CN106313007A - 并联型钻床的示教再现系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并联型钻床的示教再现系统，包括工业控制计算机、运动控制卡、示教/再现控制摇杆和并联型钻床，所述工业控制计算机内设置示教/再现操控系统，所述示教/再现控制摇杆通过接口与所述工业控制计算机连接，所述示教/再现操控系统的控制指令通过所述运动控制卡控制所述并联型钻床上的各驱动器使其产生相应动作；所述示教/再现操控系统包括并联机构姿态控制模块、XY工作台平动控制模块、示教点存储模块、动作再现模块、示教点插入模块和示教点删除模块；本发明能够重复再现相同工件下并联钻孔机床的钻孔过程，使得并联钻孔机床可以重复完成相同工件上一系列不同姿态孔的钻孔作业，提高了钻孔加工的工作效率。

Description

并联型钻床的示教再现系统

技术领域

本发明涉及示教/再现的钻床加工技术领域，具体涉及一种并联型钻床的示教再现系统。

背景技术

传统钻床的钻头沿铅垂方向布局，这决定了传统钻床只能加工铅垂方向的孔，对于其它姿态的孔不具有加工能力。在并联钻孔机床的使用过程中，往往需要对某个工件上多个不同位置、姿态的孔进行顺序钻孔加工，且同批次工件的数量较多，如果采用人工的方式去逐个工件逐个孔钻孔，其工作效率会非常低。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供一种并联型钻床的示教再现系统，旨在提高并联钻孔机床的钻孔作业效率。

考虑到现有技术的上述问题，根据本发明公开的一个方面，本发明采用以下技术方案：

一种并联型钻床的示教再现系统，包括工业控制计算机、运动控制卡、示教/再现控制摇杆和并联型钻床，所述工业控制计算机内设置示教/再现操控系统，所述示教/再现控制摇杆通过接口与所述工业控制计算机连接，所述示教/再现操控系统的控制指令通过所述运动控制卡控制所述并联型钻床上的各驱动器使其产生相应动作；所述示教/再现操控系统包括并联机构姿态控制模块、XY工作台平动控制模块、示教点存储模块、动作再现模块、示教点插入模块和示教点删除模块；所述并联型钻床包括并联机构、钻头进给机构、XY工作台和龙门框架，所述并联机构与所述龙门框架上部连接，所述钻头进给机构与所述并联机构连接，所述XY工作台位于所述钻头进给机构下方；所述示教/再现控制摇杆通过所述并联机构姿态控制模块控制所述并联机构的姿态；所述示教/再现控制摇杆通过所述XY工作台平动控制模块控制所述XY工作台的平动；所述示教点存储模块用于记录当前示教点对应的并联机构的电动缸的长度以及XY工作台沿X轴和Y轴方向的位移量；所述示教点插入模块用于插入示教点；所述示教点删除模块用于删除示教点；所述动作再现模块用于自动拟合所有示教点，并通过对所述并联机构和XY工作台的联动控制，形成连续的钻孔加工的运动轨迹，从而达到对工件上不同位置、姿态孔实现连续钻孔加工的目的。

为了更好地实现本发明，进一步的技术方案是：

根据本发明的一个实施方案，所述并联机构为1PT+3TPS型并联结构。

根据本发明的另一个实施方案，所述并联机构包括固定平台、中间从动腿、驱动腿和刀具平台，所述固定平台设置于所述龙门框架上部，所述驱动腿为3条并位于所述中间从动腿周围，所述中间从动腿和所述驱动腿上端与所述固定平台连接，所述中间从动腿和所述驱动腿下端与所述刀具平台连接，所述中间从动腿和所述驱动腿均为能够沿轴向伸长或缩短的伸缩杆结构，所述驱动腿由电动缸驱动。

根据本发明的另一个实施方案，所述中间从动腿外筒与所述固定平台刚性固接且保持铅垂方向，所述中间从动腿的内杆通过万向铰与所述刀具平台中心连接。

根据本发明的另一个实施方案，所述驱动腿上方通过万向铰与固定平台连接，3条所述驱动腿的连接点呈120度分布在固定平台上一个半径为R的圆周上，3条所述驱动腿下方的伸长杆通过复合球铰连接到下方的刀具平台上，3条所述驱动腿的伸长杆的连接点也是呈120度分布在刀具平台上一个半径为r的圆周上。

根据本发明的另一个实施方案，所述复合球铰的转动副为3个。

根据本发明的另一个实施方案，所述示教/再现控制摇杆由轴线正交的两个转动副、一个移动副和若干控制按钮构成，转动副上安装有角度传感器，移动副上安装有位移传感器，当操纵该示教/再现控制摇杆时，角度传感器可实时检测出两个转动副的转角α₀,β₀，据此可控制并联型钻床的钻头在两个方向的摆动，从而调节刀具平台的姿态；当拨动移动副时可实时检测出移动副的位移量，据此可控制刀具平台的高度移动量。

