基于并联机床的Pro/E后置处理系统研究.pdf
第 2 3卷 第 l 2期 2 0 0 4年 l 2月 机 械 科 学 与 技 术 MECHANI C AL S CI ENC E AND T ECHNOLOGY VO 1 2 3 No . 1 2 De c e mb e r 2 0 0 4 杨 晓钧 文章编号 1 0 0 3 - 8 7 2 8 2 0 0 4 1 2 1 4 7 3 5 基于并联机床的 P r o / E后置处理系统研 究 杨晓钧 , 钟诗胜 , 王知行 , 魏永庚 哈尔滨工业大学 机电学院, 哈尔滨 1 5 0 0 0 1 摘要 因为并联机床结构的特殊性 , 通用的刀具轨迹后置处理程序无法生成并联机床 的数控指令。本文研 究基 于 并联机床的 P r o / E后置处理 系统的开发 , 解决并联机床编程困难的问题 , 提 出后处理的流程和相关算法。 关键词 并联机 床 ; P r o / E; 后 置处理 中 图分类号 T G 5 4 ; T P 2 4 2 . 2 文献 标识 码 A De v e l o p me n t o f Pr o / E Po s t . Pr o c e s s i n g S y s t e m Ba s e d o n Pa r a l l e l M a c h i ne To o l Y A N G X i a o - j u n 。Z HO N G S h i s h e n g ,WA NG Z h i x i n g ,WE I Y o n g g e n g f S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g 。Ha r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ,Ha r b i n 1 5 0 0 0 1 Ab s t r a c t Ge n e r a l c u t t e r l o c a t i o n p o s t . p r o c e s s i n g s y s t e m c a n n o t g e n e r a t e t h e NC i n s t r u c t i o n f o r p a r a l l e l ma c h i n e t o o l b e c a u s e o f i t s s p e c i a l s t r u c t u r e .W e d e v e l o p e d a P r o /E p o s t - p r o c e s s i n g s y s t e m b a s e d o n p a r a l l e l ma c h i n e t o o l f o r s o l v i n g t h e p r o b l e m o f p r o g r a mmi n g d i f f i c u l t y for p a r a l l e l ma c h i n e t o o 1 .T h e p o s t - p r o c e s s i n g p r o c e d u r e s a n d r e l a t e d a l g o r i t h m a r e g i v e n . Ke y wo r d s P a r a l l e l ma c h i n e t o o l P r o / E;P o s t p r o c e s s i n g 六轴并联机床作为一种新型的数控机床, 相对于传统串 联机床具有诸多优点, 适用于具有复杂曲面的零件加工。为 了进一步提高六轴并联机床的加工能力, 增大工作空间, 可以 在六轴并联机床的工作台上串联一个数控转台. 实现七轴联 动. 这样就形成了七轴串并联机床, 如图 1 所示一 图 1 并联 机床 并联机床工作空间随刀具姿态的变化而变化 , 工件加 工时刀具位姿应经过专 门的验算, 目前的商业软件系统均 不能满足这一要求 ; 并联机床数控加工干涉检验与通用数 控设备不同; 由于并联机床结构的特殊性 , 其数控系统一 收 稿 日期 2 0 0 30 8一o 6 作者简介 杨晓钧 1 9 7 7 一 。 