（机械电子工程专业论文）混联机床加工仿真系统的开发与精度检测.pdf

， 遁 、 分 _ 摘要 论文题目： 学科专业： 硕士生： 指导教师： 混联机床加工仿真系统的开发与精度检测 机械电子工程 何根良签名： 高峰副教授签名： 摘要 川l l i l i 1 1 l l i y 18 14 4 4 4 数控加工仿真采用计算机建模和仿真技术来模拟实际的数控加工环境，本文以v i s u a l c + + 为开发环境，应用a u t o c a d 二次开发工具o b j c c t a r x 的三维实体生成及布尔运算，克 隆技术，三维实体平移和旋转等技术，开发了一个由n c 代码驱动的机床加工仿真系统， 实现了以真实加工条件为前提的机床加工过程实时动态模拟，预估计加工的过程和结果。 本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 混联机床运动控制算法是利用位姿矩阵链的思想，针对刀位算法推导出6 p m 2 整体 运动学逆解，得到六个驱动量x ，】，、c 、l 1 ，l 2 、l 3 ，同时对并联机构的被动关节求逆 解，为机床运动仿真和干涉检查提供理论依据。 ( 2 ) 研究按插补精度进行空间刀具轨迹插补的直线插补和圆弧插补算法，实现了刀具 轨迹的细分。推导出空间平面上的刀具半径补偿算法，判断轨迹间的过渡方式是缩短型或 伸长型，计算刀具半径偏置后的交叉点或间断点位置，为仿真中处理n c 代码加工轨迹做 准备。 ( 3 ) 在a u t o c a d 中建立混联机床三维实体模型，应用o b j c c t a r x 开发n c 代码驱动的混 联机床加工仿真软件。按照混联机床运动学模型仿真机床关联运动，达到验证混联机床 工作原理、加工过程仿真的目的。在仿真条件下检查加工过程中并联部件的杆长，各关节 角等是否超出范围，串联各轴运动行程是否超程，进行碰撞检测、干涉校验，验证零件加 工n c 代码的正确性。仿真加工完成后，检查最终工件是否符合加工要求，从而合理选择 工艺参数，对加工轨迹进行修改和优化。 ( 4 ) 力i i 精度是机床最重要的性能指标之一，本文结合6 p m 2 六轴混联数控镗铣床，研 究了使用双频激光干涉仪对混联机床串联部分的x y c 轴进行位移量误差精度检测，利用 p m a c 运动控制器进行误差补偿。实验成功地实现了对数控加工精度的误差补偿，表明了 本误差补偿方法有很好补偿效果。 关键词：o b j e c t a r x ；加工仿真；刀具插补；刀具半径补偿；误差补偿 论文的研究得到了校创新研究项目多轴联动机床的开放式数控系统的数据处理方法 研究( 项目编号：1 0 2 2 1 0 3 0 3 ) 的资助。 西安理工大学硕士学位论文 ( 、 l ， - j l a b s t l a c t t i t l e ：d e v e l o p m e n t0 ft h em a c h i n e - s i m u l a t l o ns y s t e m a n dt h ep r e c l s i o ni n s p e c t i o nf o rh y b r i dm a c h i n e t o o l m a j o r ：m e c h a n i c a l e l e c t r o n i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：g e n l i a n gh es i g n a t u r e ： s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f f e n gg a os i g n a t u r e ： a b s t r a c t n cm a c h i n i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r eu s e st h ec o m p u t e r m o d e l i n ga n dt h es i m u l a t i o n t e c h n o l o g yt oi m i t a t et h ea c t u a lc n cm a c h i n i n gs i t u a t i o n u n d e rv i s u a lc + + e n v i r o n m e n t ，a m a c h i n i n gs i m u l a t i o ns y s t e md r i v e nb yn cc o d ei sd e v e l o p e dw i t ht h er e d e v e l o p i n gt o o lo f a u t o c a d - o b je c t a r xb ya d o p t i n g b o o l e a n o p e r a t i o n ，3 de n t i t yp r o t