根据本发明的另一个实施方案，所述示教/再现控制摇杆与所述并联型钻床各运动部件运动参数的映射方式为：

在固定平台平面A₁A₂A₃的中心处建立固定坐标系O-XYZ，刀具平台平面B₁B₂B₃的中心处建立动坐标系O'-X'Y'Z'；示教开始时动坐标系相对于固定坐标系的位移向量为P＝[0,0,H₀]^T，H₀为三条电动缸收缩到最短长度时，中间腿的长度；

固定平台铰链点在固定坐标系中的坐标为：A_i＝[a_ix,a_iy,0]^T(i＝1,2,3)，其中上标T表示矩阵转置；

动平台铰链点在动坐标系中的坐标为：B_i＝[b_ix,b_iy,0]^T(i＝1,2,3)；

动平台铰链点在固定坐标系中的坐标C_i＝[C_ix,C_iy,C_iz]^T为：

$\begin{array}{c}{C}_i=\left[\begin{array}{c}{C}_{ix}\\ C_{iy}\\ C_{iz}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ H_0+h_0\end{array}\right]+Rot(Y,{\mathrm{\μ\β}}_0)Rot(X,{\mathrm{\μ\α}}_0)\left[\begin{array}{c}{b}_{ix}\\ b_{iy}\\ 0\end{array}\right]\\ =\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ H_0+h_0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{cos\μ\β}}_0& {\mathrm{sin\μ\α}}_0{\mathrm{sin\μ\β}}_0& {\mathrm{cos\μ\α}}_0{\mathrm{sin\μ\β}}_0\\ 0& {\mathrm{cos\μ\α}}_0& -{\mathrm{sin\μ\α}}_0\\ -{\mathrm{sin\μ\β}}_0& {\mathrm{sin\μ\α}}_0{\mathrm{cos\μ\β}}_0& {\mathrm{cos\μ\α}}_0{\mathrm{cos\μ\β}}_0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{b}_{ix}\\ b_{iy}\\ 0\end{array}\right]\\ \begin{array}{cc}=\left[\begin{array}{c}{b}_{ix}{\mathrm{cos\μ\β}}_0+b_{iy}{\mathrm{sin\μ\α}}_0{\mathrm{sin\μ\β}}_0\\ b_{iy}{\mathrm{cos\μ\α}}_0\\ H_0+h_0-b_{ix}{\mathrm{sin\μ\β}}_0+b_{iy}{\mathrm{sin\μ\α}}_0{\mathrm{cos\μ\β}}_0\end{array}\right]& i=(1,2,3)\end{array}\end{array}---\left(1\right)$

式(1)中的μ为旋转映射比例系数，h₀为中间从动腿在姿态调节时的伸长量。

于是，周边三条驱动腿的长度由下式求出

l_i ²＝|C_i-A_i|² i＝(1,2,3) (2)

由(1)(2)两式得到机构的位置反解方程：

$\begin{array}{c}{l}_i^2={(b_{ix}{\mathrm{cos\μ\β}}_0+b_{iy}{\mathrm{sin\μ\α}}_0{\mathrm{sin\μ\β}}_0-a_{ix})}^2+{(b_{iy}{\mathrm{cos\μ\α}}_0-a_{iy})}^2+\\ \begin{array}{cc}{(H_0+h_0-b_{ix}{\mathrm{sin\μ\β}}_0+b_{iy}{\mathrm{sin\μ\α}}_0{\mathrm{cos\μ\β}}_0)}^2& i=(1,2,3)\end{array}\end{array}---\left(3\right)$

把a_3x＝0，a_3y＝R， b_3x＝0，b_3y＝r代入(3)式得到各条驱动腿的长度；

$\begin{array}{c}{l}_1^2={(\frac{\sqrt{3}}{2}{\mathrm{rcos\μ\β}}_0-\frac{1}{2}{\mathrm{rsin\μ\α}}_0{\mathrm{sin\μ\β}}_0-\frac{\sqrt{3}}{2}R)}^2+{(\frac{1}{2}R-\frac{1}{2}{\mathrm{rcos\μ\α}}_0)}^2+\\ {(H_0+h_0-\frac{\sqrt{3}}{2}r\sin \mathrm{\μ}\mathrm{\β}-\frac{1}{2}{\mathrm{rsin\μ\α}}_0{\mathrm{cos\μ\β}}_0)}^2\end{array}---\left(4\right)$

$\begin{array}{c}{l}_2^2={(\frac{\sqrt{3}}{2}r{\mathrm{cos\μ\β}}_0+\frac{1}{2}r{\mathrm{sin\μ\α}}_0{\mathrm{sin\μ\β}}_0-\frac{\sqrt{3}}{2}R)}^2+{(\frac{1}{2}R-\frac{1}{2}r{\mathrm{cos\μ\α}}_0)}^2+\\ {(H_0+h_0+\frac{\sqrt{3}}{2}r{\mathrm{sin\μ\β}}_0-\frac{1}{2}r{\mathrm{sin\μ\α}}_0{\mathrm{cos\μ\β}}_0)}^2\end{array}---\left(5\right)$

