CN102222143A - 加工船用螺旋桨并联机床空间螺旋线数控插补系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种加工船用螺旋桨并联机床空间螺旋线数控插补系统及方法，所述系统由输入输出装置、CNC装置、可编程控制器、主轴控制单元、主轴电机、伺服驱动单元、进给伺服电机和位置检测装置组成。所述方法如下：根据进给速度，将给定的轮廓曲线分割为每一插补周期的进给段，即轮廓步长；每一插补周期，执行一次插补运算，计算出下一个插补点坐标，用并联机床专有的反解算法计算出下一个周期各杆的杆长增量，即第一至第六杆长增量Δl₁，Δl₂，Δl₃，Δl₄，Δl₅，Δl₆，从而得出下一个插补点的指令位置；下一个周期的杆长增量与指令的杆长增量进行比较，得出杆长误差，再根据杆长误差对杆的伺服系统进行控制。本发明动态性能好、响应速度快、适应性强。

Description

加工船用螺旋桨并联机床空间螺旋线数控插补系统及方法

技术领域

本发明涉及用并联机床加工船用螺旋桨的空间螺旋线数控系统插补和装置，具体包括空间螺旋线插补，位置伺服控制和速度控制，并联机床软硬件结构等。

背景技术

船舶用螺旋桨的五轴联动加工由于串联机构的运动范围问题和刚度问题，大型设备的加工起来十分困难，而且精度很低，并联机床的刚度和工作空间以及结构却有很大的优势，加工船舶用螺旋桨用并联机床是个很好的选择。为此，采用李代数和解析法解决并联机床的正、反解问题，而且算法直观而简洁。本发明主要涉及并联机床加工船用螺旋桨的数控控制问题，具体的讲：包括空间螺旋线插补，位置伺服控制和速度控制，并联机床软硬件结构。根据专利“3-2-1结构六自由度正交并联机床(申请号：03102884.5)”、“两维移动一维转动空间三轴并联机床结构(申请号：00105932.7)”、“可重组三、四、五轴并联机床(申请号：00122181.7)”、“五自由度并联机床(申请号：200810162510.3)”、“一种用于并联机床的光纤输出激光器(申请号200620025722.3)”、“新型三维移动两维转动并联机床(申请号：03135428.9)”和“用于可重构并联机床的模块化驱动支链结构(申请号：03137758.0)”等分析，国内还未发现有采用空间螺旋线插补这方面研究的专利，数控系统还很不完善和规范。有些研究者只对并联机床加工船用螺旋桨的某一方面进行了部分研究，如王知行，陈辉发表在《机械设计与研究》(2003年第6期)“并联机床加工船用螺旋桨及CAM技术研究”，陈光明发表在《机床与液压》(2010年第11期)的文章“基于并联机床的汽轮机叶片数控加工技术研究”，孙立兵，董旭，吕玉梅发表在北华航天工业学院学报(2009年第3期)的文章“基于VC的三自由度并联机床数控系统软件开发”，李滨城，杨丹，顾金凤发表在《机械设计与制造》(2010年第8期)的文章“基于EMC2的并联运动机床的控制系统设计与仿真”，马明明，王友林，李娟发表在《山东理工大学学报(自然科学版)》(2010年第3期)的文章“一种六杆并联机床数控系统程序设计”等分析，国内还没有涉及到加工船用螺旋桨并联机床空间螺旋线数控系统插补和装置方面的报道。

发明内容

本发明目的是鉴于上述现有技术存在的不足，本发明的目的就是要提供一种利用李代数和解析法原理和分析技术，解决加工用船用螺旋桨叶片并联将机床的正、反解问题，而且算法直观而简洁。本发明内容具体包括空间螺旋线数控插补，位置伺服控制和速度控制，并联机床软硬件结构等。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明加工船用螺旋桨并联机床空间螺旋线数控插补系统，其特征在于由输入输出装置、CNC装置、可编程控制器、主轴控制单元、主轴电机、伺服驱动单元、进给伺服电机和位置检测装置组成，其中输入装置和位置检测装置的输出端分别接CNC装置的输入端，CNC装置的输出端分别接可编程控制器和伺服驱动单元的输入端，可编程控制器的输出端依次串接主轴控制单元、主轴电机后接并联机床的输入端，伺服驱动单元的输出端串接进给伺服电机后接并联机床的输入端，并联机床的输出端接位置检测装置的输入端。

