CN112965442B - 一种用于镜像铣削加工的协同运动控制方法和系统 - Google Patents

一种用于镜像铣削加工的协同运动控制方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供的用于镜像铣削加工的协同运动控制方法，包括：获取镜像铣机床的主机与辅机的直线坐标、摆角，计算得到直线坐标函数和摆角坐标函数；采用齐次坐标变换对由直线坐标函数、摆角坐标函数及坐标驱动参数计算得到的运动学模型进行处理，导出主机与辅机的空间位置参数与姿态矩阵；通过空间位置参数与姿态矩阵，计算得到主机与辅机的坐标驱动参数之间的关系，使得主机与辅机协同运动。本发明通过计算得到主机与辅机的坐标驱动参数之间的关系，根据该关系能够实现随动顶撑跟随加工主轴镜像移动及加工主轴跟随随动顶撑镜像移动；可以应用到其他数控系统上，具有较强的扩展功能和可移植性。

Description

一种用于镜像铣削加工的协同运动控制方法和系统
技术领域
本发明涉及计算机辅助制造技术领域，具体涉及一种用于镜像铣削加工的协同运动控制方法和系统。
背景技术
蒙皮是飞机机翼和机身的覆盖件，是构成飞机气动外形的关键零件，传统的蒙皮壁板类零件主要采用以化铣为核心的工艺方法，但化铣存在零件加工周期长、效率低，对环境污染严重等缺点，为探索化铣工艺的替代方案，国外发达工业国家陆续开发出由五轴数控龙门铣床和矩阵式多点真空吸附柔性夹持系统组成的飞机蒙皮数控铣削加工系统，这种组合式的加工系统对零件进行多点离散支承夹持，在铣削加工中，当刀具移动到夹持点之间的悬空区域时，零件会不可避免的出现较大的弹性变形和加工颤振，难以保证加工件的精度，因此以上两种传统蒙皮零件制造模式已经不适应现代飞机高精度高质量制造要求。镜像铣削技术是为满足蒙皮加工需要而发展起来的新型加工技术，其原理如图1所示。该技术采用一面铣削加工、一面动态局部支撑的方式，可以有效抑制加工过程中的弹性变形和颤振，具有加工精度高、加工时无污染物排放等特点。
蒙皮镜像铣系统在加工过程中，主轴刀具和无划痕支撑头分别位于蒙皮左右两侧，沿蒙皮曲面镜像对称移动，始终进行点对点的法向支撑和铣切，控制位于零件两侧的铣刀和随动支撑的位姿同步运动完成加工，因此可以较大的减小加工中的弹性变形，提高蒙皮零件的加工表面质量。
镜像加工的关键技术和核心功能在于零件内外表面法向随动运动的协同功能，目前商用数控系统尚无此项功能，两台五坐标的法向协同控制逻辑与算法是镜像加工的关键技术。德国Siemens公司针对镜像加工工艺，在840D数控系统中开发了双类变换功能。该功能利用双通道控制，将镜像加工系统中的加工主轴和随动顶撑各用一个通道控制，并能够单独进行TRAORI五轴插补控制。通过对随动顶撑进行坐标变换，将随动顶撑与加工主轴建立耦合关系，进而实现镜像加工控制。但要实现镜像功能，不但要安装编译循环，还需进行复杂的机床参数配置及NC编程。该功能模块扩展性及可移植性较差，不能和其他品牌的数控系统兼容。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的镜像功能的兼容性较差的技术问题，本发明实施例提供用于镜像铣削加工的协同运动控制方法和系统。该方法通过在镜像铣削加工过程，采用齐次坐标变换表达主轴刀具和支撑头的空间位置与姿态矩阵，推导出镜像加工法向随动协同运动控制算法，并通过数控NC指令编程直接支持加工。算法支持A/C，A/B不同的五轴系统，不需要数控系统的双通道控制支持，不但能够实现支撑头跟随加工头镜像移动(TRAORI(1)指令)，也可实现加工头跟随支撑头镜像移动(TRAORI(2)指令)，程序设计使用更加灵活。不但可以应用在西门子数控系统，还可以应用到其他数控系统上，具有较强的扩展功能和可移植性。其具体技术方案如下：
本发明实施例提供的一种用于镜像铣削加工的协同运动控制方法，包括步骤：
获取镜像铣机床的主机与辅机的直线坐标、摆角，计算得到直线坐标函数和摆角坐标函数；
采用齐次坐标变换对由所述直线坐标函数、摆角坐标函数及坐标驱动参数计算得到的运动学模型进行处理，导出所述主机与辅机的空间位置参数与姿态矩阵；
通过所述空间位置参数与姿态矩阵，计算得到所述主机与辅机的坐标驱动参数之间的关系，使得主机与辅机协同运动。
进一步的，所述运动学模型包括主机运动学模型和辅机运动学模型，公式如下：
Figure BDA0002926658700000031
Figure BDA0002926658700000032
