CN108693828B - 一种用于a3并联动力头的限位保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于A3并联动力头的限位保护方法，包括：步骤1，在每条支链的丝杠行程两端安装超限保护行程开关，行程开关信号输出端接入A3并联动力头数控系统保护电路；步骤2，实时采集A3并联动力头三条支链的长度信息；步骤3，预处理支链长度信息；步骤4，建立动平台位姿限位判据；步骤5，实时限位保护并联动力头。该方法从支链运动超程保护和数控系统限位保护两个方面实现限位保护功能，借助位姿判断简化算法，仅需机构中三条支链长度的求和、求差运算结果即可实现对任意位形下动平台是否超限进行实时判别，该方法计算量小、流程简单。通过软、硬件相结合的方式，实现A3并联动力头的限位保护，提高此类结构机床的操作安全性。

Description

一种用于A3并联动力头的限位保护方法

技术领域

本发明涉及数控机床技术领域，特别是一种用于A3并联动力头的限位保护方法。

背景技术

A3并联动力头的拓扑结构为具有一平动两转动自由度的3-RPS并联机构，由固定架、动平台以及空间轴对称均布设置在固定架与动平台之间的三条结构相同的支链构成，每一条支链由支链体组件、丝杠组件、转动副组件构成。其中支链体组件包括球铰、直线导轨、支链伺服电机等，丝杠组件包括丝杠、联轴器等，转动副组件包括转动副、导轨滑块、丝杠螺母等。

通过软限位与硬限位相结合的方式实现对机床的限位保护，是串联结构数控机床技术领域的常用方法。软限位是指在数控系统中设定参数对数控机床进给轴进行位置限制，硬限位是指利用行程开关等限定机床进给轴的极限位置。由于A3并联动力头的并联拓扑结构特点，无法通过在运动支链上安装限位开关实现对动平台姿态的硬限位保护；软限位需要通过采集支链伺服电机信号、建模计算得出A3并联动力头机构末端在操作空间中的位姿。由于机构末端在操作空间中的位姿是关节空间伺服电机动作的非线性映射，建模计算过程复杂，占用运动控制器时间长，因此目前在A3并联动力头的数控系统中，是否超限只能通过离线计算的方式判别，而无法实现在机构运行中超限的实时判断与保护操作，机床运行存在安全隐患。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种用于A3并联动力头的限位保护方法，实现A3并联动力头的实时限位保护。该方法借助一种位姿判断简化算法实现，计算量小、流程简单，对运动控制器占用时间短。通过软、硬件相结合的方式，实现A3并联动力头的限位保护，提高此类结构机床的操作安全性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种用于A3并联动力头的限位保护方法，包括以下步骤：

步骤1，在每条支链的丝杠行程两端安装超限保护行程开关，行程开关信号输出端接入 A3并联动力头数控系统保护电路，用于限制丝杠组件的极限行程；

步骤2，实时采集A3并联动力头三条支链的长度信息：实时采集支链伺服电机编码器信号，结合给定的支链滚珠丝杠参数和电机参数计算得出支链长度信息，即支链转动副几何中心到支链球铰几何中心的距离信息，信号的计算处理过程通过数控系统的运动控制器完成；

步骤3，预处理支链长度信息：伺服控制系统实时反馈任意位姿状态下三条支链的长度，通过运动控制器进行求和运算，并对任意位姿状态下三条支链中任意两条支链的长度进行求差运算，所得结果存入运动控制器寄存器；

步骤4，建立动平台位姿限位判据：在运动控制器中，实时判断求和运算、求差运算结果值是否超出设定的阈值，以此判断A3并联动力头的机构末端是否超出工作空间范围；

步骤5，并联动力头实时限位保护：在运动中，若丝杠组件上的行程开关触发，输出触发信号至A3并联动力头数控系统保护电路，控制A3并联动力头停机，实现支链运动超限保护功能；若所得的求和及求差运算值均未超出对应限位区间的设定阈值，则A3并联动力头正常运行，数控系统不报警；求和及求差运算结果中只要有一项超出对应限位区间设定阈值，则输出超限标志位，数控系统报警并停机，从而实现数控系统的位姿限位保护功能。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明方法可简单、可靠的实现对A3并联动力头的实时限位保护。实时采集支链伺服电机编码器信号获取支链长度信息后，仅需支链长度信息的求和运算、求差运算结果值即可判断A3并联动力头机构末端位姿是否超限，提升了限位保护功能的快速响应能力，提高了A3 并联动力头的超限保护可靠性。该方法基于现有数控系统的软、硬件条件，通过软、硬件相结合的方式有效解决并联结构机床实时限位保护问题，提高此类拓扑结构机床的操作安全性。