o t y p i n g ，c l o n i n g t e c h n o l o g y , 3 dr o t a t i o na n dt r a n s l a t i o n ，w h i c ha c h i e v e st h er e a l - t i m ed y n a m i cs i m u l a t i o no f t h e m a c h i n i n gp r o c e s si np r a c t i c a lc o n d i t i o n sf o rp r e e s t i m a t e dt h em a c h i n i n gp r o c e s sa n dt h ei t s r e s u l t s t h em a i ns t u d i e dc o n t e n t si nt h et h e s i sa x ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h em o t i o nc o n t r o la l g o r i t h mo fh y b r i dm a c h i n et o o l s - 6 p m 2i se s t a b l i s h e dw i t h6 d r i v i n gv a l u e s - x yc ，l 1 ，l 2 ，l 3d e d u c e df r o mt h ei n v e r s ek i n e m a t i cm o d e lb a s e do nt h e c u t t e rl o c a t i o ni d e aa n dt h ep o s em a t r i xc h i n ，a tt h es a m et i m et h en v e r s es o l u t i o no fp a s s i v e j o i n tf o rt h ep a r a l l e lm e c h a n i s mi sc a l c u l a t e d ，w h i c hp r o v i d eat h e o r e t i c a l b a s i sf o r t h e m o v e m e n ts i m u l a t i n ga n di n t e r f e r e n c ec h e c k i n go ft h em a c h i n et o o l s ( 2 ) t h el i n e a ri n t e r p o l a t i o na n dc i r c u l a ri n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mf o rt h es p a t i a lt o o lp a t h i n t e r p o l a t i o nw i t hi n t e r p o l a t i o na c c u r a c yi si n v e s t i g a t e d ，w h i c hc a ns u b d i v i d et h et o o lp a t h t h e c u t t e rr a d i u sc o m p e n s a t i o na l g o r i t h mo fs p a t i a lp l a n ei sa n a l y z e d ，w h i c hp r o v i d e sam e a n st o j u d g ew h e t h e rt h et r a n s i t i o ni ss h o r t e no re x t e n s i o n ，c a l c u l a t et h ep o s i t i o no fi n t e r s e c t e dp o i n t o ri n t e r r u p t e dp o i n ta f t e rt o o lr a d i u sc o m p e n s a t i o nt op l a yt h ef o u n d a t i o nf o rd e a l i n gw i t ht h e p a t ho fn c c o d ei ns i m u l a t i o n ( 3 ) t h e3 dr e a l - e n t i t yp r o t o t y p eo ft h eh y b r i dm a c h i n et o o l si sm o d e l e di na u t o c a d t h e m a c h i n i n gs i m u l a t i n gs o f t w a r ed r i v e nb yn cc o d ei sd e v e l o p e dw i t ho b