CN106425682A - 一种并联钻孔装置钻头姿态的控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并联钻孔装置钻头姿态的控制系统及其控制方法，包括控制手柄、液晶显示装置、计算控制装置和并联钻孔平台，所述控制手柄与计算控制装置连接，所述计算控制装置分别与液晶显示装置和并联钻孔平台连接；所述计算控制装置由依次连接的A/D转换模块、映射单元、中心控制单元、运动学反解单元和PID控制单元构成且所述A/D转换模块与控制手柄连接；所述并联钻孔平台与所述PID控制单元电连接。本发明通过操作控制手柄实现对并联钻孔平台进行精确控制，提高了智能化程度，且又不局限于固定的程序进行固定操作，同时兼顾了传统手工定位钻孔的灵活性和数控化机床钻孔的智能性。

Description

一种并联钻孔装置钻头姿态的控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及并联机床控制系统领域，尤其涉及并联机床手动控制系统及其控制方法领域，具体的说，是一种并联钻孔装置钻头姿态的控制系统及其控制方法。

背景技术

传统的钻孔机床在钻孔之前对刀时，由于只能分别控制两个方向的自由度的运动，分别在两个方向上对齐，不能一次性快速完成对刀工作，通过这种方式控制寻找曲面上某点法线方向并让钻头与之对齐的速度很慢、效率很低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种并联钻孔装置钻头姿态的控制系统，用于解决现有的机床钻孔主要通过人工在两个方向自由度进行机械对齐钻孔需要依赖于操作人员的经验进行判断具有不可控性，影响钻孔精度的问题；同时本发明还提供所述控制系统的控制方法，以便更好的实现本发明。

本发明通过下述技术方案实现：

一种并联钻孔装置钻头姿态的控制系统，包括控制手柄、液晶显示装置、计算控制装置和并联钻孔平台，所述控制手柄与计算控制装置连接，所述计算控制装置分别与液晶显示装置和并联钻孔平台连接；所述计算控制装置由依次连接的A/D转换模块、映射单元、中心控制单元、运动学反解单元和PID控制单元构成且所述A/D转换模块与控制手柄连接；所述并联钻孔平台与所述PID控制单元电连接。

优选地，所述并联钻孔平台为1PT+3TPS型并联机构，由固定平台、动平台、从动腿和驱动机构组成，所述从动腿一端与固定平台连接，另一端与动平台万向铰接，所述驱动机构两端分别与所述固定平台和动平台万向铰接。

优选地，所述从动腿与固定平台1连接处设置了增强法兰。

优选地，所述驱动机构包括结构相同的第一驱动腿、第二驱动腿和第三驱动腿，所述第一驱动腿、第二驱动腿和第三驱动腿的两端均分别万向铰接在固定平台和动平台上且两端的三个铰接点分别位于同一圆周上并且同一端的三个铰接点之间的平面夹角均为120°。

优选地，所述第一驱动腿、第二驱动腿和第三驱动腿分别通过一号电动缸、二号电动缸和三号电动缸驱动。

一种并联钻孔装置钻头姿态的控制系统的控制方法，具体如下：

操作控制手柄并通过设置在控制手柄内的传感器获得控制手柄绕X轴转角α₁和绕Y轴转角β₁，并通过映射单元对α₁和β₁进行处理得到并联钻孔平台对应的理论滚转角度α₂、俯仰角度β₂；通过运动学反解单元得到所述第一驱动腿、第二驱动腿和第三驱动腿的对应长度l₁、l₂、l₃；运动学反解单元将l₁、l₂、l₃的数值信号发送至PID控制单元，并通过PID控制单元将根据l₁、l₂、l₃的数值信号发送对应的驱动信号至并联钻孔平台执行并钻孔。

优选地，所述α₁和β₁是通过一个可变映射系数μ映射到并联钻孔装置的滚转角度α₂、俯仰角度β₂，定义映射转换的比例系数为μ₁＝Φ_p/Φ_s，Φ_p为并联钻孔装置在X和Y轴上旋转的行程范围，Φ_s为控制手柄在X和Y轴上旋转的行程范围，并设μ₂＝0.5μ₁,μ₃＝0.1μ₁，则通过调节控制手柄上的映射倍率旋钮可以从μ₁,μ₂，μ₃中选定一个合适的旋转映射系数μ；从动腿最短长度为h₁，最大长度为h₂，所述从动腿在姿态调节长度为H且H＝(h₁+h₂)/2，所述固定平台的半径R＝400mm，动平台的半径r＝150mm，H＝680mm，采样周期T＝10ms；

位置反解具体如下：

设固定平台A₁A₂A₃的中心处建立固定坐标系O₀-X₀Y₀Z₀，动平台平面C₁C₂C₃的中心处建立动坐标系O₁-X₁Y₁Z₁；

动坐标系相对于固定坐标系的位移向量为P＝[0,0,H]^T，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为：

式(A)中的μ为映射比例系数，H为中间从动腿在姿态调节时的长度。

于是，周边三条驱动腿的长度可由下式求出

l_i ²＝|C_i-A_i|² i＝(1,2,3) (B)