男 汉 . 山东 . 博士研究生 般 自行研制开发 , 它接受 刀位文件后 , 要将刀位转换成各 驱动杆的杆长 , 再转换成脉 冲信 号驱动 加工单元 , 而商业 软件 C A D / C A M是针对通用的数控机床开发的。 本文以 P r o / E平台的 C A M模块输出的刀具轨迹为基 础 , 以 V C为编程语言, 将刀位原文件转换成并联机床能执 行的数控程序 , 解 决并 联机床加 工复杂 曲面编程难 的问 题 , 其与 P r o / E的集成关系如图 2所示。 开始 P r o / E图形编辑 图形预处理 零件图形内 部数据库 交互确定加工实体 加工实体的 P r 0 , E 内部数据库 前置处理 刀位原文件 零件工 艺设计 机床控制 命令库 后置处理 图 2 集成关系流程图 正 确 结束 l 矗 数件一 床文一 一 壮查 机码[张捡 联代一 一 增 维普资讯 l 4 7 4 机 械 科 学 与 技 术 第 2 3卷 并联机床的后处理系统 , 是一种针对并联机床数控编 程系统和特定的机床结构开发的专用后置处理 系统, 直接 读取刀位原文件中的刀位数据 , 根据特定 的数控机床指 令 集 及代码格式将其转换成数控程序输出, 机床的特性直接 编入后置处理程序 中, 后置处理过程的针对性强, 简单 可 行易 于操作 。 1 P r o / E刀位 轨迹 文件格 式 P r o / E刀具轨迹文件是一种 A P T语言 , 主要 由几何定 义语句、 刀具运动语 句、 宏指令 、 循环指令 、 辅助功能的语 句及其它的一些注释 、 说明等语句构成。 1 . 1 几何 定义语 句 几何定义语句用来说明零件轮廓的几何形状 、 进刀点 位置及进刀方向等 , 为后面描述走刀路线作准备。一般形 式为 几何元素专用字 / 几何元素定义方式 , 即 c i r c l e / x, Y, z , i , , , r 其中, 、 Y 、 为刀心坐标 ; i √、 为圆弧平 面法 向量 ; r为圆 弧半径 。 1 . 2刀具 运动语 句 刀具运动语句描述 刀具运动 轨迹 。下面给出刀具运 动语句的例子 F ROM/ x, Y, z , i , , ; GOT O/ x, , , , , i , , 其中, 、 Y 、 为刀心坐标 ; i 、 、 为刀轴矢量。 1 . 3 加工工艺规范定义语句 加工工艺规范定义语句用来描述加工方法 、 刀具运动 方式、 加工状态和加工工艺参数 , 如主轴转速、 加工余量 、 进给速度等. 如 R A P I D / 定义为快速运动 F E D R A T/ 定义进 给 速度 S P I N D L / 定义主轴的转速 C O O L N T/ 冷却液的开关 C U T C O M/ 刀具补偿 1 4 程序控制定义语句 P r o / E宏指令由 D E F S U B 、 E N D S U B 、 C A L S U B等语句组 成 前两条语句确定宏指 令定义的范围, 后一条语 句确定 要调用的宏指令在程序 中位置。 1 . 5其他语 句 这类 语 句 包 括 注 释 、 说 明 等 语 句。如 P A R T N O. P P R I N T. MA C H I N E, F I N I 等 。 2 刀位 轨迹数 据结 构定 义 后置处理系统将 刀位文件经读取后形成原始 的轨迹 定义文件, 针对轨迹数据的管理, 目标码生成所需要 的信 息提供, 按照 c语言结构 , 构造刀具 轨迹所用到的数据 类 型定 义如 下 s t r u c t t a g S E G ME N T { i n t i Me t h o d; B OOL b Tr a n s mi t ; C h a r s z Or i g i n C L [ 1 2 8 ] ; / / P r o / E刀位文件 D o u b l e d E n d P o s [ 6 ] ; u n i o n } L I N E I N T E R P OL A T E L i n e l n t e r p; C I R C L E I N T E R P O L A T E C i r e l e I n t e r p ; } ; } 上述结构定义了一个轨迹段。