j 纰x a c c o r d i n gt o k i n e m a t i c sm o d e l ，t h ea s s o c i a t e dm o v e m e n tm a c h i n et o o li sr e p r e s e n t d ，w h i c hc a nv a l i d a t et h e p r i n c i p l ea n dm a c h i n i n gp r o c e s sf o rt h eh y b r i dm a c h i n et 0 0 1 t h eb a rl e n g t ha n de a c hj o i n t a n g l eo ft h ep a r a l l e lm e c h n a n i s ma r ei n s p e c t e dt ov e r i f yw h e t h e r t h o s ee x c e e dt h el i m i t e dv a l u e ， a st h o s eo ft h es e r i e a lm e c h a n i s mi np r o c e s ss i m u l a t i o nc o n d i t i o n s t h ec o l l i s i o nd e t e c t i n g i l l 西安理工大学硕士学位论文 a n di n t e r f e r e n c e c h e c k i n ga r ep e r f o r m e d t oe x a m i n et h ec o r r e c t n e s so fn cc o d e a f t e r s i m u l a t i o np r o c e s s i n gc o m p l e t e d ，t h ei d e n t i t yo ft h ef i n a lw o r k p i e c et om a c h i n i n gr e q u i r e m e n t s i si n s p e c t d ，w h i c hp r o v i d e st h eb a s i st os e l e c tt h er e a s o n a b l ep r o c e s sp a r a m e t e r s ，r e v i s ea n d o p t i m i z et h ep r o c e s s i n gp a t h ( 4 ) u s i n gd o u b l e f r e q u e n c yl a s e ri n t e r f e r o m e t e ra c h i e v e st h ep r e c i s i o ni n s p e c t i o no ft h e h y b r i dm a c h i n et o o l s 6 p m 2 ，i nw h i c ht h ed i s p l a c e m e n ta c c u r a c i e so ft h ex , y , ca x i si nt h ea s e r i a lp a r ta r em e a s u r e d m e a n w h i l e ，t h ee r r o rc o m p e n s a t i o ni sf u l f i l l e db yu s i n gp a m cm o t i o n c o n t r o lc a r d t h ee x p e r i m e n t e dr e s u l t ss h o wt h a tt h ee r r o rc o m p e n s a t i o ni sf e a s i b l ea n d e f f i c i e n t k e yw o r d s ：o b j e c t a r x ：m a c h i n i n gs i m u l a t i o n ：t o o li n t e r p o l a t i o n ：c u t t e rr a d i u sc o m p e n s a t i o n ： e r r o rc o m p e n s a t i o n t h et h e s i si s s u p p o r t e df i n a n c i a l l yb yt h ei n n o v a t i v ep r o j e c t o fx i a n u n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y “s t u d yo nd a t ap r o c e s s i n gm e t h o df o ro p e nc n cs y s t e mo fm u l t i a x i sc n c m a c h i n et o o l ( n o 1 0 2 - 2 1 0 3 0 3 ) ， 一 目录 目录 1 者论1 1 1虚拟轴数控机床介绍1 1 1 1 并联机床的特点1 1 1 26 p m 2 混联机床简介2 1 2数控加工仿真技术的研究和意义2 1 2 1数控加工仿真的意义2 1 2 2 国内外加工仿真技术的发展概况_ 一3 1 2 36 p m 2 混联机床数控加工仿真4 1 3混联机床精度检测与误差补偿的研究4 1 3 1混联机床的误差分析研究4 1 3 2 机床精度检测的方法5 1 3 3 机床精度误差补偿5 1 4本课题的目的及意义。