Machinedworkpiece 5结论 通过对五坐标数控加工程序的处理,将较为成 熟的五坐标编程技术和控制技术应用于混联机床 上,使控制变得简单化和通用化,上述方法已成功应 用于6PM2六轴混联镗铣床的数控系统中,并且通 过加工实验得以验证. 参考文献: Eli汪劲松,黄田(WangJin-song,HuangTian).并联机床, 机床行业面临的机遇与挑战(Parallelmachinetool--a forthcomingopportunityandchallengetOthemachine toolindustry)[J].中国机械工程(ChinaMechanicalEn- gineering),1999,19(10):1103—1107. 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