由(A)(B)两式得到机构的位置反解方程

将 b_3x＝0，b_3y＝r代入(C)式得到各条驱动腿的长度

在每个采样周期内，将控制手柄的三个模拟输入量α₀、β₀和h₀代入(D)、(E)、(F)中，得到第一驱动腿、第二驱动腿和第三驱动腿的对应长度l₁、l₂、l₃，再将上述三条驱动腿的长度l₁、l₂、l₃信号送入PID控制单元，并通过PID控制单元将根据l₁、l₂、l₃的数值信号发送对应的驱动信号至并联钻孔平台执行并钻孔。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明通过操作控制手柄实现对并联钻孔平台进行精确控制，提高了智能化程度，且又不局限于固定的程序进行固定操作，同时兼顾了传统手工定位钻孔的灵活性和数控化机床钻孔的智能性。

(2)本发明的映射单元能够实现映射倍率的调节，以便适应在对不同尺寸零件进行钻孔时均能实现快速定位，解决了大尺寸零件钻孔行程长，降低钻孔效率的问题。

附图说明

图1为本发明并联钻孔平台结构示意图；

图2为本发明并联钻孔平台结构坐标示意图；

图3为本发明控制原理框图；

其中1-固定平台；2-第一驱动腿；3-第二驱动腿；4-第三驱动腿；5-从动腿；6-从动平台；51-增强法兰。

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。

实施例：

结合附图1-3所示，一种并联钻孔装置钻头姿态的控制系统，包括控制手柄、液晶显示装置、计算控制装置和并联钻孔平台，所述控制手柄与计算控制装置连接，所述计算控制装置分别与液晶显示装置和并联钻孔平台连接；所述计算控制装置由依次连接的A/D转换模块、映射单元、中心控制单元、运动学反解单元和PID控制单元构成且所述A/D转换模块与控制手柄连接；所述并联钻孔平台与所述PID控制单元电连接。

优选地，所述并联钻孔平台为1PT+3TPS型并联机构，由固定平台1、动平台6、从动腿5和驱动机构组成，所述从动腿5一端与固定平台1连接，另一端与动平台6万向铰接，所述驱动机构两端分别与所述固定平台1和动平台6万向铰接。

优选地，所述从动腿5与固定平台1连接处设置了增强法兰51。

优选地，所述驱动机构包括结构相同的第一驱动腿2、第二驱动腿3和第三驱动腿4，所述第一驱动腿2、第二驱动腿3和第三驱动腿4的两端均分别万向铰接在固定平台1和动平台6上且两端的三个铰接点分别位于同一圆周上并且同一端的三个铰接点之间的平面夹角均为120°。

优选地，所述第一驱动腿2、第二驱动腿3和第三驱动腿4分别通过一号电动缸、二号电动缸和三号电动缸驱动。

一种并联钻孔装置钻头姿态的控制系统的控制方法，具体如下：

操作控制手柄并通过设置在控制手柄内的传感器获得控制手柄绕X轴转角α₁和绕Y轴转角β₁，并通过映射单元对α₁和β₁进行处理得到并联钻孔平台对应的理论滚转角度α₂、俯仰角度β₂；通过运动学反解单元得到所述第一驱动腿2、第二驱动腿3和第三驱动腿4的对应长度l₁、l₂、l₃；运动学反解单元将l₁、l₂、l₃的数值信号发送至PID控制单元，并通过PID控制单元将根据l₁、l₂、l₃的数值信号发送对应的驱动信号至并联钻孔平台执行并钻孔。

优选地，所述α₁和β₁是通过一个可变映射系数μ映射到并联钻孔装置的滚转角度α₂、俯仰角度β₂，定义映射转换的比例系数为μ₁＝Φ_p/Φ_s，Φ_p为并联钻孔装置在X和Y轴上旋转的行程范围，Φ_s为控制手柄在X和Y轴上旋转的行程范围，并设μ₂＝0.5μ₁,μ₃＝0.1μ₁，则通过调节控制手柄上的映射倍率旋钮可以从μ₁,μ₂,μ₃中选定一个合适的旋转映射系数μ；从动腿5最短长度为h₁，最大长度为h₂，所述从动腿5在姿态调节长度为H且H＝(h₁+h₂)/2，所述固定平台1的半径R＝400mm，动平台6的半径r＝150mm，H＝680mm，采样周期T＝10ms；

位置反解具体如下：

设固定平台(1)A₁A₂A₃的中心处建立固定坐标系O₀-X₀Y₀Z₀，动平台6平面C₁C₂C₃的中心处建立动坐标系O₁-X₁Y₁Z₁；

动坐标系相对于固定坐标系的位移向量为P＝[0,0,H]^T，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为：

式(A)中的μ为映射比例系数，H为中间从动腿在姿态调节时的长度。

于是，周边三条驱动腿的长度可由下式求出

l_i ²＝|C_i-A_i|² i＝(1,2,3) (B)