加工船用螺旋桨并联机床空间螺旋线数控插补系统的插补方法，如下：

根据进给速度，将给定的轮廓曲线分割为每一插补周期的进给段，即轮廓步长；每一插补周期，执行一次插补运算，计算出下一个插补点坐标，用并联机床专有的反解算法计算出下一个周期各杆的杆长增量，即第一至第六杆长增量Δl₁，Δl₂，Δl₃，Δl₄，Δl₅，Δl₆，从而得出下一个插补点的指令位置；下一个周期的杆长增量与指令的杆长增量进行比较，得出杆长误差，再根据杆长误差对杆的伺服系统进行控制。

所述插补周期可以等于采样周期，也可以是采样周期的的整倍数。

本发明由并联机床的数控系统、数控系统的软硬件结构和进给伺服系统等内容组成。重点是螺旋线插补的扩展数字积分法插补算法，得出了进给速度的限制条件，给出了螺旋线插补的插补软件流程。采用MB8739芯片做并联机床的伺服系统。并联机床具有模块化程度高、刚度高、刚度重量比大、动态性能好、响应速度快、适应性强、容易实现多轴联动等优点，非常适用于船用螺旋桨叶片等复杂曲面的加工。

附图说明

图1：嵌入式数控系统的组成；

图2：并联机床数控系统软件构成；

图3：并联机床数控系统的硬件组成；

图4：螺旋线数据采样插补软件流程；

图5：并联机床的伺服系统的组成。

具体实施方式

并联机床CNC系统是一种位置(轨迹)、速度(还包括电流)控制系统，其本质上是以机床的多个执行部件(各运动轴)的位移量、速度为控制对象，并使其运动轨迹要求协调，且是一种配有专用操作系统的计算机控制系统。由输入输出设备、数控装置、可编程控制器、主轴驱动装置和进给伺服驱动转置组成。如附图1所示。

并联机床CNC主要工作是通过各种输入方式，接受机床加工船用螺旋桨叶片的各种数据信息，经过CNC装置译码，再进行计算机的处理、运算，转换为各杆的运动量并送到各个杆的驱动电路，经过转换、放大去驱动伺服电动机，带动各杆运动。并进行实时位置反馈控制，使各个坐标轴能精确地走到所要求的位置。并联机床CNC装置的功能能满足用户操作和机床控制要求的方法和手段。内容包括：基本功能——数控系统基本配置的功能，即必备功能；选择功能——用户可根据实际要求选择的功能。CNC的功能主要反映在准备功能G指令代码和辅助功能M指令代码上。其中控制功能、插补功能、准备功能、主轴功能、进给功能、辅助功能、字符显示功能、自诊断功能等属于基本功能，而补偿功能、图形显示功能、通信功能、网络功能和人机对话编程功能则属于选择功能。

并联机床数控系统是一个多任务且实时的专用系统，属于系统软件，其操作系统具备实时性，由管理软件和控制软件组成。管理软件包括零件程序的管理程序、显示处理程序、零件程序的输入输出管理程序、故障诊断处理程序等。控制软件包括编译处理程序、刀具补偿计算程序、速度处理程序、插补运算程序、位置控制程序、机床输入输出控制程序、主轴控制程序等。具体组成见附图2所示。具有多任务并行处理和实时中断处理的特点，中断类型包括外部中断、内部定时中断、硬件故障中断和程序性中断。

并联机床的硬件拥有实现加工船用螺旋桨叶片复杂零件的特定功能模块和接口单元，包括主轴控制卡、位置控制卡、PLC接口、网络接口等。并联机床的硬件如附图3所示。

并联机床插补计算对数控系统输入基本数据(如直线的起点、终点坐标，圆弧的起点、终点、圆心坐标等)，根据加工精度(进给速度)的要求，运用并联机床用数控螺旋线插补算法，得到各坐标的瞬时值，并运用并联机床专用设置的反解算法得到各个杆的杆长增量，将结果送入相应杆的控制子系统，从而实现加工零件目的。本螺旋线数控插补算法的指标具有稳定性指标、插补精度指标、合成速度的均匀性指标、算法尽可能简单等。