$l_3^2={\left(r{\mathrm{sin\μ\α}}_0{\mathrm{sin\μ\β}}_0\right)}^2+{(R-r{\mathrm{cos\μ\α}}_0)}^2+{(H_0+h_0+r{\mathrm{sin\μ\α}}_0{\mathrm{cos\μ\β}}_0)}^2---\left(6\right)$

根据以上对并联机构位置反解，即可推导出由示教/再现控制摇杆的摇杆倾角α₀,β₀计算出三根电动缸各个长度l₁,l₂,l₃的公式。

根据本发明的另一个实施方案，对所述连续的钻孔加工的运动轨迹采用二次平滑技术拟合自由曲线，第一次用样条拟合空间曲线，增加曲线的光顺性；第二次对用样条拟合后的曲线存在的直线与直线连接的转角进行平滑，进一步增加曲线的光顺性和拟合精度；其第一次平滑处理为：

设有n个示教点P₁(x₁,y₁),P₂(x₂,y₂),…,P_n(x_n,y_n),且x₁＜x₂＜…＜x_n.定义：

S_i(x)＝a_i+b_i(x-x_i)+c_i(x-x_i)²+d_i(x-x_i)³

(i＝1,2,3,..n-1)

S(x)满足：

(1)S(x)通过所有的示教点。且S(x_i)＝y_i(i＝1,2,…,n)；

(2)S(x)在区间[x₁,x_n]内存在连续的一阶导数、二阶导数；

利用以上两个条件求出相应的参数a_i,b_i,c_i,d_i(i＝1,2,…,n-1)，进而确定拟合的样条曲线；

第二次的直线与直线连接处的转角平滑算法为：平滑处理时，输入平滑距离，由系统自动计算出与两侧连接点的交点和圆心，为使曲线平滑过度，增加这一小段圆弧需要与两条直线相切，两个切点分别作为圆弧的起点和终点。

本发明还可以是：

根据本发明的另一个实施方案，对于连续的三点P_i-1,P_i,P_i+1连成的两段直线，在拐点处进行圆弧平滑处理：假定三点的坐标分别为：

P_i-1(x_i-1,y_i-1),P_i(x_i,y_i),P_i+1(x_i+1,y_i+1)，平滑距离为s；

(1)由P_i-1,P_i,P_i+1三个点确定的夹角P_i-1P_iP_i+1的夹角值为α，则过渡圆弧的圆心位于角P_i-1P_iP_i+1的角平分线上；

(2)过度圆弧的起点D坐标为

x_D＝x_i-s(x_i-x_i-1)/dist(P_i-1,P_i)

y_D＝y_i-s(y_i-y_i-1)/dist(P_i-1,P_i)

(3)过度圆弧的终点E坐标为

x_E＝x_i+s(x_i+1-x_i)/dist(P_i-1,P_i)

y_E＝y_i+s(y_i+1-y_i)/dist(P_i-1,P_i)

(4)平滑半径为r＝s/cos(α/2)

故线段P_i-1P_i、P_iP_i+1可用线段P_i-1D、起点为D半径为r终点为E的圆弧和线段EP_i+1代替。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的一种并联型钻床的示教再现系统，具有：1)解决了同批工件上不同位置、姿态孔的快速重复钻孔问题；2)能够取代钻孔工人的大量重复劳动，大大提高了工效；3)以运动控制卡为控制系统核心，运动精度高从而保证了钻孔加工精度；4)基于示教/再现控制摇杆的示教和再现，操作简单、维护方便；5)示教/再现软件人机界面友好，功能完备，信息显示详细。

附图说明

为了更清楚的说明本申请文件实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术的描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是对本申请文件中一些实施例的参考，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的情况下，还可以根据这些附图得到其它的附图。

