并联机床检测软件编程
并联机床检测软件编程
目 录
1 引言 1
1.1 并联运动机床的发展 1
1.2 并联机床的应用与展望 2
1.3 课题意义 3
1.4 课题内容 3
1.5 创新点 3
2 铰链坐标检测理论及软件设计 3
2.1 铰链坐标检测依据及软件设计意义 3
2.2 铰链坐标求解方法 4
2.3 铰链坐标检测软件编程 6
2.3.1 检测软件编程过程 6
2.3.2 检测软件运行结果 8
2.4 铰链坐标的理论计算 8
3 铰链坐标检测实验 18
3.1 实验设备 18
3.2 检测试验 19
3.2.1 法如的校准 20
3.2.2 坐标系的标定 21
3.2.3 刀位坐标检测 22
3.2.4 杆长检测 22
3.2.5 铰链坐标检测软件验证 25
结 论 26
致 谢 27
参 考 文 献 28
附录A 程序 29
1 界面程序 29
1.1 界面主程序 29
1.2 界面部分子程序 30
2 铰链点程序 32
2.1 铰链点主程序 32
2.2 铰链点部分子程序 36
1 引言
并联机床是90年代中期问世的一种新型数控加工装备，其基本特征是安装工具的动平台由多个支路联接到固定平台，通过这些支路上的作动器驱动动平台运动以改变工具在空间的位置和姿态，从而实现工具相对工件的进给运动[1]。并联机床实质上是并联机器人技术与机床技术相结合的产物，与传统机床相比，并联运动机床具有结构简单、刚度高、动态性能好、速度快、可重构等优点。由于它易于实现较复杂的空间运动，因而具有良好应用前景，是加工复杂零件的一个生力军[2]。
1.1 并联运动机床的发展
并联机床是现代机器人技术和现代机床技术的完美结合。并联机床使将近两个世纪以来以笛卡尔坐标直线位移为基础的机床结构和运动学原理发生了根本性的变革，抛弃了固定导轨的刀具导向方式，采用了多杆并联机构驱动，完全打破了传统机床结构的概念。由于采用Stewart 平台结构，大大提高了机床的刚度，实现了高速超高速的机床加工，促使加工速度和加工质量显著提高。由于这种机床具有高刚度、高承载能力、高速度、高精度、重量轻、机械结构简单、标准化程度高和模块化程度高等优点，在要求精密加工的航空航天、兵器、船舶、电子等领域得到了成功的应用[5]。
并联机床的理论基础是空间并联机构理论， 1966年D. Stewart 发表《A Platform with Six Degrees of Freedom》，根据其在飞行模拟 器上应用的自由度并联机构，提出著名的 Stewart平台机构，阐述了6自由度并联机构组成理论。J. Tindale于1965 年最早提出开发此种机床的设想。1976年，俄罗斯Lapik公司率先进行此种机床的研制。美国Ingersoll公司于1987年、美国Giddings & Lew is公司以及英国Geodetic公司于1988 年开始进行并联机床的研制，并在芝加哥IMTS 94国际展览会上展出了此种机床，引起各国机床研究单位和生产厂家的重视。它是一台以Stewart平台为基础的5坐标立式加工中心，标志着机床设计开始采用并联机构，是机床结构重大改革的里程碑。1994年后，我国的高校、科研院所和企业也开展了并联机床的研究工作，主要有哈工大与哈量集团共同研制的加工叶片的并联加工中心。清华大学和天津大学合作于1998年研制成功我国的第一台基于Stewart平台机构的大型镗铣类虚拟轴机床原型样机VAMT1Y。东北大学于1998 年建成我国首台五轴联动三杆并联运动机床DSX5- 70。天津大学与天津第一机床总厂于1999年研制成功三坐标并联运动机床Linapod。哈尔滨工业大学和哈尔滨量具刃具厂联合研制了新一代商品化的6 自由度的并联机床。天津大学与天津第一机床厂合作研制了我国第一台商品化并联机器人机床[8]。
1.2 并联机床的应用与展望
并联机床从出现至今才不过几年的时间，虽然目前在世界范围内尚少有厂家有定型的产品化机床开始销售，但经过国内外众多研究人员的共同努力在这类机床的实用化方面已取得了相当大的进展。不可否认，尽管从理论上讲，并联机床优越性明显，但要真正成熟实用还有一段漫长艰苦的路程要走。从目前情况看，尚有一些关键技术需要进一 步加以解决。