式中，θ1为主机摆角，θ2为辅机摆角，I3×3为单位矩阵，P3×1为主机末端空间位置列阵，Rθ1,θ2为主机末端的姿态矩阵；Q3×1为副机末端空间位置列阵，Sθ1,θ2为副机末端的姿态矩阵。
进一步的，还包括在三维环境下建立主机和辅机的模型，进行三维仿真。
本发明的第二方面提供一种用于镜像铣削加工的协同运动控制装置，包括：
获取计算模块，用于获取镜像铣机床的主机与辅机的直线坐标、摆角，计算得到直线坐标函数和摆角坐标函数；处理模块，用于采用齐次坐标变换对由所述直线坐标函数、摆角坐标函数及坐标驱动参数计算得到的运动学模型进行处理，导出所述主机与辅机的空间位置参数与姿态矩阵；
协同模块，用于通过所述空间位置参数与姿态矩阵，计算得到所述主机与辅机的坐标驱动参数之间的关系，使得主机与辅机协同运动。
进一步的，所述运动学模型包括主机运动学模型和辅机运动学模型，公式如下：
Figure BDA0002926658700000033
Figure BDA0002926658700000034
式中，θ1为主机摆角，θ2为辅机摆角，I3×3为单位矩阵，P3×1为主机末端空间位置列阵，Rθ1,θ2为主机末端的姿态矩阵；Q3×1为副机末端空间位置列阵，Sθ1,θ2为副机末端的姿态矩阵。
进一步的，还包括三维仿真模块，用于在三维环境下建立主机和辅机的模型，进行三维仿真。
本发明的第三方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器处理上述所述的用于镜像铣削加工的协同运动控制方法的步骤。
本发明的第四方面一种电子设备，该电子设备包括：
处理器；以及，
被安排成存储计算机可执行指令的存储器，所述可执行指令在被执行时使所述处理器执行上述所述用于镜像铣削加工的协同运动控制的方法。
本发明实施例提供的一种用于镜像铣削加工的协同运动控制方法，包括步骤：获取镜像铣机床的主机与辅机的直线坐标、摆角，计算得到直线坐标函数和摆角坐标函数；采用齐次坐标变换对由所述直线坐标函数、摆角坐标函数及坐标驱动参数计算得到的运动学模型进行处理，导出所述主机与辅机的空间位置参数与姿态矩阵；通过所述空间位置参数与姿态矩阵，计算得到所述主机与辅机的坐标驱动参数之间的关系，使得主机与辅机协同运动。本发明通过计算得到主机与辅机的坐标驱动参数之间的关系，根据该关系不但能够实现支撑头跟随加工头镜像移动，也可实现加工头跟随支撑头镜像移动。能够实现随动顶撑跟随加工主轴镜像移动及加工主轴跟随随动顶撑镜像移动；可以应用到其他数控系统上，具有较强的扩展功能和可移植性。
附图说明
图1是本发明用于镜像铣削加工的协同运动控制方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行说明，但不用来限制本发明的范围。
参见图1是本发明用于镜像铣削加工的协同运动控制方法的流程图，包括步骤：
获取镜像铣机床的主机与辅机的直线坐标、摆角，计算得到直线坐标函数和摆角坐标函数；
采用齐次坐标变换对由所述直线坐标函数、摆角坐标函数及坐标驱动参数计算得到的运动学模型进行处理，导出所述主机与辅机的空间位置参数与姿态矩阵；
通过所述空间位置参数与姿态矩阵，计算得到所述主机与辅机的坐标驱动参数之间的关系，使得主机与辅机协同运动。
上述主机还可称为加工主轴，上述辅机还可称为随动顶撑。
本发明根据镜像铣机床结构和加工工艺要求，推导镜像协同运动控制算法，并通过数控NC指令编程及调试验证。
采用齐次坐标变换表达A/C(A/B)摆角五坐标镜像铣机床运动学模型，导出加工主轴与随动顶撑的空间位置与姿态矩阵，使坐标驱动参数与加工主轴(随动顶撑)末端建立起函数关系。
在本发明实施例中，上述运动学模型包括主机运动学模型和辅机运动学模型，公式如下：
Figure BDA0002926658700000051
式中，θ1为主机摆角，θ2为辅机摆角，I3×3为单位矩阵，P3×1为主机末端空间位置列阵，Rθ1,θ2为主机末端的姿态矩阵；Q3×1为副机末端空间位置列阵，Sθ1,θ2为副机末端的姿态矩阵。
P3×1,Q3×1为主副机直线坐标(X,Y,Z)和摆角坐标(θ1,θ2)的函数；Rθ1,θ2，Sθ1,θ2为主、副机摆角坐标(θ1,θ2)的函数。根据镜像铣的定义，由位置和姿态矩阵导出主、副机坐标驱动参数之间的函数关系，通过控制主机完成镜像铣加工过程。
在本发明实施例的可选实施方式中，还包括在三维环境下建立A/C摆角五坐标镜像铣加工机床与支撑机床模型，并对理论计算结果进行三维仿真验证。基于法向随动协同控制算法，通过数控系统NC指令进行编程、调试及验证。
下面以一个实施例，对该用于镜像铣削加工的协同运动控制方法进行阐述，包括：
定义坐标系，在定义的坐标系下，得到AC摆角主机的运动解：