图1为根据本发明一个实施例的并联型钻床的示教再现系统示意图。

图2为根据本发明一个实施例的并联型钻床的结构示意图。

图3为根据本发明一个实施例的示教/再现控制摇杆的机构原理示意图。

图4为根据本发明一个实施例的并联钻孔运动平台机构简图及坐标示意图。

图5为根据本发明一个实施例的转角平滑示意图。

图6为根据本发明一个实施例的半球形零件的结构示意图。

图7为根据本发明一个实施例的1#电动缸拟合后的控制量轨迹曲线示意图。

图8为根据本发明一个实施例的2#电动缸拟合后的控制量轨迹曲线示意图。

图9为根据本发明一个实施例的3#电动缸拟合后的控制量轨迹曲线示意图。

图10为根据本发明一个实施例的XY工作台X方向拟合后的控制量轨迹曲线示意图。

图11为根据本发明一个实施例的XY工作台Y方向拟合后的控制量轨迹曲线示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1和图2所示，图1为根据本发明一个实施例的并联型钻床的示教再现系统示意图，图2为根据本发明一个实施例的并联型钻床的结构示意图，一种并联型钻床的示教再现系统，包括工业控制计算机、运动控制卡、示教/再现控制摇杆和并联型钻床，所述工业控制计算机内设置示教/再现操控系统，所述示教/再现控制摇杆通过接口与所述工业控制计算机连接，所述示教/再现操控系统的控制指令通过所述运动控制卡控制所述并联型钻床上的各驱动器使其产生相应动作；所述示教/再现操控系统包括并联机构姿态控制模块、XY工作台平动控制模块、示教点存储模块、动作再现模块、示教点插入模块和示教点删除模块；所述并联型钻床包括并联机构1、钻头进给机构2、XY工作台3和龙门框架4，所述并联机构1与所述龙门框架4上部连接，所述钻头进给机构2与所述并联机构1连接，所述XY工作台3位于所述钻头进给机构2下方；所述示教/再现控制摇杆通过所述并联机构姿态控制模块控制所述并联机构1的姿态；所述示教/再现控制摇杆通过所述XY工作台平动控制模块控制所述XY工作台3的平动；所述示教点存储模块用于记录当前示教点对应的并联机构1的电动缸的长度以及XY工作台沿X轴和Y轴方向的位移量；所述示教点插入模块用于插入示教点；所述示教点删除模块用于删除示教点；所述动作再现模块用于自动拟合所有示教点，并通过对所述并联机构1和XY工作台3的联动控制，形成连续的钻孔加工的运动轨迹，从而达到对工件上不同位置、姿态孔实现连续钻孔加工的目的。

如图2所示，并联机构1为1PT+3TPS型并联结构，其包括固定平台5、中间从动腿6、驱动腿7和刀具平台8，所述固定平台5设置于所述龙门框架4上部，所述驱动腿7为3条并位于所述中间从动腿6周围，所述中间从动腿6和所述驱动腿7上端与所述固定平台5连接，所述中间从动腿6和所述驱动腿7下端与所述刀具平台8连接，所述中间从动腿6和所述驱动腿7均为能够沿轴向伸长或缩短的伸缩杆结构，所述驱动腿7由电动缸驱动。

中间从动腿6外筒与所述固定平台5刚性固接且保持铅垂方向，所述中间从动腿6的内杆通过万向铰与所述刀具平台8中心连接。

驱动腿7上方通过万向铰与固定平台5连接，3条所述驱动腿7的连接点呈120度分布在固定平台5上一个半径为R的圆周上，3条所述驱动腿7下方的伸长杆通过复合球铰连接到下方的刀具平台8上，复合球铰为3个转动副，3条所述驱动腿7的伸长杆的连接点也是呈120度分布在刀具平台8上一个半径为r的圆周上。周围三条驱动腿伸缩到不同的长度时，刀具平台8即可处于不同的姿态。在刀具平台8上的钻头进给机构2在钻孔作业时，并联机构1上各条驱动腿7中电动缸的长度锁定，使刀具平台8固定在某一姿态，钻头进给机构2做单自由度的进给运动，钻孔作业时可以保证钻头轴线始终沿着钻孔点所在曲面的法线方向。

并联钻孔机床三条驱动腿所采用的型号可为DDG10-R-1.7KN-300MM-500MM/S的电动缸，其配备的交流伺服驱动器可以配合运动控制卡实现指定长度的伸缩功能。

上述的并联机构1整体可吊装在一个龙门框架4上，并联机构1的固定平台5与龙门框架4的顶面通过螺栓、螺母的配合联接在一起，龙门框架4下方固定水平布局的XY工作台3。在钻孔作业时，工件固定在XY工作台3之上可随着XY工作台3在X轴方向和Y轴方向做水平平动，通过与其上方的并联钻孔机构的配合可以实现以不同姿态角度对工件的表面进行钻孔作业，XY工作台3沿X轴方向和Y轴方向的平动可由示教/再现控制摇杆上的按钮进行控制。

再如图1所示，运动控制卡通过驱动器直接控制的对象为并联机构中三条电动缸中的三台交流伺服电机以及XY工作台中的两台交流伺服电机，示教/再现控制摇杆的采用的是USB接口，可直接插入到工控机的USB接口中。并联钻孔机床配备的运动控制卡是研华科技的PCI-1245/126系列的基于DSP的SoftMotion PCI控制卡，该运动控制卡配有高性能DSP，内嵌有SoftMotion算法，能够实现运动轨迹和时间控制，可满足精确运动中的同步应用需求。

如图3所示，图3为根据本发明一个实施例的示教/再现控制摇杆的机构组成示意图，示教/再现控制摇杆由轴线正交的两个转动副、一个移动副和若干控制按钮构成，转动副上安装有角度传感器，当操纵该示教/再现控制摇杆时，角度传感器用于实时检测出两个转动副的转角α₀,β₀，据此控制并联型钻床的钻头在两个方向的摆动，从而调节刀具平台8的姿态；当拨动移动副时可实时检测出移动副的位移量，据此可控制刀具平台8的高度移动量。