附图说明

图1是A3并联动力头的结构示意图。

图2是支链系统组成结构示意图。

图3支链伺服进给闭环数控系统示意图。

图4数控系统限位保护流程示意图。

图5是A3并联动力头中各向量位置关系示意图。

附图标记：1-动平台，2-支链A，3-固定架，4-支链B，5-支链C，6-球铰，7-直线导轨，8-支链体组件，9-丝杠，10-转动副，11-转动副组件，12-支链伺服电机，13-伺服电机编码器

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1和图2所示，A3并联动力头^[1-3]通过驱动支链A2、支链B4、支链C5实现动平台1做相对于固定架3的一平动两转动运动，每条支链上的支链伺服电机12驱动丝杠9转动，带动转动副组件11套在支链体组件8上沿直线导轨7做直线相对运动，转动副10和球铰6 之间产生相对运动使支链长度发生变化。如图3所示，支链长度是通过数控系统获取支链伺服电机12的码盘信息得到：数控系统IPC输入给定的运动指令，通过运动控制器PMAC内置的机构运动学模块解算得到电机的运动控制指令；运动控制指令通过伺服放大器驱动支链伺服电机12，驱动机构按照设定的轨迹运动；支链伺服电机12上的伺服电机编码器13将伺服电机磁极位置、转角及转速等信息反馈至支链伺服放大器，通过支链伺服放大器的信号变换后经由伺服接口附件发送至运动控制器PMAC，从而形成闭环数控系统精确实现支链的长度变化。运动控制器PMAC通过伺服电机12的反馈信息，得到限位控制中所需要的支链长度信息。

支链运动超限保护的具体实施方式为：运动控制器PMAC运行的PLC程序检测行程开关状态信息，经由伺服接口附件ACC-34AA输入行程开关触发状态信号，数控系统保护电路决定数控系统发出支链运动超限保护指令，保护指令一旦发出，限位生效，机构运动停止。数控系统中的保护电路能够实现状态保持，要解除支链运动超限状态，需要通过运动控制器PMAC 运行的PLC程序输出一个支链运动超限保护解除脉冲，否则支链运动超限保护将一直起作用使系统停机，以确保机床安全运行。

如图4所示，数控系统位姿限位保护的具体实施方式为：

数控系统中运动控制器PMAC实时采集伺服控制系统中的伺服电机编码器反馈信号后，获取支链A2、支链B4、支链C5的实时长度信息q₁、q₂、q₃。

当A3并联动力头动作时，运动控制器PMAC实时计算出三条支链长度之和Q和三条支链中任意两条支链长度之差Q'₁、Q'₂、Q'₃，即：

Q＝q₁+q₂+q₃

Q'₁＝|q₁-q₂|，Q'₂＝|q₂-q₃|，Q'₃＝|q₃-q₁|

并将Q和Q'₁、Q'₂、Q'₃存入运动控制器寄存器。

根据位姿判断简化算法可知，机构在设定的可达空间中运动，需满足动平台位姿限位判据，即：

Q_min≤Q≤Q_max，

0≤Q′₁≤Q′_max且0≤Q′₂≤Q′_max且0≤Q′₃≤Q′_max

其中Q_min、Q_max、Q′_max通过如下方法得出：

1)如图5所示，得出

q₁w₁+q₂w₂+q₃w₃＝a₁+a₂+a₃-(b₁+b₂+b₃)+3o

将a₁+a₂+a₃＝0，b₁+b₂+b₃＝0代入取模可得

|q₁w₁+q₂w₂+q₃w₃|＝3|o|

得出

|q₁w₁|+|q₂w₂|+|q₃w₃|≥3|o|

即

Q≥3|o|

|o|在动平台动作到最后端时取得最小值为|o|_min，故令

Q_min＝3|o|_min

2)如图5所示，利用矢量链法可得出

q_iw_i＝a_i-b_i+o，i＝1，2，3

将i带入后两端取模并求和，得出

|q₁w₁|+|q₂w₂|+|q₃w₃|＝|a₁-b₁+o|+|a₂-b₂+o|+|a₃-b₃+o|

将|q_iw_i|≤|o|+|a_i-b_i|代入可得

|q₁w₁|+|q₂w₂|+|q₃w₃|≤3|o|+|a₁-b₁|+|a₂-b₂|+|a₃-b₃|

即

Q≤3|o|+|a₁-b₁|+|a₂-b₂|+|a₃-b₃|

由机构结构限制，|a₁-b₁|+|a₂-b₂|+|a₃-b₃|在动平台章动角θ_max处取值最大为6asin(θ_max/2)， |o|在动平台动作到最前端时取值最大为|o|_max，故令

Q_max＝3|o|_max+6asin(θ_max/2)