Figure BDA0002926658700000061
式中，θ1为C摆转角，θ2为A摆转角，R1为主机刀具末端点到A摆回转轴的距离，a1、a2、a3为加工主机X,Y,Z坐标移动量。
假定已知刀具末端点在全局坐标系中的位置：
Figure BDA0002926658700000062
由：
Figure BDA0002926658700000063
解得加工主机X、Y、Z三个移动坐标自由度位移量：
Figure BDA0002926658700000064
AC摆角辅机的运动解：
Figure BDA0002926658700000071
式中，R2为辅机支撑头末端点到A摆回转轴的距离，a1f、a2f、a3f为辅机X、Y、Z坐标移动量。
现已知支撑头末端点在全局坐标系中的位置(式3)，结合式(6)，解得支撑头辅机三个移动坐标自由度位移量：
Figure BDA0002926658700000072
因此，主辅机运动参数关系为：所述
Figure BDA0002926658700000073
将初始状态下，主辅机A摆角回转轴之间距离L0定义为R1+R2，上式变为：
Figure BDA0002926658700000074
本发明实施例提供的一种用于镜像铣削加工的协同运动控制方法，包括步骤：获取镜像铣机床的主机与辅机的直线坐标、摆角，计算得到直线坐标函数和摆角坐标函数；采用齐次坐标变换对由所述直线坐标函数、摆角坐标函数及坐标驱动参数计算得到的运动学模型进行处理，导出所述主机与辅机的空间位置参数与姿态矩阵；通过所述空间位置参数与姿态矩阵，计算得到所述主机与辅机的坐标驱动参数之间的关系，使得主机与辅机协同运动。本发明通过计算得到主机与辅机的坐标驱动参数之间的关系，根据该关系不但能够实现支撑头跟随加工头镜像移动，也可实现加工头跟随支撑头镜像移动。能够实现随动顶撑跟随加工主轴镜像移动及加工主轴跟随随动顶撑镜像移动；可以应用到其他数控系统上，具有较强的扩展功能和可移植性。
本发明的第二方面提供一种用于镜像铣削加工的协同运动控制装置，包括：
获取计算模块，用于获取镜像铣机床的主机与辅机的直线坐标、摆角，计算得到直线坐标函数和摆角坐标函数；处理模块，用于采用齐次坐标变换对由所述直线坐标函数、摆角坐标函数及坐标驱动参数计算得到的运动学模型进行处理，导出所述主机与辅机的空间位置参数与姿态矩阵；
协同模块，用于通过所述空间位置参数与姿态矩阵，计算得到所述主机与辅机的坐标驱动参数之间的关系，使得主机与辅机协同运动。
进一步的，所述运动学模型包括主机运动学模型和辅机运动学模型，公式如下：
Figure BDA0002926658700000081
Figure BDA0002926658700000082
式中，θ1为主机摆角，θ2为辅机摆角，I3×3为单位矩阵，P3×1为主机末端空间位置列阵，Rθ1,θ2为主机末端的姿态矩阵；Q3×1为副机末端空间位置列阵，Sθ1,θ2为副机末端的姿态矩阵。
进一步的，还包括三维仿真模块，用于在三维环境下建立主机和辅机的模型，进行三维仿真。
本发明的第三方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器处理上述所述的用于镜像铣削加工的协同运动控制方法的步骤。
本发明的第四方面一种电子设备，该电子设备包括：
处理器；以及，
被安排成存储计算机可执行指令的存储器，所述可执行指令在被执行时使所述处理器执行上述所述用于镜像铣削加工的协同运动控制的方法。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种用于镜像铣削加工的协同运动控制方法，其特征在于，包括步骤：
获取镜像铣机床的主机与辅机的直线坐标、摆角，计算得到直线坐标函数和摆角坐标函数；
采用齐次坐标变换对由所述直线坐标函数、摆角坐标函数及坐标驱动参数计算得到的运动学模型进行处理，导出所述主机与辅机的空间位置参数与姿态矩阵；
通过所述空间位置参数与姿态矩阵，计算得到所述主机与辅机的坐标驱动参数之间的关系，使得主机与辅机协同运动；
定义坐标系，在定义的坐标系下，得到AC摆角主机的运动解：
Figure FDA0003734065700000011
式中，θ1为C摆转角，θ2为A摆转角，R1为主机刀具末端点到A摆回转轴的距离，a1、a2、a3为加工主机X,Y,Z坐标移动量；
假定已知刀具末端点在全局坐标系中的位置：
Figure FDA0003734065700000012
由：
Figure FDA0003734065700000013
解得加工主机X、Y、Z三个移动坐标自由度位移量：