i Me t h o d说明轨迹段的 类型 , 轨迹段 中包含直线和圆弧 2种类型。b T r a n s mi t 说明 直线和圆弧转接标志。D E n d P o s指定直线的终点位姿 , 同 时作为下一段轨迹的起始位姿 。L i n e I n t e r p和 C i r e l e l n t e r p 分别定义了不同的轨迹线类型 , 其相应的数据结构如下 / / 直线轨迹段定义 s t r u c t L I NEI N T ERPOL AT E{ d o u b l e d S t a r t P o s [ 6 ] ;/ / 刀具直线轨迹起 始位姿 d o u b l e d E n d P o s [ 6 ] ; / / 刀具直线轨迹终点位姿 e o n s t i n t H; / / 沿刀轴矢量的距离 d o u b l e d l ; / / 走刀步长 } / / 圆弧 轨迹段 定 义 s t r u c t CI RCL EI N TE RP OL AT E{ d o u b l e d C e n t e r P o s [ 3 ] ; / / 圆心点坐标 i n t d P o s P a r a [ 3 ] ;/ / 圆弧所在平面适量 d o u b l e d C S t a r t P o s [ 6 ] ;/ / 起点位姿 d o u b l e d C E n d P o s [ 6 ]; / / 终点位姿 d o u b l e d a n g ; / / 插补角 } 3 并联 机床 加工 后置 处理 算法 并联机床与传统机床的本质区别在于刀具在操作空 间的运动是关节空间伺服运动的非线性映射 又称虚实映 射 。因此运动控制时 , 通过并联机构逆解模型 , 将已知的 刀具位姿和速度信息变换为伺服系统的控制指 令. 以驱动 并联机构实现刀具期望的运动。插补方法通常采用粗 、 精 二次插补⋯ , 其步骤如下 I 根据加工精度的要求 , 以及多轴运动控制器提供 的插补速率 , 将刀具轨迹在“ 时 间轴” 上离散为操作空 间的 点序。该过程相 当于传统机床的粗插补。 2利用位置逆解模型 , 对上述离散点序实施虚实变 换, 得到关节空间各伺服轴的相应离散点序 。转换为多轴 运动控制器所要求的数据格式, 送入其缓 冲区。 3 利用多 轴 运动 控制器提供的插补模式 , 对伺服 轴的离散 点进行 细分 , 通过伺服放大器驱 动电机 和并联机 构按 预 定轨迹运 动。该 过程相 当于传统机床的精插补 。 3 . 1 空间直线双轨插补 如图 3所示, 在机床 参考系 0- XY Z空间 刀心 一Ve 只 图 3 空 间 直线插 补示 意图 直线轨迹段 的起点和终点为 P 和 P , 刀具轴线 的矢量为 维普资讯 The Standard is downloaded from Standard Sharing 第 1 2期 杨晓钧等 基于并联机床的 P r o / E后置处理系统研究 1 4 7 5 和 V , 则第 个插补点和刀具轴线的矢量 P 和 V 。 在该系 下可表示为 f P “ P ,h V , 』 c “ 1 l Ⅳ一 P , P I / A s L ⅣI P P I/ A s 式中 P P 为沿矢量 V , 和 方 向平移 h得到 的点; A s为 插补周期的直线进给步长 , A s , r , , 为进给速度 , r为插 补周 期; N、 N为 刀心 、 刀轴离 散 点; N ma x i n t Ⅳ, | V 。对 Ⅳ, Ⅳ 取整 , 得到最大的离散点数 Ⅳ 。 rP P , P 一P . i / N { P P P 一 P 。 i / N ⋯ 2 L V P P ‘ / 式中 P 、 V . 为 第 个 刀 心点和刀轴矢量 , i 0 , 1 . 2 , ⋯ , Ⅳ 。 3 . 2空间 圆弧插 补 图 4中 n表 示插 补 圆弧所 在平 面空 间 矢 量 , P 。 、 P . 、 P 2分别表示圆弧 的圆心、 起点、 终点 和插 补点 。 Pl Po 图 4 空 问圆弧插 补示 意图 , 鲁 ㈩ ’ 。 ;_ ‘ J C O S /P l P o P e e , e 。R o t , l , 9 0 。 e 。 R o t , l , 9 0 。 表 示 绕 矢 量 , l逆 时针 旋 转 9 O 。 ,以 判 断 P P 。 P 实际所处的像限。 e 0 , P .P 。 P e [ o 号 】 或 e 【 叫 e I c m e 0, 则 P l P o P 2 a r c c o e e e 。 e 0, 则 P l P o P 2 2 叮 r a r c c o e e e , ~ 0 , 则 P 。 P e 【 詈 , 】 e 。 e 0, 则 P l P o P 2 叮 r a r c c o e , e e 【c 皿 p e 0, 则 P l P o P 2 a r c c o e e e ’ e 1 , 则 P l P o P 2 2 叮 r Ⅳi n t P l P o P 2 / A 01 T R o t w, i / N P l P o P 2 , i 0, 1 , 2 , 3 , ⋯ , Ⅳ 4 P。 Po r Te 。 式中 △ 口为插补周期圆心角增量 ; e 为圆心到圆弧起点的 单位矢量 ; e , 为圆心到圆弧中点的单位矢量。 3 . 3 刀具轨迹运动学分解 P r o / E生成的刀位文件将 刀具位姿描述为 , , , u , o , n 。 , , , , 表示刀心点在 工件坐标 系中的坐 标 , n , n , n 表示在工件坐标系中刀具轴线矢量 单位 矢量 的方向余弦。在用 P r o / E生成工件加工程序时 , 我 们首先假定工件不动, 刀具以与切削点法线成一定 角度 的 姿态沿工件型线进行切削。在实际加工过程中 , 该运动必 须分解成刀具相对工件 的切削运动和工件相对数控转台 的转动。所 以后置处理时, 不能直接将刀位转换至机床坐 标系 , 而将 P r o / E生成的刀位转换成经变换后 的刀位点位 置和数控转 台的转角。工作 台绕 轴旋转后置处理如下 已知如 图 5所 示 , 工件 坐标 系为 O 一 X Y Z; 工件可绕坐标 转动 A 0 ≤A≤3 6 0 。 ; 机床坐标 系为 OM - X Y Z, 工件 坐标 系在机床坐标 系 的位 姿 U , 。刀心 C在 工 件 坐 标 系 的 位 置 为 , , , , ; 刀轴 矢 量 n 单位矢量 在工件坐标 图 5 刀轴 在工件 坐标 系姿态 系为 n , n , , n 。 求机床运动坐标值 、 y 、 z、 A和刀具姿态 , , _, , K 。 1 认为刀轴矢量 n为 自由矢量 , 刀轴绕 轴逆时针 旋转到 Z 平面 , 这里 刀轴矢量绕 轴的顺时针 旋转角 A在 03 6 0 。 之间 , 其中 A的计算公式如下 A a r c l a n 2 n , / a 5 2 工件绕 轴旋转 A角, 变换矩阵为 Tz 1 O 0 c o s A 0 一 s i n A O O 3 矢量转动后在坐标系 O 一 X Y Z中的位姿 。T件坐 标系 0 一 XY Z到机床坐标系 0 - X Y Z的姿态变换矩阵为 [ ] ㈩ 刀具位姿由工件坐标系转换到机床坐标系 X, Y , Z, , , J , K y Z 1 T , , 1 U 和 T 8 4 干涉 校验 4 . 1 杆 长校验 l m u 一 1 , 2 , 3 , ⋯ , 6 9 ‘ 一 1 . 二 . J . 。 ‘ 。 . o l l 一 f ⋯ 0 式中 l ⋯、 l 、 l , 分别为机床允许 的最大、 最小杆长和某时 刻的杆长 4 . 2 虎克铰校验 虎克铰也称为万向铰 , 允许两构件有两个相对转动的 自由度 , 如图 6所示 , 两轴转角 0 . 、 0 分别为 J a rcc0 s ar ccos 杀 6 1●●●●● ●一 O O O O o 罾州o S C 维普资讯 l 4 7 6 机 械 科 学 与 技 术 第 2 3卷 式中 m. 为第 一 回转 方 向 垂 直 安 装 平面 ; . 为 参 考 方 向 垂直平台所在平面 ; d j 为第 i 杆在机床坐标系下的方向 矢量 ; d i 为 d i 在垂直于 m 平 面的投影。这两个转角应 在允许范围之内满足 f - s 0 1 s 1 1 L 0 2 i ‰ S 0 2 S 0 z 口 Ⅱ . 1j 0 式中 0 l Ⅲ i , 0 u l Jk , 0 2 l , 0 ⋯ Ⅱ 0 分别 为动平 台或定 平台虎克铰回转轴最小和最大许用转角。 