6 1 5本课题的内容。6 2混联数控机床控制算法7 2 1混联数控机床的运动学7 2 1 16 p m 2 混联机床结构7 2 1 2机床运动学逆解的求解方法7 2 2基于刀位算法的混联机床运动学逆解求解。9 2 3 被动关节求解：1 2 2 4空间刀具插补的原理与实现。1 4 2 4 1 空间直线插补1 5 2 4 2空间圆弧插补1 5 2 5空间刀具半径补偿的原理与实现1 7 2 5 1b 刀具半径补偿1 7 2 5 2c 刀补的设计思想1 8 2 5 3程序段间转接情况分析1 9 2 5 4 刀具长度补偿原理与实现。2 5 2 6本章小结2 6 3混联机床加工仿真实现方法2 7 3 1加工仿真的开发环境2 7 3 1 1为何选用a u t o c a d 开发平台2 7 3 1 2a u t o c a d 二次开发工具a r x 2 7 3 2a r x 应用程序的创建2 7 3 2 1 设置v i s u a lc + + 开发环境。2 7 3 2 2创建项目文件3 0 3 2 3编辑a r x 程序的调用函数。3 0 3 3加工仿真a r x 程序开发3 1 3 3 1 添加对话框资源3 1 3 3 2仿真界面设计3 2 3 3 3 创建消息处理函数3 4 3 3 4刀具体与央具体的生成3 5 3 3 5 实体的渲染与消隐3 6 西安理工大学硕士学位论文 3 4加工仿真软件开发中的关键技术3 6 3 5本章小结3 9 4加工仿真系统设计4 0 4 1加工仿真系统结构4 0 4 1 1加工仿真系统的组成结构4 0 4 1 2加工仿真的组成模块4 0 4 2加工仿真系统主程序设计4 1 4 2 1混联机床零部件建模与装配4 1 4 2 2a r x 中机床运动部件的定义4 1 4 2 3 译 冯4 2 4 2 4加工仿真流程4 4 4 2 5编辑a r x 应用主程序4 5 4 3碰撞干涉检验。4 5 4 3 1干涉检验的内容4 5 4 3 2干涉检验方法4 5 4 4加工仿真实例4 7 4 5本章小结。4 9 5机床精度检测与补偿5 0 5 1误差分析与测量5 0 5 1 1误差的来源5 0 5 1 2提高机床几何精度的方法5 0 5 1 3误差补偿类型。5 0 5 1 4几何误差测量方法。5 1 5 1 5激光测试仪的系统组成5 2 5 2误差补偿的实现5 3 5 2 1螺距补偿和间隙补偿。5 3 5 2 2误差补偿步骤5 4 5 3补偿实验5 5 5 3 1x 轴运动精度测量和补偿5 5 5 3 2y 轴运动精度测量和补偿。5 8 5 3 3回转轴运动精度测量和补偿6 0 5 4本章小结6 3 6总结与展望6 4 6 1总结全文6 4 6 2 展望6 4 ；改谢6 5 参考文献6 6 攻读硕士期间发表的论文6 8 2 1 绪论 1 绪论 1 1 虚拟轴数控机床介绍 1 1 1 并联机床的特点 制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱。机床是制造产品的机器，是装备制造 业的核心设备。一个国家的机床制造水 平与能力，是国家综合水平与能力的重 要方面。我国在提高人民生活水平、加 强国防能力的社会主义建设中，以及参 与经济全球化的竞争中，机床技术的发 展和提高，无疑地将起到很大的作用n 1 。 并联机床( p a r a l l e lm a c h i n et 0 0 1 ) ，又 称为虚拟轴机床( v i r t u a la x i sm a c h i n e t 0 0 1 ) ，是一种知识密集型机构，实质上 它是现代机器人技术与机床结构技术结 合的产物，其原型是并联机器人操作机。 图1 1 所示为并联数控机床的结构图。 与实现等同功能的传统五坐标数控 机床相比，并联机床具有如下优点： 图1 1 并联数控机床的结构图 f i g 1 - 1 s t r u c t u r eo fn cp a r a l l e lm a c h i n et o o l ( 1 ) 刚度重量比大。因采用并联闭环静定或非静定杆系结构，且在准静态情况下，传 动构件理论上为仅受拉压载荷的二力杆，故传动机构的单位重量具有很高的承载能力。 ( 2 ) 响应速度快。运动部件惯性的大幅度降低有效地改善了伺服控制器的动态品质， 允许动平台获得很高的进给速度和加速度，因而特别适于各种高速数控作业。 ( 3 ) 环境适应性强。