Figure FDA0003734065700000021
AC摆角辅机的运动解：
Figure FDA0003734065700000022
式中，R2为辅机支撑头末端点到A摆回转轴的距离，a1f、a2f、a3f为辅机X、Y、Z坐标移动量；
现已知支撑头末端点在全局坐标系中的位置式 (3)，结合式(6)，解得支撑头辅机三个移动坐标自由度位移量：
Figure FDA0003734065700000023
因此，主辅机运动参数关系为：
Figure FDA0003734065700000024
将初始状态下，主辅机A摆角回转轴之间距离L0定义为R1+R2，上式变为：
Figure FDA0003734065700000025
。
2.根据权利要求1所述的用于镜像铣削加工的协同运动控制方法，其特征在于，所述运动学模型包括主机运动学模型和辅机运动学模型，公式如下：
Figure FDA0003734065700000031
Figure FDA0003734065700000032
式中，θ1为主机摆角，θ2为辅机摆角，I3×3为单位矩阵，P3×1为主机末端空间位置列阵，Rθ1,θ2为主机末端的姿态矩阵；Q3×1为副机末端空间位置列阵，Sθ1,θ2为副机末端的姿态矩阵。
3.根据权利要求1所述的用于镜像铣削加工的协同运动控制方法，其特征在于，还包括在三维环境下建立主机和辅机的模型，进行三维仿真。
4.用于实施权利要求1一种用于镜像铣削加工的协同运动控制方法的一种用于镜像铣削加工的协同运动控制装置，其特征在于，包括：
获取计算模块，用于获取镜像铣机床的主机与辅机的直线坐标、摆角，计算得到直线坐标函数和摆角坐标函数；
处理模块，用于采用齐次坐标变换对由所述直线坐标函数、摆角坐标函数及坐标驱动参数计算得到的运动学模型进行处理，导出所述主机与辅机的空间位置参数与姿态矩阵；
协同模块，用于通过所述空间位置参数与姿态矩阵，计算得到所述主机与辅机的坐标驱动参数之间的关系，使得主机与辅机协同运动；
定义坐标系，在定义的坐标系下，得到AC摆角主机的运动解：
Figure FDA0003734065700000033
式中，θ1为C摆转角，θ2为A摆转角，R1为主机刀具末端点到A摆回转轴的距离，a1、a2、a3为加工主机X,Y,Z坐标移动量；
假定已知刀具末端点在全局坐标系中的位置：
Figure FDA0003734065700000041
由：
Figure FDA0003734065700000042
解得加工主机X、Y、Z三个移动坐标自由度位移量：
Figure FDA0003734065700000043
AC摆角辅机的运动解：
Figure FDA0003734065700000044
式中，R2为辅机支撑头末端点到A摆回转轴的距离，a1f、a2f、a3f为辅机X、Y、Z坐标移动量；
现已知支撑头末端点在全局坐标系中的位置式 (3)，结合式(6)，解得支撑头辅机三个移动坐标自由度位移量：
Figure FDA0003734065700000045
因此，主辅机运动参数关系为：
Figure FDA0003734065700000046
将初始状态下，主辅机A摆角回转轴之间距离L0定义为R1+R2，上式变为：
Figure FDA0003734065700000051
。
5.根据权利要求4所述的用于镜像铣削加工的协同运动控制装置，其特征在于，所述运动学模型包括主机运动学模型和辅机运动学模型，公式如下：
Figure FDA0003734065700000052
Figure FDA0003734065700000053
式中，θ1为主机摆角，θ2为辅机摆角，I3×3为单位矩阵，P3×1为主机末端空间位置列阵，Rθ1,θ2为主机末端的姿态矩阵；Q3×1为副机末端空间位置列阵，Sθ1,θ2为副机末端的姿态矩阵。
6.根据权利要求4所述的用于镜像铣削加工的协同运动控制装置，其特征在于，还包括三维仿真模块，用于在三维环境下建立主机和辅机的模型，进行三维仿真。
7.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器处理权利要求1～3任一项所述的一种用于镜像铣削加工的协同运动控制方法的步骤。
8.一种电子设备，该电子设备包括：
处理器；以及，
被安排成存储计算机可执行指令的存储器，所述可执行指令在被执行时使所述处理器执行权利要求1～3任一项所述的一种用于镜像铣削加工的协同运动控制的方法。
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