如图4所示，图4为根据本发明一个实施例的并联钻孔运动平台机构简图及坐标示意图，所述示教/再现控制摇杆与所述并联型钻床各运动部件运动参数的映射方式为：

在固定平台5平面A₁A₂A₃的中心处建立固定坐标系O-XYZ，刀具平台平面B₁B₂B₃的中心处建立动坐标系O'-X'Y'Z'；示教开始时动坐标系相对于固定坐标系的位移向量为P＝[0,0,H₀]^T，H₀为三条电动缸收缩到最短长度时，中间腿的长度；

固定平台铰链点在固定坐标系中的坐标为：A_i＝[a_ix,a_iy,0]^T(i＝1,2,3)；

动平台铰链点在动坐标系中的坐标为：B_i＝[b_ix,b_iy,0]^T(i＝1,2,3)；

动平台铰链点在固定坐标系中的坐标C_i＝[C_ix,C_iy,C_iz]^T为：

$\begin{array}{c}{C}_i=\left[\begin{array}{c}{C}_{ix}\\ C_{iy}\\ C_{iz}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ H_0+h_0\end{array}\right]+Rot(Y,{\mathrm{\μ\β}}_0)Rot(X,{\mathrm{\μ\α}}_0)\left[\begin{array}{c}{b}_{ix}\\ b_{iy}\\ 0\end{array}\right]\\ =\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ H_0+h_0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{cos\μ\β}}_0& {\mathrm{sin\μ\α}}_0{\mathrm{sin\μ\β}}_0& {\mathrm{cos\μ\α}}_0{\mathrm{sin\μ\β}}_0\\ 0& {\mathrm{cos\μ\α}}_0& -{\mathrm{sin\μ\α}}_0\\ -{\mathrm{sin\μ\β}}_0& {\mathrm{sin\μ\α}}_0{\mathrm{cos\μ\β}}_0& {\mathrm{cos\μ\α}}_0{\mathrm{cos\μ\β}}_0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{b}_{ix}\\ b_{iy}\\ 0\end{array}\right]\\ \begin{array}{cc}=\left[\begin{array}{c}{b}_{ix}{\mathrm{cos\μ\β}}_0+b_{iy}{\mathrm{sin\μ\α}}_0{\mathrm{sin\μ\β}}_0\\ b_{iy}{\mathrm{cos\μ\α}}_0\\ H_0+h_0-b_{ix}{\mathrm{sin\μ\β}}_0+b_{iy}{\mathrm{sin\μ\α}}_0{\mathrm{cos\μ\β}}_0\end{array}\right]& i=(1,2,3)\end{array}\end{array}---\left(1\right)$

式(1)中的μ为旋转映射比例系数，h₀为中间从动腿在姿态调节时的伸长量。

于是，周边三条驱动腿7的长度由下式求出

l_i ²＝|C_i-A_i|² i＝(1,2,3) (2)

由(1)(2)两式得到机构的位置反解方程：

$\begin{array}{c}{l}_i^2={(b_{ix}{\mathrm{cos\μ\β}}_0+b_{iy}{\mathrm{sin\μ\α}}_0{\mathrm{sin\μ\β}}_0-a_{ix})}^2+{(b_{iy}{\mathrm{cos\μ\α}}_0-a_{iy})}^2+\\ \begin{array}{cc}{(H_0+h_0-b_{ix}{\mathrm{sin\μ\β}}_0+b_{iy}{\mathrm{sin\μ\α}}_0{\mathrm{cos\μ\β}}_0)}^2& i=(1,2,3)\end{array}\end{array}---\left(3\right)$

把a_3x＝0，a_3y＝R， b_3x＝0，b_3y＝r代入(3)式得到各条驱动腿的长度；

$\begin{array}{c}{l}_1^2={(\frac{\sqrt{3}}{2}{\mathrm{rcos\μ\β}}_0-\frac{1}{2}{\mathrm{rsin\μ\α}}_0{\mathrm{sin\μ\β}}_0-\frac{\sqrt{3}}{2}R)}^2+{(\frac{1}{2}R-\frac{1}{2}{\mathrm{rcos\μ\α}}_0)}^2+\\ {(H_0+h_0-\frac{\sqrt{3}}{2}r\sin \mathrm{\μ}\mathrm{\β}-\frac{1}{2}{\mathrm{rsin\μ\α}}_0{\mathrm{cos\μ\β}}_0)}^2\end{array}---\left(4\right)$

$\begin{array}{c}{l}_2^2={(\frac{\sqrt{3}}{2}r{\mathrm{cos\μ\β}}_0+\frac{1}{2}r{\mathrm{sin\μ\α}}_0{\mathrm{sin\μ\β}}_0-\frac{\sqrt{3}}{2}R)}^2+{(\frac{1}{2}R-\frac{1}{2}r{\mathrm{cos\μ\α}}_0)}^2+\\ {(H_0+h_0+\frac{\sqrt{3}}{2}r{\mathrm{sin\μ\β}}_0-\frac{1}{2}r{\mathrm{sin\μ\α}}_0{\mathrm{cos\μ\β}}_0)}^2\end{array}---\left(5\right)$