数据采样插补是根据进给速度，将给定的轮廓曲线分割为每一插补周期的进给段，即轮廓步长。每一插补周期，执行一次插补运算，计算出下一个插补点坐标，用并联机床专有的反解算法计算出下一个周期各杆的杆长增量，即Δl₁，Δl₂，Δl₃，Δl₄，Δl₅，Δl₆等，从而得出下一个插补点的指令位置。与脉冲增量插补不同，数据采样插补得出的是二进制表示的杆长增量，也就是下一插补周期中，轮廓曲线上的进给段在关节空间的映像。计算机定时对坐标的实际位置进行采样，用并联机床专有的反解算法计算出新的杆长增量，新的杆长增量与指令的杆长增量进行比较，得出杆长误差，再根据杆长误差对杆的伺服系统进行控制，达到消除误差、使实际杆长跟随指令杆长，从而达到实际位置跟随指令位置的目标。插补周期可以等于采样周期，也可以是采样周期的的整倍数。对螺旋线插补而言，动点在一个插补周期的运动的直线段以弦线逼近螺旋线。用弦线逼近弧线，会产生逼近误差e_r。采用李代数和解析法原理和技术方法，螺旋线数据采样插补的软件流程如附图4所示，图中的几个函数定义如下：

右螺旋线插补时，S_X和S_Y的计算式为

$S_X=\left\{\begin{array}{cc}1& y_e-y_0>0\\ \mathrm{sgn}(x_e-x_0)& y_e-y_0=0\\ -1& y_e-y_0<0\end{array}\right.$ (1)

$S_Y=\left\{\begin{array}{cc}1& x_e-x_0>0\\ \mathrm{sgn}(y_e-y_0)& x_e-x_0=0\\ -1& x_e-x_0<0\end{array}\right.$

左螺旋线插补时，S_X和S_Y的计算式为

$S_X=\left\{\begin{array}{cc}-1& y_e-y_0>0\\ \mathrm{sgn}(x_e-x_0)& y_e-y_0=0\\ 1& y_e-y_0<0\end{array}\right.$ (2)

$S_Y=\left\{\begin{array}{cc}-1& x_e-x_0>0\\ \mathrm{sgn}(y_e-y_0)& x_e-x_0=0\\ 1& x_e-x_0<0\end{array}\right.$

标志变量P_SX和P_SY用来判别插补点是否与插补终点处于同一象限的，此处象限为辅助坐标系的象限，计算公式如下：

右螺旋线插补时

P_SX＝S_Y  P_SY＝-S_X    (3)

左螺旋线插补时

P_SX＝-S_Y  P_SY＝S_X    (4)

判别插补点与终点在坐标系同一象限的条件为

(x_i-x₀)P_SX＞0，(y_i-y₀)P_SY＞0    (5)

S_i为插补点与终点P_e的距离的平方，插补开始时首先检查插补点与终点间的距离是增大还是减小，若为增大，说明插补点还未过与终点相对应的半圆，不需终点判别，继续插补。若为减小，则表明插补点已过与终点相对应的半圆，这时进一步判别插补点与终点是否位于同一象限，若不位于，则仍不需进行终点判别，否则需进行终点判别。

并联机床伺服系统接收来自插补装置或插补软件的进给脉冲，经过一定的信号变换和电压、功率放大，将其转化为切削刀具相对于参考系的运动，主要是通过对步进电机、伺服电机等进给驱动元件的控制来实现。并联机床的伺服驱动系统作为一种实现刀具与工件间运动的进给驱动和执行机构，是数控系统和机床机械传动部件间的连接环节，是并联机床的组成部分。它把数控系统的插补运算生成的位置指令，精确的变换为机床运动部件的运动，直接反映了机床坐标轴跟踪运动指令和实际定位性能。并联机床的伺服系统的组成见附图5所示。