(1) 精度问题
目前，由于尚无有效手段对并联机构动平台的位、姿信息进行实时检测，因而无法直接对动平台实现全闭环控制。虽然通过精度设计与运动学标定能够改善机床的精度，但与传统机床相比尚有很大差距。因此，从控制、传感、检测等方面研究直接对动平台实现全闭环控制的方法是解决并联机床精度问题的最终出路。
(2) 关键基础键的研究
并联机床所需的关键基础件，包括功率体积比大的高速电主轴单元、高速高性能直线电机、精密丝杠导轨副以及高精度、高刚度、大转角范围的球铰链等。目前，国外已有专业厂开发出一些产品，但尚有许多工作要做。
(3) 相关的并联机构理论问题
例如，建立概念设计的系统方法(配置形式、布局的确定等)；实用的工作空间描述方法(包括位置空间、姿态空间)；奇异位形分析、支链干涉及碰撞检查的实用方法；动力学建模及整机动态设计方法等。
(4) 考虑并联机床特点的数控系统
并联机床与传统机床的本质区别在于动平台在笛卡尔空间中的运动是关节空间伺服运动的非线性映射(又称虚实映射)。进行位置控制时，必须通过位置逆解模型将事先给定的刀具位姿及速度信息变换为伺服系统的控制指令，并驱动并联机构实现刀具的期望运动。因此，应针对并联机床的这些特点研究开发相应的数控系统，网络环境下具有开放式体系结构的数控系统是并联机床的理想选择。
(5) 并联机床性能评价标准
由于并联机床与传统机床在运动学方面存在本质区别，传统机床的性能评价标准难以全面、准确地反映并联机床的性能特点。因此，应尽快建立针对并联机床特点的性能评价标准。
在研究解决上述问题的同时，可以同步进行并联机床的开发、应用研究。根据目前的现状，可以从以下几个方面着手：
(1) 寻找用传统方法难以解决问题、而并联机床又能够解决的应用场合。例如需要用强力压配合的自动装配可以用多个并联机床单元构成一个系统对一些大型、特大型的零、部件或整机进行各种加工。
(2) 有些任务用传统方式也可以完成，但用并联机床可以更好、更经济地完成，例如用砂轮或铣刀打毛刺、导角、钻油孔；当加工对象为木材、塑料、铝材等易切削材料，且加工精度要求不是特别高时可考虑用并联机床。
(3) 虽然并联机床暂时难以达到高档传统机床的精度，但有许多并联机床的现有精度水平已能满足要求的应用场合，在这些场合可以考虑使用并联机床[4]。
1.3 课题意义
本课题通过实验手段采用特定的算法确定并联机床铰链中心的空间分布，强调学生对知识的综合运用和科研能力的培养，通过本课题能够扎实掌握实验方案的合理制定、实验数据的整理以及并联机床的数控系统操作和编程。在毕业设计中培养学生查找文献资料的能力、应用所学知识分析解决问题的能力，同时培养学生熟悉操作数控机床的能力，以缩短毕业设计与生产实践的差距。
1.4 课题内容
(1) 需要掌握铰链坐标的算法；
(2) 对算法进行测试；
(3) 在已有铰链坐标计算方法基础上作基于Matlab软件上的编程；
(4) 工件加工验证。
1.5 创新点
(1) 优化算法上采用最小二乘法的基础上，还采用了网格法优化；
(2) 坐标的测取上采用法如测量仪。
2 铰链坐标检测理论及软件设计
2.1 铰链坐标检测依据及软件设计意义
由于加工误差、安装误差等因素的影响，并联机床的理想结构参数（铰链位置）与实际结构参数相比存在偏差，使并联机床的机构参数模型不准确，影响并联机床末端的的运动精度。解决该问题主要是采用标定的方法，识别并联机床安装以后的结构参数误差，以获得更接近实际的结构参数。并联机床运动学标定的原理就是利用运动学参数的实测信息构造误差函数，以误差函数最小化为目标函数，进而辨别出机构的运动学参数。
将算法用软件编程起来，将大大减少计算的工作量，而且计算步骤能够清晰的呈现出来，对于检查工作非常方便。
2.2 铰链坐标求解方法
(1) 运动学模型
采用基于相对杆长优化得到各铰点位置的方法，以BJ-04-02(A)交叉杆型并联机床为研究对象，其进给机构主要由定平台、动平台、驱动杆及铰链等部分组成，图2.3为机床实物图。驱动杆通过定、动铰链分别与定、动平台连接，电机驱使各驱动杆伸缩实现动平台的空间位姿变化。
目 录
1 引言 1