$l_3^2={\left(r{\mathrm{sin\μ\α}}_0{\mathrm{sin\μ\β}}_0\right)}^2+{(R-r{\mathrm{cos\μ\α}}_0)}^2+{(H_0+h_0+r{\mathrm{sin\μ\α}}_0{\mathrm{cos\μ\β}}_0)}^2---\left(6\right)$

根据以上对并联机构位置反解，即可推导出由示教/再现控制摇杆的摇杆倾角α₀,β₀计算出三根电动缸各个长度l₁,l₂,l₃的公式。

示教/再现控制系统的显示界面中可显示示教/再现控制摇杆操控的状态信息和实际并联钻孔机床的XY工作台沿X轴和沿Y轴方向的位移信息以及电动缸的长度信息。

在示教过程中，首先在程序主界面点击“开始示教”按钮，此时并联钻孔机床受示教/再现控制摇杆控制，操作人员用示教/再现控制摇杆控制并联机构姿态，用控制摇杆上的按钮控制XY工作台沿X轴和沿Y轴方向的位移，使得钻头对准要钻孔的法线方向，然后锁定各个电动缸以及XY工作台各驱动电机，以保持钻头相对于工件的姿态不变，之后刀具平台上的钻头进给机构做单自由度的钻孔进给运动，实现对工件的钻孔加工。与此同时，示教/再现程序会新建一个数据库，并以一定的采样频率记录XY运动平台的位置和三根电动缸的长度，将XY工作台的两轴数据和电动缸长度数据存入到数据库中。此外，在示教的过程中，如果有需要关键记录的位置，操作人员还可以通过手柄上的按键选择手动插入关键记录点，比如在对齐钻孔方向开始打孔前钻头的位置。在示教动作完成后，点击“停止示教”按钮，系统就会弹出对话框选择存储数据库文件，示教/再现软件会将所有示教点对应的各个驱动自由度的位置等信息保存在数据库文件之中。

在完成了工件的示教动作后，对数据库中存储的一系列XY平台位置和电动缸长度的信息文件进行拟合计算便可得到相应的钻头运动的轨迹。在实际操作过程中点击“动作再现”按钮，在下拉列表中选择相应的数据库文件，就可以直接读取XY平台数据和三支电动缸的长度，控制XY平台运动到指定位置，电动缸运动到指定长度即可对相应的工件加工动作再现，这样就可以完成示教过程中的钻孔流程，省去了需要手动重复控制钻孔的工作。

示教再现控制系统能够根据所有示教点的位置信息自动拟合运动轨迹，通过对并联机构和XY工作台的联动控制，形成连续的钻孔加工的运动轨迹，从而达到对工件上不同位置、姿态孔实现连续钻孔加工的目的。

示教过程中各个关节的运动随时间的变化可使用自由曲线来描述，为满足高精度的加工要求，采用二次平滑技术拟合自由曲线。二次平滑技术分两次对自由曲线进行平滑处理：第一次用样条拟合空间曲线，增加曲线的光顺性，此过程称为拟合平滑；第二次对用样条拟合后的曲线存在的直线与直线连接的转角进行平滑，进一步增加曲线的光顺性和拟合精度，称为转角平滑。其第一次平滑处理为：

设有n个示教点P₁(x₁,y₁),P₂(x₂,y₂),…,P_n(x_n,y_n),且x₁＜x₂＜…＜x_n.定义：

S_i(x)＝a_i+b_i(x-x_i)+c_i(x-x_i)²+d_i(x-x_i)³

(i＝1,2,3,..n-1)

S(x)满足：

(1)S(x)通过所有的示教点。且S(x_i)＝y_i(i＝1,2,…,n)；

(2)S(x)在区间[x₁,x_n]内存在连续的一阶导数、二阶导数；

利用以上两个条件求出相应的参数a_i,b_i,c_i,d_i(i＝1,2,…,n-1)，进而确定拟合的样条曲线；

第二次的直线与直线连接处的转角平滑算法为：平滑处理时，输入平滑距离，由系统自动计算出与两侧连接点的交点和圆心，为使曲线平滑过度，增加这一小段圆弧需要与两条直线相切，两个切点分别作为圆弧的起点和终点。

如图5所示，对于连续的三点P_i-1,P_i,P_i+1连成的两段直线，在拐点处进行圆弧平滑处理：假定三点的坐标分别为：P_i-1(x_i-1,y_i-1),P_i(x_i,y_i),P_i+1(x_i+1,y_i+1)，平滑距离为s；

(1)由P_i-1,P_i,P_i+1三个点确定的夹角P_i-1P_iP_i+1的夹角值为α，则过渡圆弧的圆心位于角P_i-1P_iP_i+1的角平分线上；

(2)过度圆弧的起点D坐标为

x_D＝x_i-s(x_i-x_i-1)/dist(P_i-1,P_i)

y_D＝y_i-s(y_i-y_i-1)/dist(P_i-1,P_i)