由(A)(B)两式得到机构的位置反解方程

将 b_3x＝0，b_3y＝r代入(C)式得到各条驱动腿的长度

在每个采样周期内，将控制手柄的三个模拟输入量α₀、β₀和h₀代入(D)、(E)、(F)中，得到第一驱动腿2、第二驱动腿3和第三驱动腿4的对应长度l₁、l₂、l₃，再将上述三条驱动腿的长度l₁、l₂、l₃信号送入PID控制单元，并通过PID控制单元将根据l₁、l₂、l₃的数值信号发送对应的驱动信号至并联钻孔平台执行并钻孔。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种并联钻孔装置钻头姿态的控制系统，其特征在于，包括控制手柄、液晶显示装置、计算控制装置和并联钻孔平台，所述控制手柄与计算控制装置连接，所述计算控制装置分别与液晶显示装置和并联钻孔平台连接；所述计算控制装置由依次连接的A/D转换模块、映射单元、中心控制单元、运动学反解单元和PID控制单元构成且所述A/D转换模块与控制手柄连接；所述并联钻孔平台与所述PID控制单元电连接。

2.根据权利要求1所述的一种并联钻孔装置钻头姿态的控制系统，其特征在于，所述并联钻孔平台为1PT+3TPS型并联机构，由固定平台(1)、动平台(6)、从动腿(5)和驱动机构组成，所述从动腿(5)一端与固定平台(1)连接，另一端与动平台(6)万向铰接，所述驱动机构两端分别与所述固定平台(1)和动平台(6)万向铰接。

3.根据权利要求2所述的一种并联钻孔装置钻头姿态的控制系统，其特征在于，所述从动腿(5)与固定平台(1)连接处设置了增强法兰(51)。

4.根据权利要求2所述的一种并联钻孔装置钻头姿态的控制系统，其特征在于，所述驱动机构包括结构相同的第一驱动腿(2)、第二驱动腿(3)和第三驱动腿(4)，所述第一驱动腿(2)、第二驱动腿(3)和第三驱动腿(4)的两端均分别万向铰接在固定平台(1)和动平台(6)上且两端的三个铰接点分别位于同一圆周上并且同一端的三个铰接点之间的平面夹角均为120°。

5.根据权利要求4所述的一种并联钻孔装置钻头姿态的控制系统，其特征在于，所述第一驱动腿(2)、第二驱动腿(3)和第三驱动腿(4)分别通过一号电动缸、二号电动缸和三号电动缸驱动。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种并联钻孔装置钻头姿态的控制系统的控制方法，具体如下：

操作控制手柄并通过设置在控制手柄内的传感器获得控制手柄绕X轴转角α₁和绕Y轴转角β₁，并通过映射单元对α₁和β₁进行处理得到并联钻孔平台对应的理论滚转角度α₂、俯仰角度β₂；通过运动学反解单元得到所述第一驱动腿(2)、第二驱动腿(3)和第三驱动腿(4)的对应长度l₁、l₂、l₃；运动学反解单元将l₁、l₂、l₃的数值信号发送至PID控制单元，并通过PID控制单元将根据l₁、l₂、l₃的数值信号发送对应的驱动信号至并联钻孔平台执行并钻孔。

7.根据权利要求6所述的一种并联钻孔装置钻头姿态的控制系统的控制方法，其特征在于，所述α₁和β₁是通过一个可变映射系数μ映射到并联钻孔装置的滚转角度α₂、俯仰角度β₂，定义映射转换的比例系数为μ₁＝Φ_p/Φ_s，Φ_p为并联钻孔装置在X和Y轴上旋转的行程范围，Φ_s为控制手柄在X和Y轴上旋转的行程范围，并设μ₂＝0.5μ₁,μ₃＝0.1μ₁，则通过调节映射倍率旋钮可以从μ₁,μ₂,μ₃中选定一个合适的旋转映射系数μ；从动腿(5)最短长度为h₁，最大长度为h₂，所述从动腿(5)在姿态调节长度为H且H＝(h₁+h₂)/2，所述固定平台(1)的半径R＝400mm，动平台(6)的半径r＝150mm，H＝680mm，采样周期T＝10ms；

位置反解具体如下：

设固定平台(1)A₁A₂A₃的中心处建立固定坐标系O₀-X₀Y₀Z₀，动平台(6)平面C₁C₂C₃的中心处建立动坐标系O₁-X₁Y₁Z₁；

动坐标系相对于固定坐标系的位移向量为P＝[0,0,H]^T，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：

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

式(A)中的μ为映射比例系数，H为中间从动腿在姿态调节时的长度。

于是，周边三条驱动腿的长度可由下式求出

$\begin{array}{cc}{l}_i^2=|C_i-A_i{|}^2& i=(1,2,3)\end{array}---\left(B\right)$

由(A)(B)两式得到机构的位置反解方程

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

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

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

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

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

在每个采样周期内，将控制手柄的三个模拟输入量α₀、β₀和h₀代入(D)、(E)、(F)中，得到第一驱动腿(2)、第二驱动腿(3)和第三驱动腿(4)的对应长度l₁、l₂、l₃，再将上述三条驱动腿的长度l₁、l₂、l₃信号送入PID控制单元，并通过PID控制单元将根据l₁、l₂、l₃的数值信号发送对应的驱动信号至并联钻孔平台执行并钻孔。