1.1 并联运动机床的发展 1
1.2 并联机床的应用与展望 2
1.3 课题意义 3
1.4 课题内容 3
1.5 创新点 3
2 铰链坐标检测理论及软件设计 3
2.1 铰链坐标检测依据及软件设计意义 3
2.2 铰链坐标求解方法 4
2.3 铰链坐标检测软件编程 6
2.3.1 检测软件编程过程 6
2.3.2 检测软件运行结果 8
2.4 铰链坐标的理论计算 8
3 铰链坐标检测实验 18
3.1 实验设备 18
3.2 检测试验 19
3.2.1 法如的校准 20
3.2.2 坐标系的标定 21
3.2.3 刀位坐标检测 22
3.2.4 杆长检测 22
3.2.5 铰链坐标检测软件验证 25
结 论 26
致 谢 27
参 考 文 献 28
附录A 程序 29
1 界面程序 29
1.1 界面主程序 29
1.2 界面部分子程序 30
2 铰链点程序 32
2.1 铰链点主程序 32
2.2 铰链点部分子程序 36
1 引言
并联机床是90年代中期问世的一种新型数控加工装备，其基本特征是安装工具的动平台由多个支路联接到固定平台，通过这些支路上的作动器驱动动平台运动以改变工具在空间的位置和姿态，从而实现工具相对工件的进给运动[1]。并联机床实质上是并联机器人技术与机床技术相结合的产物，与传统机床相比，并联运动机床具有结构简单、刚度高、动态性能好、速度快、可重构等优点。由于它易于实现较复杂的空间运动，因而具有良好应用前景，是加工复杂零件的一个生力军[2]。
1.1 并联运动机床的发展
并联机床是现代机器人技术和现代机床技术的完美结合。并联机床使将近两个世纪以来以笛卡尔坐标直线位移为基础的机床结构和运动学原理发生了根本性的变革，抛弃了固定导轨的刀具导向方式，采用了多杆并联机构驱动，完全打破了传统机床结构的概念。由于采用Stewart 平台结构，大大提高了机床的刚度，实现了高速超高速的机床加工，促使加工速度和加工质量显著提高。由于这种机床具有高刚度、高承载能力、高速度、高精度、重量轻、机械结构简单、标准化程度高和模块化程度高等优点，在要求精密加工的航空航天、兵器、船舶、电子等领域得到了成功的应用[5]。
并联机床的理论基础是空间并联机构理论， 1966年D. Stewart 发表《A Platform with Six Degrees of Freedom》，根据其在飞行模拟 器上应用的自由度并联机构，提出著名的 Stewart平台机构，阐述了6自由度并联机构组成理论。J. Tindale于1965 年最早提出开发此种机床的设想。1976年，俄罗斯Lapik公司率先进行此种机床的研制。美国Ingersoll公司于1987年、美国Giddings & Lew is公司以及英国Geodetic公司于1988 年开始进行并联机床的研制，并在芝加哥IMTS 94国际展览会上展出了此种机床，引起各国机床研究单位和生产厂家的重视。它是一台以Stewart平台为基础的5坐标立式加工中心，标志着机床设计开始采用并联机构，是机床结构重大改革的里程碑。1994年后，我国的高校、科研院所和企业也开展了并联机床的研究工作，主要有哈工大与哈量集团共同研制的加工叶片的并联加工中心。清华大学和天津大学合作于1998年研制成功我国的第一台基于Stewart平台机构的大型镗铣类虚拟轴机床原型样机VAMT1Y。东北大学于1998 年建成我国首台五轴联动三杆并联运动机床DSX5- 70。天津大学与天津第一机床总厂于1999年研制成功三坐标并联运动机床Linapod。哈尔滨工业大学和哈尔滨量具刃具厂联合研制了新一代商品化的6 自由度的并联机床。天津大学与天津第一机床厂合作研制了我国第一台商品化并联机器人机床[8]。
1.2 并联机床的应用与展望
并联机床从出现至今才不过几年的时间，虽然目前在世界范围内尚少有厂家有定型的产品化机床开始销售，但经过国内外众多研究人员的共同努力在这类机床的实用化方面已取得了相当大的进展。不可否认，尽管从理论上讲，并联机床优越性明显，但要真正成熟实用还有一段漫长艰苦的路程要走。从目前情况看，尚有一些关键技术需要进一 步加以解决。
(1) 精度问题
