基于正解的五自由度纯并联机床断电后寻址及回零的控制方法

摘要

本发明公开一种基于正解的五自由度纯并联机床断电后寻址及回零的控制方法，该控制方法将五杆五环并联机床的结构几何参数、杆件姿态、主轴上一固定点和主轴在空间中位姿的数学模型形成一一对应的函数关系，从而建立正解控制模型，适应于任何采用环形铰链的并联机床。本发明的优点是解决了机床刀具主轴实时位姿的判定，断电后的寻址及机床回零的问题。

说明书

技术领域

    本发明涉及一种五自由度纯并联机床，特别涉及一种基于正解的五自由度纯并联机床断电后寻址及回零的控制方法。

背景技术

并联机床以其高刚度、高精度和高承载能力等特性而备受关注。在并联机床现存的许多问题中，三自由度以上的并联机床位置正解一直是个难题，而位置正解又是解决机床失电后正确判断动平台位姿以及机床回零的最直接的方法。

由于并联机床结构的特点，机床逆解比较容易获得，而正解往往没有解析解或存在多解。因而目前五自由度纯并联机床的回零方法一般采用基于并联机床逆解的栅格回零法，即控制并联机床各驱动杆回到各自的零位；而并联机床遇到中途断电刀具主轴（动平台）的位姿要靠实际仪器当场测量，不仅操作困难，而且误差大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对具有环型铰链的五自由度纯并联机床，提出一种基于正解的判定机床刀具主轴（动平台）实时位姿的控制方法，该控制方法同时解决了断电后寻址及机床回零的问题，是该种并联机床数控系统的内核部分。控制方法将五杆五环并联机床结构几何参数、杆件姿态和刀具主轴在空间中的位姿形成一一对应的函数关系，该方法可用于机床刀具主轴（动平台）运动时实时位姿的在线检测，当机床发生断电，信息丢失的情况时，接通电源后用该方法可以识别刀具主轴当前位姿，并帮助机床回到零点。

本发明的控制方法包括如下的步骤：

（1）建立控制模型，该控制模型将五杆五环并联机床结构几何参数、杆件姿态、主轴在空间中的位姿形成一一对应的函数关系。

①获得位姿正解的数学模型，即刀具主轴（动平台）的位置                                                和姿态的数学表达式：

 

其中：

、、---刀具主轴中心线的单位方向矢量；

、、----刀尖点的位置坐标；

、  -----五根杆的编号,可取1、2、3、4、5；

----第根杆与主轴中心线所确定平面的法向量；

-----第根杆与主轴中心线所确定平面的法向量；

-----主轴尾部轴心线上选定点，由机床顶部激光跟踪仪对应选取。

②正解的数学模型中各已知参数的获取：

本发明中涉及到的参数比较多，主要有两大类：机床处于初始状态时各初始尺寸值，称为固定值，实时变化值称为变量。

固定值由机床装配完成后直接测量获得。

变量由绝对坐标传感器直接测量或转换获得；五根杆中任意选取两根杆作为测量对象，在两根杆虎克铰的固定轴和转动轴上分别设有多个角度传感器，在两根杆件的杆底设有线位移传感器，并在机床顶部安装激光跟踪仪；

以上确定主轴中心线的两平面的法向量和的求解如下：

；

       ；

       ；

       ；

       ；

       ；

；

       

；

；

其中：

----虎克铰中心点，固定值；

----推杆与虎克铰转环的铰接点，变量，由以上算式转换获得；

------------杆长值，变量，由线位移传感器测量所得；

------------伸缩杆与虎克铰内环法向量的夹角，固定值；

----------伸缩杆与虎克铰内环法向量的夹角增量，变量，由安装在虎克铰转动轴上的角度传感器角度传感器5b、7d测量所得；

----------虎克铰绕固定轴轴的转动角，变量，由安装在虎克铰固定轴上的角度传感器角度传感器4a、6c测量所得；

---局部坐标系轴与定坐标系之间的初始夹角，固定值；

---局部坐标系轴与定坐标系之间的初始夹角，固定值；

---局部坐标系轴与定坐标系之间的初始夹角，固定值。

（2）断电后寻址：

采用绝对坐标传感器，在机床遇到断电信息丢失的情况下，重新接上电源，传感器显示的是所有位置的当前值，即、、及，代入以上公式，即获得机床刀具主轴的当前姿态；

（3）机床回零路径是由机床的逆解控制模型决定，但回零路径起点是根据刀具主轴的当前姿态获得的。由正解获得的当前点作为回零路径的起点写入上位PC机，由上位PC机将回零路径算式写入运动控制卡；