(3)过度圆弧的终点E坐标为

x_E＝x_i+s(x_i+1-x_i)/dist(P_i-1,P_i)

y_E＝y_i+s(y_i+1-y_i)/dist(P_i-1,P_i)

(4)平滑半径为r＝s/cos(α/2)

故线段P_i-1P_i、P_iP_i+1可用线段P_i-1D、起点为D半径为r终点为E的圆弧和线段EP_i+1代替。

以下为并联型钻床示教/再现控制的一个实施例。需要加工的半球形零件如图6所示，需要在半球形零件表面钻四个均匀分布的孔，四个孔的位置、姿态，其中主视图中绕X轴的偏转角为60度。

在进行钻孔加工时，并联型钻床的初始位置为XY工作台处于中间位置，即XY工作台的中心位于并联机构的正下方，且XY运动平台两个方向均处于丝杠的中间位置，XY平台可以在两个坐标轴的正负方向均运动半个行程范围。以此建立工件坐标系，定义XY工作台的中心为原点，以XY轴运动方向为X轴和Y轴，Z轴竖直向上。设并联机构中固定平台中的万向铰分布圆的半径R＝382mm，刀具平台/动平台复合球铰分布圆的半径r＝155mm，龙门框架顶部的下平面到XY工作台的上平面的铅垂距离H＝1290mm，刀具平台上方的万向铰中心到钻头刀尖点的距离L＝440mm，半球形零件的半径R_c＝60mm，四个孔的入钻点在工件坐标系下的坐标分别为：

$Z_1(30,0,30\sqrt{3}),Z_2(-30,0,30\sqrt{3}),Z_3(0,30,30\sqrt{3}),Z_4(0,-30,30\sqrt{3})$

钻孔时始终保持钻头轴线沿钻孔点曲面的法线方向，以此可得，并联型钻床五个控制参量(三条电动缸的长度以及XY工作台沿X轴和Y轴方向的位移量)的数据如下表所示：

钻孔点	Z1	Z2	Z3	Z4
					XY工作台X轴位移量mm	-250.0	250.0	0.0	0.0
XY工作台Y轴位移量mm	0.0	0.0	-250.0	250.0
					1#电动缸长度mm	802.0061	777.9911	876.7289	906.9390
2#电动缸长度mm	802.0061	906.9390	876.7289	777.9911
					3#电动缸长度mm	918.3297	837.8235	769.7076	837.8235

经过轨迹拟合后的并联型钻床五个控制参量的随时间变化曲线如图7～图11所示。当并联型钻床运动到每一钻孔点时，并联机构的运动有一个暂停锁定动作，随后钻头进给机构进行单自由度的钻孔切削加工作业，重复上述过程四次，即可形成连续的钻孔加工的运动轨迹，从而达到对工件上四个不同位置、姿态孔实现连续钻孔加工的目的。

综上所述，本发明利用连续关键点示教和轨迹曲线拟合，重复再现相同工件下并联钻孔机床的钻孔过程，使得并联钻孔机床可以重复完成相同工件上一系列不同姿态孔的钻孔作业，大大提高钻孔加工的工作效率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分相互参见即可。

在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”、等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (9)

1.一种并联型钻床的示教再现系统，其特征在于包括工业控制计算机、运动控制卡、示教/再现控制摇杆和并联型钻床，所述工业控制计算机内设置示教/再现操控系统，所述示教/再现控制摇杆通过接口与所述工业控制计算机连接，所述示教/再现操控系统的控制指令通过所述运动控制卡控制所述并联型钻床上的各驱动器使其产生相应动作；所述示教/再现操控系统包括并联机构姿态控制模块、XY工作台平动控制模块、示教点存储模块、动作再现模块、示教点插入模块和示教点删除模块；所述并联型钻床包括并联机构(1)、钻头进给机构(2)、XY工作台(3)和龙门框架(4)，所述并联机构(1)与所述龙门框架(4)上部连接，所述钻头进给机构(2)与所述并联机构(1)连接，所述XY工作台(3)位于所述钻头进给机构(2)下方；所述示教/再现控制摇杆通过所述并联机构姿态控制模块控制所述并联机构(1)的姿态；所述示教/再现控制摇杆通过所述XY工作台平动控制模块控制所述XY工作台(3)的平动；所述示教点存储模块用于记录与当前示教点对应的并联机构(1)的电动缸的长度以及XY工作台沿X轴和Y轴方向的位移量；所述示教点插入模块用于插入示教点；所述示教点删除模块用于删除示教点；所述动作再现模块用于自动拟合所有示教点，并通过对所述并联机构(1)和XY工作台(3)的联动控制，形成连续的钻孔加工的运动轨迹，从而达到对工件上不同位置、姿态孔实现连续钻孔加工的目的。