便于可重组和模块化设计，且可构成形式多样的布局和自由度组 合。在动平台上安装刀具可进行多坐标铣、钻、磨、抛光，以及异型刀具刃磨等加工。装 备机械手腕、高能束源或c c d 摄像机等末端执行器，还可完成精密装配、特种加工与测 量等作业。 ( 4 ) 技术附加值高。并联机床具有硬件简单，软件复杂的特点，是一种技术附加值很 高的机电一体化产品，因此可望获得高额的经济回报2 。这种新型机床完全打破了传 统机床结构的概念，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，从而使 高速、超高速加工更容易实现。可以说，并联机床被认为是本世纪最具有革命性的机床设 计突破，代表y z l 世纪机床发展的方向4 5 6 1 7 8 1 蚰。 但是，早期的虚拟轴机床多采用纯并联结构，经过近几年的实践发现，这类机床虽然 具有上述的优点，却还存在以下问题n o 】： ( 1 ) 旋转角度小，难以实现五坐标五面加工所需的大转角运动，移动行程短，不能满 西安理工大学硕士学位论文 足大、重型五坐标数控机床所需的长行程要求； ( 2 ) t 作空间一机构体积比小，占用场地大； ( 3 ) 驱动控制复杂； ( 4 ) 难以进行准确的精度补偿。 1 1 26 p m 2 混联机床简介 为了有效解决纯并联机床存在的这些问题，进一步研究既可有效扩大并联机床的移动 行程和旋转运动角度，又可保证高刚度、高精度和高速度的新型结构。近年来并联机床研 究领域出现一种明显的趋势，就是由纯并联结构向串并 联复合结构方向发展。我们称这种由串联机构和并联机 构复合组成的机床为混联机床。混联机床具有可控自由 度多、工作空间大、速度快、刚度高、造价低等众多优 点，正在成为高速、高效、高柔性加工设备的一个新的 发展方向。 西安理工大学机械自动化研究所与秦川机械发展股 份有限公司联合研制的6 p m 2 六轴混联数控机床采用3 轴 并联和3 轴串联的结构，并联轴的一端与电主轴相联，另 一端与龙门上端盖相联，通过伺服电机控制三轴的伸缩。 最大作业空间7 0 0 m m x 6 0 0 m m x 5 8 0 m m ，主轴摆动角度 1 3 0 0 ( 6 0 0 + 7 0 0 ) ，最大进给速度2 4 m m i n ，主轴转速最 高1 0 0 0 0 r m i n 。该机床特别适合形状复杂的零件加工， 如任意复杂立体的曲面加工，空间任意方向的轴孔加工， 图1 - 2 6 自由度混联机床实物图 f i g 1 - 2p r a c t i c a lo f6d o f s e r i e s - p a r a l l e lm a c h i n et o o l 其加工工艺范围大。图1 2 所示为6 p m 2 混联机床的实物图。 1 2 数控加工仿真技术的研究和意义 1 2 1 数控加工仿真的意义 从工程的角度来看，仿真就是通过对系统模型的实验去研究一个已有的或设计中的系 统。分析复杂的动态对象，仿真是一种有效的方法，可以减少风险，缩短设计和制造的周 期，并节约投资。数控加工仿真是利用计算机来模拟实际的加工过程，验证数控加工程序 的可靠性和预测切削过程的有力工具n ，减少工件的试切，提高生产效率。 在实际的制造系统中，经过c a d c a m 系统的零件，在正式加工之前，一般要进行试 切这一步骤。试切的过程也就是对c a d c a m 系统生成的n c 程序的校验过程。这一过程 是由于零件复杂度的增加使得n c 程序变得越来越长和复杂化，相应的n c 代码的错误率也 越来越高n 羽，相关的统计数据表明：对3 轴以上的铣削加工代码，其错误率更高。如果 n c 程序生成不正确，就会造成过切、少切，或加工出废品，也可能发生零件与刀具，刀 具与夹具，刀具与工件的干涉和碰撞，不仅很危险，而且直接影响加工的成本。 2 舟 一 脚 1 绪论 数控加工仿真技术是随着计算机技术、叫。蝴技术、计算机图形学、计算机仿真 等多门学科的发展而逐渐发展起来的。概括地讲，数控加工仿真就是利用计算机软件来模 拟数控加工过程，并将加工过程和加工结果中的信息在计算机中用图形、数字、图表等方 式表达出来，以达到供人们判断、验证和控制数控加工过程和结果的正确性、合理性以及 加工效率高低等目的的方法。利用计算机仿真技术对加工过程进行仿真来校验n c 代码方 便而且非常可靠，它可以在计算机上模拟出加工走刀和零件切削的全过程，直接观察在切 削过程中可能遇到的问题，对轨迹进行修改和优化，反复调试直到得到满意的结果，并且 不占用和消耗实际的机床、工件等资料。同时利用计算机仿真加工还可以带来许多新的优 点和用途，实现一些以前无法完成的工作可以预先对加工结果进行估计，统计各种加 工数据并对加工过程进行优化，实现智能化加工。 由于混联机床实际应用时大量的工作需要计算机来完成，进行数字控制、轨迹规划、 加工编程等软件方面的工作，因此计算机仿真一方面可以验证理论的正确性，另一方面可 以为应用系统提供软件基础，将仿真软件中的思想方法进一步扩展，可以形成数控机床的 系统软件部分。