| 1 引言
并聯(lián)是采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的新型，其控制策略與串聯(lián)機(jī)床存在顯著區(qū)別，但目前對(duì)這方面的研究還不夠深入。本文以六自由度6-TPS型并聯(lián)機(jī)床為研究對(duì)象，介紹了由刀位文件生成并聯(lián)機(jī)床數(shù)控代碼的一般過(guò)程，研究了后置處理中刀位文件的預(yù)處理方法并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的預(yù)處理模塊。通過(guò)對(duì)實(shí)際零件的數(shù)控加工試驗(yàn)，驗(yàn)證了本方法及系統(tǒng)的正確性和實(shí)用性。
 圖1 6-TPS型并聯(lián)機(jī)床的結(jié)構(gòu)模型及坐標(biāo)系統(tǒng)
2 并聯(lián)機(jī)床的結(jié)構(gòu)模型
六自由度6-TPS型并聯(lián)機(jī)床VAMT1Y的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。機(jī)床主體結(jié)構(gòu)由靜、動(dòng)平臺(tái)和6根可伸縮桿組成。為提高運(yùn)動(dòng)靈敏度及避免伸縮桿干涉，靜、動(dòng)平臺(tái)采用了上下分層結(jié)構(gòu)。每根伸縮桿的兩端分別用虎克鉸鏈和球鉸鏈與靜平臺(tái)和動(dòng)平臺(tái)相連接。由交流伺服電機(jī)和副驅(qū)動(dòng)各伸縮桿運(yùn)動(dòng)。安裝在動(dòng)平臺(tái)上，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。動(dòng)平臺(tái)和刀具可實(shí)現(xiàn)六自由度的空間運(yùn)動(dòng)。
建立圖1所示坐標(biāo)體系。機(jī)床坐標(biāo)系{M}位于工作臺(tái)上，又稱(chēng)為加工坐標(biāo)系；動(dòng)坐標(biāo)系{T}位于動(dòng)平臺(tái)上；基礎(chǔ)坐標(biāo)系{B}位于靜平臺(tái)上，其三個(gè)坐標(biāo)軸方向與{M}相同；工件坐標(biāo)系{C}是工件編程的基準(zhǔn)坐標(biāo)系，也稱(chēng)為編程坐標(biāo)系。
3 并聯(lián)機(jī)床控制數(shù)據(jù)的生成
并聯(lián)機(jī)床控制數(shù)據(jù)的生成過(guò)程如圖2所示。系統(tǒng)接收到來(lái)自CAM系統(tǒng)的刀位文件后，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理；然后獲取機(jī)床結(jié)構(gòu)參數(shù)(包括靜、動(dòng)平臺(tái)12個(gè)鉸鏈的安裝坐標(biāo)、基準(zhǔn)矢量及轉(zhuǎn)動(dòng)范圍，動(dòng)平臺(tái)及6根伸縮桿的質(zhì)量，伸縮桿的基本長(zhǎng)度及可伸縮范圍、直徑尺寸及其運(yùn)動(dòng)速度、加速度、驅(qū)動(dòng)力額定值等)和切削條件參數(shù)(包括刀具的進(jìn)給率、快進(jìn)速度等)；然后根據(jù)滿(mǎn)足作業(yè)空間和加工精度的原則，確定{C}相對(duì)于{M}的定位矢量，并經(jīng)過(guò)代碼轉(zhuǎn)換生成基于{M}的刀位文件；最后進(jìn)行笛卡爾空間的插補(bǔ)計(jì)算，生成任務(wù)空間的坐標(biāo)點(diǎn)陣，同時(shí)計(jì)算對(duì)應(yīng)的動(dòng)平臺(tái)位姿，并利用運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解算法生成實(shí)際伺服軸的控制數(shù)據(jù)。
 圖2 并聯(lián)機(jī)床控制數(shù)據(jù)的生成過(guò)程
由相對(duì)于{C}的刀位文件生成基于{M}的機(jī)床動(dòng)平臺(tái)位姿的過(guò)程可表示為
MTCTCCq=MTT[0 0 -Lt l]T
(1)
MTCTCCk=MTT[0 0 1 0]T
(2)式中：Lt——刀具長(zhǎng)度
Cq——刀具相對(duì)于{C}的位置矢量，Cq=[qx qy qz 1]T
Ck——刀具相對(duì)于{C}的方向矢量，Ck=[kxky kz 0]T
TC——刀位文件的預(yù)處理矩陣