图 6 虎克铰结构示意图 4 . 3 动平台倾斜角校验 当章动角 卢增大时 , 工作空间缩小 。当达到许应 卢 时工作空间最小 , 口0时空间最大。因此, 在并联机床工 作空间 . 以一定的精度将工作空间离散成 n个刀头坐标点 P , Y , , 计算对应各点 的最小 可达章动角 卢 “, 求 出工作空间在 轴 、 Y轴 、 z 轴 , 方向最大值和最小值 。 假定在工件坐标系下工件 的刀位 点为 P, , , , , , 工件坐标系在机床坐标系下 的姿态变换矩阵为 , 动平台 位置为 U , y , , 刀轴矢量为 Ⅳ. . , 机床坐标系 轴单位矢 量为 Ⅳ , 所 以在 i 点动平台章动角在机床坐标系下的坐标 值 P N . , , . z . 为 f 卢 。 Ⅳ Ⅳ 1 2 £ PN T PⅣ U‘ 约束条 件为 , ~ ⋯ 0 ⋯ 一 H。 0 , , N .一 , , i 0 , , ⋯ 一, , _ ‘ 0 1 3 i一 0 m - I一 N 0 s 卢 .Ⅲ . 从而确定 P r o / E产生的工件刀位轨迹点在并联机床 的空间以内, 刀轴矢量转化成机床动平 台姿态在此点的章 动角小于最小可达章动角, 属于机床的合理工作空间 , 是 可加工点。 5 计算杆长 并联机床刀具的运动是由六根驱动杆的长度变化来实 现的, 已知刀位数据, 通过 S l e w a r t 平台求逆解的算法计算 出 并联机床六根杆的杆长。并联机床的结构如图 7所示。 图 7 并 联机 床结构 示意 图 坐标系 { A} 和 { B} 固定在定平 台和动平台的中心 0 和 0 。坐标 系{ A} 和机床坐标 系重合 , 刀位数据中包含刀 头点 P和刀轴矢量 在机床坐标系下的坐标 。则 0 在机 床坐标系下坐标为 O BP £ 1 4 三为刀长 , 所 以很容易得到从 { B}到机床坐标 系的变换矩 阵 。则 b [ R] 。O 日 】 5 式 中 b .表示 B .在 机床坐标 系 下 的坐 功 标 ; [ R] 为动平 台姿 态的方向余弦矩阵。 并联 机 床 动平 台的姿态 常 用欧 拉 角 a、 卢、 y来 表 示。 欧拉角 a、 卢、 y有 明 确的几何意义 , 如图 图8 动平台姿态示意图 8所 示 。 J f J 6 L 卢 a r c c o s £ 图 8中 b 表示动平 台绕其 中心的自转 , 并联机床有5个 自 由度 , 但是加工时只需 5个就够 了。这里动平 台绕其中心 的转动是冗余的 。所以 l 咖 y 0 1 7 L 1 , 一 [ R] 可以表示为⋯ 厂 c ys o t s T c c J 9 s y~s c y c ] [ R ] l s a c c y c a s T s a c fl s , c a c T s a i 。 一 s 卢 y s y c IB 所以杆长为 £ £ 『I A f b 『 I , i 1 , 2 , ⋯, 6 1 8 并联机床工作空间的其它约束条件包括运动可控制 条件和奇异位形 约束 等。根 据以上条件对刀位数据进行 验算 , 如果发生干涉, 将错误信息写入错误 日志 , 并结束整 个后置处理过程。否则, 将转 台转 角、 并联机 床杆长以及 其它信息按照并联机床数控系统规定 的格式写 入输 出文 维普资讯 The Standard is downloaded from Standard Sharing 第 l 2期 杨晓钧等 基于并联机床的 P r o / E后置处理系统研究 l 4 7 7 件 , 这就结束了整个后置处理过程 。七轴并联机床加工 的 后置处理流程如图9所示 。 工件定位数据 机构结构特性 打开刀具轨迹文件 读取文件 插补计算 刀位数据分解 刀具自 身位姿 I 1数控转台 转角 I 否 杆长计算 图 9 后 置处 理流程 图 最终得到并联 机床 可读的 G代 码形 式的程 序格式 如 下 Nl S l 7 9 0 N2 M l 1 N3 C0 0 L 9 2 7. 0 8 5 8 0 9 L 9 4 2 . 1 l 2 5 2 7 L 9 3 9 . 5 6 6 7 4 4 L 9 3 5 . 5 9 7 l 4 2 L 8 7 7 . 3 3 8 5 3 5 L 8 6 5. 4 9 3 2 9 4 A3 3 3 . 