（4）运动控制卡输出控制信号至伺服控制系统，从而控制机床回零。

本发明的优越功效在于：

1．本发明提出了一种五自由度纯并联机床的正解控制方法，该控制方法能够解决并联机床刀具主轴（动平台）实时位姿的判定、断电后寻址及机床的回零等问题； 

2．控制方法将五杆五环并联机床的结构几何参数、杆件姿态和主轴在空间中的位姿形成一一对应的解析关系，极大程度地减少了误差。该正解控制方法是一种解决环型并联机床刀具主轴（动平台）实时位姿的判定、断电后的寻址及机床的回零等问题最直接的方法。

附图说明

图1为本发明算法所针对的五杆五环并联机床的结构示意图；

图2为正解原理图；

图3为确定通过主轴中心线的平面的三点获得示意图；

图4为动坐标系变换示意图；

图5为动静坐标系在空间中的分布图；

图6为传感器安装图；

图中标号说明

1—虎克铰；                          2—机床；

3—激光跟踪仪；                      4—角度传感器a；

5—角度传感器b；                     6—角度传感器c；

7—角度传感器d；                     8—线位移传感器。

具体实施方式

下面结合具体的实物样机（涉及尺寸均为样机上的实测值）对本发明作进一步说明：

如图1-图6所示，本发明需在五根杆中任意选择两根杆作为测量对象，现选取杆件、作为测量对象。在杆件虎克铰2的固定轴上设有角度传感器4a、转动轴上设有角度传感器5b，在杆件虎克铰4的固定轴上设有角度传感器6c、转动轴上设有角度传感器7d，在杆件、的杆底设有线位移传感器8，并在机床2顶部安装激光跟踪仪3。

本发明的控制方法包括如下的步骤：

（1）建立控制模型，该控制模型将五杆五环并联机床结构几何参数、杆件姿态、主轴在空间中的位姿形成一一对应的函数关系。

①获得位姿正解的数学模型，即刀具主轴（动平台）的位置和姿态的数学表达式：

      

其中：

、、---刀具主轴中心线的单位方向矢量；

、、----刀尖点的位置坐标；

、  -----五根杆的编号,可取1、2、3、4、5；

----第根杆与主轴中心线所确定平面的法向量；

-----第根杆与主轴中心线所确定平面的法向量；

-----主轴尾部轴心线上选定点，由机床顶部激光跟踪仪对应选取。

②获取正解数学模型中的各个参数：

本发明中涉及到的参数比较多，主要有两大类：机床处于初始状态时各初始尺寸值，称为固定值，实时变化值称为变量。初始尺寸测量值，长度单位为“mm”、角度单位为“°”。

虎克铰2、4的中心点坐标：， ；

虎克铰2的局部坐标系与定坐标系之间的初始夹角，由机床装配后实测所得：

；

虎克铰4的局部坐标系与定坐标系之间的初始夹角，由机床装配后实测所得：

；

杆件方向矢量与虎克铰内环法向量的初始夹角为，杆件方向矢量与虎克铰内环法向量的初始夹角为。

现将机床主轴（动平台）由原点任意动到另一个位置，得到实时测量值（长度单位为“mm”、角度单位为“°”）：

虎克铰2绕固定轴轴的转动角由传感器4a测量得，虎克铰4绕固定轴轴的转动角由传感器6c测量得；

杆件方向矢量与虎克铰内环法向量的夹角增量由角度传感器5b测量得，杆件方向矢量与虎克铰内环法向量的夹角增量由角度传感器7d测量得；

杆件的长度由线位移传感器8测量得，杆件的长度由线位移传感器8测量得；

主轴尾部轴心线上选定点由激光跟踪仪3测量得。

到此所有测量值均已罗列完毕，现将以上各值代入以上各公式：

；

 

；

；

；

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；

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；

；

；

；

（2）将以上数据代入正解模型，可以计算出此时主轴的位姿坐标为

    此时刀具主轴（动平台）的姿态坐标为，刀尖点的位置坐标为。

（3）将正解获得的当前点作为回零路径的起点写入上位PC机，由上位PC机将回零路径算式写入运动控制卡；

（4）运动控制卡输出控制信号至伺服控制系统，从而控制机床回零。