作为人机交互的界面，图形仿真则直观、生动的反映了机构运动的动态过 程，是模型、建模人员和用户之间的良好通信媒体，便于了解机构的工作原理，也便于操 作人员发现数控编程的错误，验证离线编程的结果，从而在正式加工之前将错误减小到最 低程度。另外，图形也为结构设计人员提供了形象的参考。把计算机仿真技术引入到零件 的数控加工当中，可以形象、直观地模拟数控加工的全过程，是c a d c a p p c a m 技术研 究的重要内容。 1 2 2 国内外加工仿真技术的发展概况 9 0 年代出现的以虚拟制造技术为代表的创新制造技术，迅速地成为科技界和企业界的 研究热点之一，工业发达国家率先进行了虚拟制造及加工技术的研究和应用。 美国国家自然科学基金会资助伊利诺依大学、西北大学等8 所大学和工业界联合成立 研究机构( m a c h i n et 0 0 1 a g i l em a n u f a c t u r i n gr e s e a r c hi n s t i t u t e ，m t - a m r i ) 进行机械加工过 程模型的研究，研究内容包括车、铣、钻等加工形式，涉及到有关切削力、振动、切屑形 成、工件表面质量等诸多方面u 硼。 在欧洲英国b a t h 大学机械工程系用o p e n l n v e n t o r 2 0 软件工具开发出了基于自己的 s v l i s 几何造型工具的仿真系统。英国l e e d s 大学计算机研究学院、l o u g h b o r o u g h 大学、 h e r r i o t w a t t 大学机械与化学工程系也进行着数控仿真的研究。意大利b o l o g n a 大学用b 样 条曲面建立端铣刀与工作台模型，采用真实感图形显示铣床精加工过程。 加拿大的b r i t i s hc o l u m b i a 大学，m c m a s t e r 大学，德国d a r m s t a t t 技术大学计算机图形研 究所，新加坡制造技术研究院，比利时虚拟现实协会，韩国p o h a n g 理工大学等先后成立了 研究机构，展开虚拟制造仿真技术的研究n 钔。 国外起步较早，研究成果较多，核心技术已经掌握。已有功能强大的商业化软件面世， 大多集中在几何仿真方面。 3 西安理工大学硕士学位论文 我国许多科研院所也对虚拟数控加工仿真技术做了大量的研究，并取得许多成果。清 华大学以肖田元教授为首的研发人员研制的加工过程仿真器g p m s ，可以支持三轴至五轴 的镗铣类数控加工，支持的控制器类型有p l a s m a 、m a k i n o 、m a h o o 及f a n u c 各系列n 5 1 。 哈尔滨工业大学开发的数控加工过程三维动态图形仿真器n c m p s 系统是以实体造型 为基础，用数控程序驱动机床运动的仿真器，是国内在数控加工验证领域内的代表u 酗。 华中理工大学开发的n c p v s s 系统，具有数控铣削加工过程仿真功能，即通过生成刀 具轨迹，由三维动画显示数控加工过程，以此发现数控程序错误n 7 j 。南京宇航自动化研 究所也在这一方面进行了研究并研制出了宇航数控加工仿真软件，该软件可以进行比较逼 真的机床三维仿真n 引。 国内研究工作起步较晚，目前研究单位主要为高校和一些研究所。研究的重点和方向 主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 研究仿真系统的图形显示技术。用以实现仿真过程的三维真实感模型显示，以及 三维图形的交互。 ( 2 ) 研究数控加工仿真中的建模。 ( 3 ) 研究数控切削加工仿真中的干涉碰撞检测算法。 1 2 36 p m 2 混联机床数控加工仿真 6 p m 2 混联机床的运动受自身机构特点限制，如伸缩杆的伸缩长度限制、球铰副的摆 角限制、回转副摆角限制等约束。因此，机床只能在一定的工作空间内进行加工运动。当 加工复杂表面工件时，从直观上很难判定加工过程是否会发生超出限制条件的情况。因此， 加工之前必须对混联机床的加工过程进行仿真，验证机床是否在安全工作范围之内。所以， 建立该机床的三维实体模型，并进行加工仿真对生产加工具有实际意义。 本文以计算机辅助设计软件a u t o c a d 作为仿真平台，应用其二次开发工具 o b j e a a r x ，以v i s u a lc + + 为软件开发环境，开发了一种基于n c 代码驱动的加工仿真软 件。将手工编程或u g 生成的n c 代码经过格式变换为只含有刀尖点坐标和两个转动轴转 角的文件，经过直线插补与圆弧插补对加工轨迹进行离散，得到编程坐标系中刀尖点的坐 标数据，再经由工件坐标系到机床坐标系的运动学变换后，得到机床坐标系下的坐标数据， 提取通过反解方程得到并联驱动杆和串联轴数据，调用a r x 程序函数把各个驱动杆和串 联轴移动到规定的值，按照机床运动约束的作用，被动关节旋转一定的角度，刀具在3 个杆和各轴串联的驱动下达到正确位姿，实现混联机床的运动仿真。 