3)将支链2和支链5的腿长向量做差，即

q₁w₁-q₂w₂＝a₁-a₂-b₁+b₂

由

||q₁w₁|-|q₂w₂||≤|q₁w₁-q₂w₂|

可得

||q₁w₁|-|q₂w₂||≤|a₁-a₂-b₁+b₂|

将

a₁＝a·R[cos(-π/2) sin(-π/2) 0]^T，a₂＝a·R[cos(π/6) sin(π/6) 0]^T

b₁＝b[cos(-π/2) sin(-π/2) 0]^T，b₂＝b[cos(π/6) sin(π/6) 0]^T

代入，可得

|a₁-a₂-b₁+b₂|＝|(1-cos(2π/3))(aR-bE)|

令f(ψ,θ)＝|aR-bE|，得

|a₁-a₂-b₁+b₂|＝(1-cos(2π/3))f(ψ,θ)

其中，R为动平台姿态变换矩阵，E为单位矩阵，ψ和θ分别为进动角和章动角，可得

Q'₁≤(1-cos(2π/3))f(ψ,θ)

根据二元函数极值求取方法可知，f(ψ,θ)在(ψ₁,θ_max)和(ψ₂,θ_max)处分别取极大值f(ψ₁,θ_max) 和f(ψ₂,θ_max)，故得f(ψ,θ)的最大值为

f(ψ,θ)_max＝max{f(ψ₁,θ_max),f(ψ₂,θ_max)}

即

同理可得

故令

求和及求差运算后，只要任一运算结果超出对应限位区间设定阈值，数控系统输出超限标志位，系统报警并停止输出运动指令，A3并联动力头停机，以防止出现机构的位姿超限而损坏机构，实现数控系统限位保护功能。

综上，本发明从支链运动超限保护和数控系统位姿限位保护两个方面，以软、硬件相结合的方式实现A3并联动力头的限位保护，提高此类并联拓扑结构机床的操作安全性。且仅需对机构三条支链长度的求和、求差运算即可实现对任意位形下动平台是否超限进行判别。

超限判断及实现流程。若行程开关触发，输出触发信号至A3并联动力头数控系统保护电路，最终使A3并联动力头停机，实现支链运动超限保护功能；求和及求差运算结果中只要有一项超出对应限位区间设定阈值，则输出超限标志位，系统报警并停机，从而实现数控系统的限位保护功能。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

[1]黄田，刘海涛.一种具有两转动和一平动自由度的并联机构,CN 1843709 A[P].2006.

[2]Huang T,Liu H T.A parallel manipulator with two orientations andone translation[P]. WO/PCT/2007/124637，2007.

[3]Li Y G,Liu H T,Zhao X M,et al.Design of a 3-DOF PKM module forlarge structural component machining[J].Mechanism&Machine Theory,2010,45(6):941-954。

Claims (1)

1.一种用于A3并联动力头的限位保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在每条支链的丝杠行程两端安装超限保护行程开关，行程开关信号输出端接入A3并联动力头数控系统保护电路，用于限制丝杠组件的极限行程；

步骤2，实时采集A3并联动力头三条支链的长度信息：通过数控系统输入给定的运动指令，通过运动控制器内置的机构运动学模块解算得到电机的运动控制指令；运动控制指令通过支链伺服放大器驱动支链伺服电机，驱动机构按照设定的轨迹运动；支链伺服电机上的伺服电机编码器将伺服电机磁极位置、转角及转速信息反馈至支链伺服放大器，通过支链伺服放大器的信号变换后经由伺服接口附件发送至运动控制器，运动控制器通过伺服电机的反馈信息，得到限位控制中所需要的支链长度信息；即支链转动副几何中心到支链球铰几何中心的距离信息，信号的计算处理过程通过数控系统的运动控制器完成；

步骤3，预处理支链长度信息：伺服控制系统实时反馈任意位姿状态下三条支链的长度，通过运动控制器进行求和运算，并对任意位姿状态下三条支链中任意两条支链的长度进行求差运算，所得结果存入运动控制器寄存器；

步骤4，建立动平台位姿限位判据：在运动控制器中，实时判断求和运算、求差运算结果值是否超出设定的阈值，以此判断A3并联动力头的机构末端是否超出工作空间范围；

步骤5，并联动力头实时限位保护：在运动中，若丝杠组件上的行程开关触发，输出触发信号至A3并联动力头数控系统保护电路，控制A3并联动力头停机，实现支链运动超限保护功能；若所得的求和及求差运算值均未超出对应限位区间的设定阈值，则A3并联动力头正常运行，数控系统不报警；求和及求差运算结果中只要有一项超出对应限位区间设定阈值，则输出超限标志位，数控系统报警并停机，实现数控系统的位姿限位保护功能。

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