MTC——工件坐標(biāo)系的定位轉(zhuǎn)換矩陣，用于描述{C}與{M}的關(guān)系
MTT——機(jī)床運(yùn)動(dòng)傳輸矩陣，由{T}相對(duì)于{M}的位置矢量MrT和姿態(tài)矩陣MRT構(gòu)成，其具體形式為
T=
[
MRT
MrT
]
0
1
(3)
根據(jù)已求出的動(dòng)平臺(tái)位姿MrT和MRT，利用機(jī)構(gòu)逆解算法可求得各伺服軸的坐標(biāo)。靜、動(dòng)平臺(tái)各鉸鏈點(diǎn)相對(duì)于{B}和{T}的位置矢量為BBi=[Xi，Yi，Zi]M和TTi=[xi，yi，zi]M，其相對(duì)于{M}的坐標(biāo)為
MBi=MrB+MRBBBi(i=1，2，…，6)
(4)
MTi=MrT+MRTTTi(i=1，2，…，6)
(5)式中MrB，MRB——分別為{B}相對(duì)于{M}的位置和姿態(tài)矩陣，由機(jī)床結(jié)構(gòu)參數(shù)確定
根據(jù)圖1 定義，MRB為單位矩陣，因此各伺服支鏈的矢量為
lili=MBi-MTi( i = 1，2，…，6)
(6)式中：li——第i條支鏈的方向矢量
li——第i 條支鏈的長(zhǎng)度坐標(biāo)
將式(6)對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，可得速度表達(dá)式為
V=Jv
(7)式中：V——由6 根伸縮桿的速度組成的關(guān)節(jié)空間速度矢量
v——刀具在笛卡爾空間中的六維速度矢量
J——雅可比矩陣，反映關(guān)節(jié)空間向工作空間傳遞速度的廣義傳動(dòng)比
4 刀位文件的數(shù)據(jù)預(yù)處理
對(duì)于一些具有對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的零件，為減小零件編程工作量，一般不需要CAD/CAM系統(tǒng)生成零件的全部刀位文件，這就要求系統(tǒng)具有對(duì)刀位文件進(jìn)行鏡像或旋轉(zhuǎn)處理的功能，即對(duì)刀位文件數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，確定式(1)和式(2)中的TC。為此，在VAMT1Y的后置處理器中設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊，其功能包括：①正常格式轉(zhuǎn)換；②X-Y 平面的鏡像變換；③Y-Z 平面的鏡像變換；④Z-X 平面的鏡像變換；⑤( X = Y)-Z 平面的鏡像變換；⑥( X= - Y)-Z 平面的鏡像變換；⑦繞X 軸的旋轉(zhuǎn)變換；⑧繞Y 軸的旋轉(zhuǎn)變換；⑨繞Z 軸的旋轉(zhuǎn)變換。轉(zhuǎn)換形式為
Cq1=TCCq
(8)
Ck1=TCCk
(9)式中：Cq1——轉(zhuǎn)換后的刀具位置
Ck1——轉(zhuǎn)換后刀具位置的方向矢量
刀位文件預(yù)處理矩陣TC具有以下幾種形式：
正常格式
TC=I
X-Z平面鏡像
TC=TX-Z=
[
1
0
0
0
]
0
-1
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
Y-Z平面鏡像
TC=TY-Z=
[
=1
0
0
0
]
0
1
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
X-Y 平面鏡像
TC=TX-Y=
[
1
0
0
0
]
0
1
0
0
0
0
-1
0
0
0
0
1
(X=Y)-Z平面鏡像
可認(rèn)為首先繞Z軸旋轉(zhuǎn)45°，然后相對(duì)于X-Z平面作鏡像，最后將坐標(biāo)系繞Z軸旋轉(zhuǎn)- 45°，其變換矩陣為
TC=Rot(Z, p/4)TX-ZRot(Z, -p/4)=
[
0
1
0
0
]
1
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
(X=-Y)-Z平面鏡像
可認(rèn)為首先繞Z 軸旋轉(zhuǎn)- 45°，然后相對(duì)于X-Z平面作鏡像，最后將坐標(biāo)系繞Z 軸旋轉(zhuǎn)45°，其變換矩陣為
TC=Rot(Z, p/4)TX-ZRot(Z, -p/4)=
[
0
-1
0
0
]
-1
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
繞X軸旋轉(zhuǎn)q
TC=Rot(X, q)=
[
1
0
0
0
]
0
Cq
-Sq
0
0
Sq
Cq
0
0
0
0
1
繞Y軸旋轉(zhuǎn)q
TC=Rot(Y, q)=
[