目前，由于尚无有效手段对并联机构动平台的位、姿信息进行实时检测，因而无法直接对动平台实现全闭环控制。虽然通过精度设计与运动学标定能够改善机床的精度，但与传统机床相比尚有很大差距。因此，从控制、传感、检测等方面研究直接对动平台实现全闭环控制的方法是解决并联机床精度问题的最终出路。
(2) 关键基础键的研究
并联机床所需的关键基础件，包括功率体积比大的高速电主轴单元、高速高性能直线电机、精密丝杠导轨副以及高精度、高刚度、大转角范围的球铰链等。目前，国外已有专业厂开发出一些产品，但尚有许多工作要做。
(3) 相关的并联机构理论问题
例如，建立概念设计的系统方法(配置形式、布局的确定等)；实用的工作空间描述方法(包括位置空间、姿态空间)；奇异位形分析、支链干涉及碰撞检查的实用方法；动力学建模及整机动态设计方法等。
(4) 考虑并联机床特点的数控系统
并联机床与传统机床的本质区别在于动平台在笛卡尔空间中的运动是关节空间伺服运动的非线性映射(又称虚实映射)。进行位置控制时，必须通过位置逆解模型将事先给定的刀具位姿及速度信息变换为伺服系统的控制指令，并驱动并联机构实现刀具的期望运动。因此，应针对并联机床的这些特点研究开发相应的数控系统，网络环境下具有开放式体系结构的数控系统是并联机床的理想选择。
(5) 并联机床性能评价标准
由于并联机床与传统机床在运动学方面存在本质区别，传统机床的性能评价标准难以全面、准确地反映并联机床的性能特点。因此，应尽快建立针对并联机床特点的性能评价标准。
在研究解决上述问题的同时，可以同步进行并联机床的开发、应用研究。根据目前的现状，可以从以下几个方面着手：
(1) 寻找用传统方法难以解决问题、而并联机床又能够解决的应用场合。例如需要用强力压配合的自动装配可以用多个并联机床单元构成一个系统对一些大型、特大型的零、部件或整机进行各种加工。
(2) 有些任务用传统方式也可以完成，但用并联机床可以更好、更经济地完成，例如用砂轮或铣刀打毛刺、导角、钻油孔；当加工对象为木材、塑料、铝材等易切削材料，且加工精度要求不是特别高时可考虑用并联机床。
(3) 虽然并联机床暂时难以达到高档传统机床的精度，但有许多并联机床的现有精度水平已能满足要求的应用场合，在这些场合可以考虑使用并联机床[4]。
1.3 课题意义
本课题通过实验手段采用特定的算法确定并联机床铰链中心的空间分布，强调学生对知识的综合运用和科研能力的培养，通过本课题能够扎实掌握实验方案的合理制定、实验数据的整理以及并联机床的数控系统操作和编程。在毕业设计中培养学生查找文献资料的能力、应用所学知识分析解决问题的能力，同时培养学生熟悉操作数控机床的能力，以缩短毕业设计与生产实践的差距。
1.4 课题内容
(1) 需要掌握铰链坐标的算法；
(2) 对算法进行测试；
(3) 在已有铰链坐标计算方法基础上作基于Matlab软件上的编程；
(4) 工件加工验证。
1.5 创新点
(1) 优化算法上采用最小二乘法的基础上，还采用了网格法优化；
(2) 坐标的测取上采用法如测量仪。
2 铰链坐标检测理论及软件设计
2.1 铰链坐标检测依据及软件设计意义
由于加工误差、安装误差等因素的影响，并联机床的理想结构参数（铰链位置）与实际结构参数相比存在偏差，使并联机床的机构参数模型不准确，影响并联机床末端的的运动精度。解决该问题主要是采用标定的方法，识别并联机床安装以后的结构参数误差，以获得更接近实际的结构参数。并联机床运动学标定的原理就是利用运动学参数的实测信息构造误差函数，以误差函数最小化为目标函数，进而辨别出机构的运动学参数。
将算法用软件编程起来，将大大减少计算的工作量，而且计算步骤能够清晰的呈现出来，对于检查工作非常方便。
2.2 铰链坐标求解方法
(1) 运动学模型
采用基于相对杆长优化得到各铰点位置的方法，以BJ-04-02(A)交叉杆型并联机床为研究对象，其进给机构主要由定平台、动平台、驱动杆及铰链等部分组成，图2.3为机床实物图。驱动杆通过定、动铰链分别与定、动平台连接，电机驱使各驱动杆伸缩实现动平台的空间位姿变化。
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