2.根据权利要求1所述的并联型钻床的示教再现控制系统，其特征在于所述并联机构(1)为1PT+3TPS型并联结构。

3.根据权利要求2所述的并联型钻床的示教再现控制系统，其特征在于所述并联机构(1)包括固定平台(5)、中间从动腿(6)、驱动腿(7)和刀具平台(8)，所述固定平台(5)设置于所述龙门框架(4)上部，所述驱动腿(7)为3条并位于所述中间从动腿(6)周围，所述中间从动腿(6)和所述驱动腿(7)上端与所述固定平台(5)连接，所述中间从动腿(6)和所述驱动腿(7)下端与所述刀具平台(8)连接，所述中间从动腿(6)和所述驱动腿(7)均为能够沿轴向伸长或缩短的伸缩杆结构，所述驱动腿(7)由电动缸驱动。

4.根据权利要求3所述的并联型钻床的示教再现控制系统，其特征在于所述中间从动腿(6)外筒与所述固定平台(5)刚性固接且保持铅垂方向，所述中间从动腿(6)的内杆通过万向铰与所述刀具平台(8)中心连接。

5.根据权利要求3或4所述的并联型钻床的示教再现控制系统，其特征在于所述驱动腿(7)上方通过万向铰与固定平台(5)连接，3条所述驱动腿(7)的连接点呈120度分布在固定平台(5)上一个半径为R的圆周上，3条所述驱动腿(7)下方的伸长杆通过复合球铰连接到下方的刀具平台(8)上，3条所述驱动腿(7)的伸长杆的连接点也是呈120度分布在刀具平台(8)上一个半径为r的圆周上。

6.根据权利要求5所述的并联型钻床的示教再现控制系统，其特征在于所述复合球铰的转动副为3个。

7.根据权利要求5所述的并联型钻床的示教再现控制系统，其特征在于所述示教/再现控制摇杆由轴线正交的两个转动副、一个移动副和若干控制按钮构成，转动副上安装有角度传感器，移动副上安装有位移传感器，当操纵该示教/再现控制摇杆时，角度传感器可实时检测出两个转动副的转角α₀,β₀，据此可控制并联型钻床的钻头在两个方向的摆动，从而调节刀具平台(8)的姿态；当拨动移动副时可实时检测出移动副/滑块的位移量，据此可控制刀具平台(8)的高度移动量。

8.根据权利要求7所述的并联型钻床的示教再现控制系统，其特征在于对所述连续的钻孔加工的运动轨迹采用二次平滑技术拟合自由曲线，第一次用样条拟合空间曲线，增加曲线的光顺性；第二次对用样条拟合后的曲线存在的直线与直线连接的转角进行平滑，进一步增加曲线的光顺性和拟合精度；其第一次平滑处理为：

设有n个示教点P₁(x₁,y₁),P₂(x₂,y₂),…,P_n(x_n,y_n),且x₁＜x₂＜…＜x_n.定义：

S_i(x)＝a_i+b_i(x-x_i)+c_i(x-x_i)²+d_i(x-x_i)³

(i＝1,2,3,..n-1)

S(x)满足：

(1)S(x)通过所有的示教点，且S(x_i)＝y_i(i＝1,2,…,n)；

(2)S(x)在区间[x₁,x_n]内存在连续的一阶导数、二阶导数；

利用以上两个条件求出相应的参数a_i,b_i,c_i,d_i(i＝1,2,…,n-1)，进而确定拟合的样条曲线；

第二次的直线与直线连接处的转角平滑算法为：平滑处理时，输入平滑距离，由系统自动计算出与两侧连接点的交点和圆心，为使曲线平滑过度，增加这一小段圆弧需要与两条直线相切，两个切点分别作为圆弧的起点和终点。

9.根据权利要求9所述的并联型钻床的示教再现控制系统，其特征在于对于连续的三点P_i-1,P_i,P_i+1连成的两段直线，在拐点处进行圆弧平滑处理：假定三点的坐标分别为：P_i-1(x_i-1,y_i-1),P_i(x_i,y_i),P_i+1(x_i+1,y_i+1)，平滑距离为s；

(1)由P_i-1,P_i,P_i+1三个点确定的夹角P_i-1P_iP_i+1的夹角值为α，则过渡圆弧的圆心位于角P_i-1P_iP_i+1的角平分线上；

(2)过度圆弧的起点D坐标为

x_D＝x_i-s(x_i-x_i-1)/dist(P_i-1,P_i)

y_D＝y_i-s(y_i-y_i-1)/dist(P_i-1,P_i)

(3)过度圆弧的终点E坐标为

x_E＝x_i+s(x_i+1-x_i)/dist(P_i-1,P_i)

y_E＝y_i+s(y_i+1-y_i)/dist(P_i-1,P_i)

(4)平滑半径为r＝s/cos(α/2)

故线段P_i-1P_i、P_iP_i+1可用线段P_i-1D、起点为D半径为r终点为E的圆弧和线段EP_i+1代替。