Cq
0
Sq
0
]
0
1
0
0
-Sq
0
Cq
0
0
0
0
1
繞Z軸旋轉(zhuǎn)q
TC=Rot(Z, q)=
[
Cq
-Sq
0
0
]
Sq
Cq
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
 圖3 數(shù)控加工試驗(yàn)
5 數(shù)控加工試驗(yàn)
為驗(yàn)證刀位文件預(yù)處理算法的正確性及預(yù)處理模塊的實(shí)用性，對(duì)圖3所示的一個(gè)上頂端截面為圓、下底端截面為橢圓的錐形柱體零件進(jìn)行了數(shù)控加工試驗(yàn)。
首先通過(guò)ProE 建模生成刀位文件。由于該零件結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，因此只需生成一個(gè)象限下的刀位文件即可。生成的部分刀位文件如下：
$S* Pro/CLfile Vers 1.0
MACHIN/AIMILL，M0001UNITS/MM
LOADTL/1
$$ - > CUTTER/12.000000
MULTAX/ON
COOLNT/ON
SPINDL/RPM, 800.000000, CLW
$$ SETSTART/0.0000000, 0.0000, 700.00000, $ 0.0000, 0.0000, 1.00000
RAPID
GOTO/0.00000, -28.43108, 80.00000, 0.00000, -0.17365, 0.98481
GOTO/0.00000, -28.43108, 13.78731, 0.00000, -0.17365, 0.98481
FEDRAT/200.
GOTO/0.00000, -24.95811, -5.90885, 0.00000, -0.17365, 0.98481
FEDRAT/200.
GOTO/26.11525, 0.00000, 79.78946, 0.04197, 0.00000, 0.99912
RAPID
GOTO/26.11525, 0.00000, 120.00000, 0.04197, 0.00000, 0.99912
$$ - > END/
FINI
在經(jīng)過(guò)正常格式、X-Z 平面鏡像、Y-Z 平面鏡像和繞Z 軸旋轉(zhuǎn)四種格式的轉(zhuǎn)換后，增加了Z 軸方向的偏置，得到四個(gè)象限下的動(dòng)平臺(tái)位姿文件，其中第一象限下的文件如下：
%
N2 H136.000000
N4 S800.000000
N6 G92 X0.0000000 Y0.0000 Z700.000000 A0.000000B0.000000 C0.000000
N8 G00 X0.0000000 Y0.0000 Z464.000000 A0.000000B0.000000 C - 0.235619
N10 G00 X0.000000 Y-28.431080 Z164.000000 A0.000000B0.174520 C - 0.235619
N12 G00 X0.000000 Y - 28.431080 Z97.787310 A0.000000B0.174520 C - 0.235619
N14 F200.
N16 G01 X0.000000 Y - 24.958110 Z78.091150 A0.000000B0.174520 C - 0.235619
N592 G01 X26.115250 Y0.000000 Z163.789460 A-1.570796B-0.04195 C1.335177
N594 G00 X26.115250 Y0.000000 Z204.000000A-1.570796B-0.04195 C1.335177
N596 M02
該文件經(jīng)過(guò)作業(yè)空間檢驗(yàn)、速度控制、插補(bǔ)計(jì)算和虛實(shí)映射變換后，即得到實(shí)軸控制指令，并將其輸入伺服控制系統(tǒng)。雖然該零件的數(shù)控加工程序由四個(gè)程序段的一千余行程序組成，但加工中刀具運(yùn)行平穩(wěn)、速度均勻，加工樣件的表面精度達(dá)到普通五軸的水平。
6 結(jié)語(yǔ)
本文重點(diǎn)研究了六自由度6-TPS型并聯(lián)機(jī)床的刀位文件預(yù)處理方法，所開(kāi)發(fā)的預(yù)處理模塊具有對(duì)刀位文件進(jìn)行多種鏡像和旋轉(zhuǎn)處理的功能，可增強(qiáng)機(jī)床的數(shù)據(jù)接收能力。對(duì)實(shí)際零件的數(shù)控加工試驗(yàn)驗(yàn)證了預(yù)處理算法的正確性和預(yù)處理模塊的實(shí)用性。
|