位置控制输出组件的D/A转换电路有缓冲寄存器、二进制计数器、数值检测器、方向控制电路控制电路、比较放大器五部分组成。它接收微机的数字信号，以脉宽调制的形式输出模拟电压。缓冲寄存器存放表示跟随误差的16位(反码形式)二进制信号。每一个采样周期，发出一个采样脉冲，将数据总线上的数据和符号，读入缓冲寄存器。二进制计数器为加法计数器，缓冲寄存器的跟随误差经延迟后送入二进制计数器，计数器的最高位为符号位，用于控制方向，数据置入后，开始加法计数，计数器加之溢出时，计数器所计脉冲数等于跟随误差绝对值。脉冲宽度与跟随误差成正比。数值变为脉宽后，再经过两个有符号位信号控制的与非门输出，就能区别方向。符号位为0，矩形波信号有正端输出；反之，由负端输出。然后信号进入比较放大器，输出直流指令电压信号，它的幅值表示跟随误差大小。

并联机床采用位置控制用芯片(MB8739)，其工作过程为CPU输出的位置指令和位置检测反馈量，经过MB8739处理后，经D/A转换，再经速度控制单元控制伺服电动机运动。电机上安装的光电脉冲编码器，随着电机转动产生序列脉冲。该脉冲经接收器反馈到MB8739，然后将其分为两路。一路作为位置量的反馈，一路经频率电压变换，作为速度量的反馈信号送往速度控制单元。此芯片若用来控制直线伺服电机只需把相应的角度量变换为线量就可以了。

其工作实施流程是：

1、进行船用螺旋桨叶片零件三维造型；确定叶片数控加工工艺方案，选定并联机床、刀具、夹具和量具等；刀位计算并生成刀具运动轨迹；刀具运动轨迹仿真、校验和编辑，并生成刀位文件；最后通过专用后置处理程序将刀位文件转换成为并联机床可读的NC代码。

2、接受并联机床加工加工船用螺旋桨叶片的NC代码，经过并联机床CNC装置译码，再进行计算机的处理，即采用并联机床用数控螺旋线插补算法，经运算后转换为各杆的运动量并送到各杆的驱动电路。

3、经过转换、放大去驱动伺服电动机，带动6杆运动。并联机床的结构由6自由度空间并联机构组成的，即由6根可伸缩杆通过球铰或虎克铰将固定平台与动平台相连。机床主轴与刀具的运动是由6根驱动杆的运动复合而成的。将上平台作为固定平台，以伸缩杆的位移作为输入变量，则可以控制动平台的空间位移和姿态，即通过改变6根可伸缩杆的杆长，动平台可以实现不同的位置和姿态；动平台上装有电主轴，刀具装卡在动平台电主轴上随动平台一起运动，以实现对叶片曲面的加工；6根可伸缩杆由滚珠丝杠副和滚珠花键副构成，由6个伺服电机驱动来控制各杆的杆长。

4、进行实时位置反馈控制，使各个坐标轴能精确地走到所要求的位置，实现船用螺旋桨叶片的加工，使叶片曲面的加工质量得到保证。

Claims (3)

1.一种加工船用螺旋桨并联机床空间螺旋线数控插补系统，其特征在于由输入输出装置、CNC装置、可编程控制器、主轴控制单元、主轴电机、伺服驱动单元、进给伺服电机和位置检测装置组成，其中输入装置和位置检测装置的输出端分别接CNC装置的输入端，CNC装置的输出端分别接可编程控制器和伺服驱动单元的输入端，可编程控制器的输出端依次串接主轴控制单元、主轴电机后接并联机床的输入端，伺服驱动单元的输出端串接进给伺服电机后接并联机床的输入端，并联机床的输出端接位置检测装置的输入端。

2.一种如权利要求1所述的加工船用螺旋桨并联机床空间螺旋线数控插补系统的插补方法，其特征在于所述方法如下：

根据进给速度，将给定的轮廓曲线分割为每一插补周期的进给段，即轮廓步长；每一插补周期，执行一次插补运算，计算出下一个插补点坐标，用并联机床专有的反解算法计算出下一个周期各杆的杆长增量，即第一至第六杆长增量Δl₁，Δl₂，Δl₃，Δl₄，Δl₅，Δl₆，从而得出下一个插补点的指令位置；下一个周期的杆长增量与指令的杆长增量进行比较，得出杆长误差，再根据杆长误差对杆的伺服系统进行控制。

3.根据权利要求2所述的加工船用螺旋桨并联机床空间螺旋线数控插补系统的插补方法，其特征在于所述插补周期可以等于采样周期，也可以是采样周期的的整倍数。

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