6 5 0 3 5 0 N 4 G0 1 L 9 2 7. 8 0 6 8 4 3 L 9 4 2. 8 4 0 4 01 L 9 4 0 . 3 2 7 8 9 4 L 9 3 6 . 3 5 2 2 9l L 8 7 8 . 0 7 6 7 3 7 L 8 6 6. 2 3l 6l 4 A3 3 3 . 6 5 0 3 5 0 F 2 0 0 0. 0 0 0 0 0 0 6 加 工应 用 根据对 P m/ E的 C A M模块产生的刀具轨迹 格式 的分 析和结合并联机床特性的基本算法的研究 , 我们开发 了并 联机床数控软件的 P r o / E处理 系统 , 该模块运用于并联机 床实际工件加工中, 并得到良好的效果。 7 结论 本文研究 以七轴 并联 机床为 原型 , 开 发基 于 P r o / E C A M模块的后处理系统 , 通过对实际加工 出的零件进 行 测量. 产品符合要求 , 证明本 研究提出的算法和开发的软 件是正确的。 [ 参考文献】 【 1 ] 魏永明, 叶佩青 , 李铁民, 杨向东.虚拟轴机床 C N C系统的 软件设计及系统特点[ J ] .制造技术与机床, 1 9 9 9 。 1 [ 2 ] 王哲. 面向并联机床的复杂 曲面数控加工编程技术的研究 [ D ] . 哈尔滨工业大学, 2 0 0 0 [ 3 ] 熊有伦. 唐立新. 机器人技术基础[ M] . 武汉 华中理工大学 出版社 . 1 9 9 6 上接第 1 4 7 2页 0 0 _量 n _0 .O 6 6 l 6 2 6 3 6 . 4 6 5 时间 s a 各通道响应轨迹 6 6 J 6 2 6 3 64 6 5 时间 s b 各通道干扰误差 图 5 运动 系统负 载交联 耦合 干扰 2 4结 论 1 建立 了运动平台 6通道伺服系统的数学模型, 通 过分析得知并联 6自由度运动 系统是一个负载交联耦合 的系统 , 但 由于其运动学 、 动力学极其复杂 , 尤其是运动系 统的正解解析解 尚未解决 , 很难 对该 系统进行解耦研究 , 而只能将这种耦合对系统的影响当作干扰来处理 。 2 采用基于 T S模糊模型的模糊 自适应 P I D控制方 法对负载交联耦合特性作了实验研究, 结果证 明运动系统 的负载交联耦合是严重的, 在飞行 模拟器作高频抖动模拟 时 , 必须注意负载交联耦合对系统的不 良影响。同时, 实验 结果也证明负载压力前馈补偿可在较大程度上克服负载交 联耦合干扰 , 但加入干扰补偿后 , 系统仍残余一定误差。 [ 参考文献】 [ 1 ] 王行仁. 飞行实时仿真系统及技术[ M] . 北京航空航天大学 出版社 .1 9 9 8 [ 2 ] S t e w a r t D 、A p l a t f o r m w i t h s i x d e g r e e o f f r e e d o m [ A ] .P r o c o f I n s ti t u t i o n o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g [ C] , 1 9 6 5 [ 3 ] 黄真, 孔令富。 方跃法. 并联机器人机构学理论及控 制[ M] . 北京 机械 工业 出版社 ,1 9 9 7 [ 4 ] 杨灏泉. 飞行模拟器六 自由度运动系统及其液压伺服系统 的研究[ D ] . 哈尔滨 哈尔滨工业大学 , 2 0 0 0 8 O一 8 2 [ 5 ] C h u n g I F 。 C h a n g H H。 L i n C T .F u z z y c o n t r o l o f a s i x . d e g r e e m o t i o n p l a tf o r m s t a b i l i t y a n a l y s i s [ A ] .I E E E S MC’ 9 9 C o n f e r e nc e Pr o c e e di ng s,I EEE i nt e r n a tio na l Co nf e r e n c e o n Sy s t e rn。 Ma n 。 a n d C y b e r n e t i c s [ C ] 。 1 9 9 9 一 E 三 覃 J 维普资讯