1 3 混联机床精度检测与误差补偿的研究 1 3 1 混联机床的误差分析研究 数控技术的快速发展和大量应用，数控机床加工精度级别已经成为衡量一个国家工业 发展水平的重要标志。数控技术集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制的高 新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集 4 1 绪论 成化、智能化起着举足轻重的作用，因此，数控机床加工精度的研究受到了国内外学者越 来越多的重视。 混联机床是机器人技术与机床设计技术相结合的产物，涉及到许多现代控制、现代测 量、建模仿真等高新技术。因此，有大量理论研究工作需要进一步深入进行。其中误差分 析研究是一个重要的研究方向。 混联机床虽然比串联结构机床大大减少了传动误差的积累，但仍然存在着许多其它影 响加工精度的因素。如机床的制造和安装误差、r 关节和球铰的间隙、驱动杆杆长偏差对 动平台位置精度的影响等等。国内外一些学者对此进行了专门的研究并建立了相应的精度 分析模型1 9 2 0 1 ，研究提高机床加工精度的方法。 1 3 2 机床精度检测的方法 随着机械、电子、光学业的迅速发展，对机床的检测精度要求也越来越高。目前，国 内外用来检测数控机床几何误差的方法很多，常见的有：一维球列法、球柄仪测量法、正 交光栅测量法、以及应用最为广泛的激光干涉测量法t 2 1 1 。 激光测试技术是近年来发展迅速的一种新型检测技术。激光有许多特性：首先，激光 是单色的，或者说是单频的。有一些激光器可以同时产生不同频率的激光，但是这些激光 是互相隔离的，使用时也是分开的；其次，激光是相干光。相干光的特征是其所有的光波 都是同步的，整束光就好像一个“波列 ；最后，激光是高度集中的，也就是说它要走很 长的一段距离才会出现分散或者收敛的现象。因此，激光不仅方向性强，亮度高，而且单 色性好，相干性好。 激光测试技术用于检测工作主要是利用激光的优异特性，将它作为光源，把被测对象 的移动距离通过光电变换系统转变成电信号，再由计算机进行实时数据处理，给出测量结 果，并数字显示。激光测试具有测量精度高、测量范围大、测量时间短、非接触式等优点， 常用于测量长度、移动、速度、振动等参数。激光测试是一种基于光学技术、现代激光、 电子学、计算机、精密机械等多学科技术于一体的检测方法，基于激光测试技术的各种优 点，激光测试技术在工业领域已经得到了广泛应用。 1 3 3 机床精度误差补偿 提高数控机床加工精度，可以采用误差防止和误差补偿两类措施。实践表明：提高数 控机床自身的制造和装配精度是保证加工精度的最稳定、最可靠、最有效的措施，但是由 于制造成本与制造精度呈几何级数关系增长，制造难度也随着制造精度的增长而加大，甚 至达到不可能的程度，因此，通过单纯的提高机床自身制造与装配精度的措施越来越难以 适应现代生产技术的要求。误差补偿技术不需要改变机床原有结构就能实现高精度加工， 因而可以高精度低成本的生产各类产品，符合现代生产的要求。从发展的观点来看，为满 足日益复杂的型面的高精度加工需求，对数控机床，特别是精密、超精密机床加工进行全 面计算机软件补偿，以提高精度和降低成本，是个必然的趋势。 5 西安理工大学硕士学位论文 补偿技术与传统的精化机床的方法不同，它不需要十分费力地去精确找出“病因 。 把众多的形成机床加工误差的因素视为一个不知其相互间作用内情的“黑盒”，而只针对 它最终出现的误差值予以自动修正。它不需对机床的结构和制造作重大变更，所需费用较 少且调整灵活，因而成为提高机床工作精度的一个良策。 1 4 本课题的目的及意义 论文结合陕西省机械制造装备重点实验室自主开发的6 自由度混联数控机床 6 p m 2 ，利用a u t o c a d 的二次开发工具o b j e c t a r x ，通过v i s u a lc + + 开发环境，研究开发 n c 代码驱动的混联机床数控加工仿真系统，进行加工过程碰撞干涉及过切欠切检查。并 对混联机床的串联部分进行精度检测和误差补偿。此次研发的意义在于： 本加工仿真系统不仅有助于解决目前数控加工程序检验难，成本高的问题，也为数控 设备培训提供了一种新方法，对于操作人员熟悉复杂的机床具有很强的沉浸感，可以使他 们快速了解复杂多自由度机床并能够正确地操作。以n c 代码驱动机床运动部件运动，带 动刀具对工件进行虚拟切削，并实时动态显示加工过程，检查加工中是否有碰撞、干涉、 过切及欠切。在虚拟环境中检验n c 程序的正确性和加工的可行性，避免机床发生故障， 减少试切的工作量和废品率，缩短产品设计和加工周期。该软件不但对本机床有效，其大 多数函数具有通用性，可以不经改动直接应用于其他类型的机床功能仿真中。在数控加工 行业推广，可产生良好的经济及社会效益。新的刀具半径补偿方法可以实现空间面内的刀 具半径补偿，使得加工范围扩大，具有较强的应用价值。本文中的误差补偿方法简单高效， 可以在不提高机床部件精度的条件下，大大提高机床的运动精度。 1 5 本课题的内容 本文主要研究开发了混联数控机床加工仿真系统，同时检测了机床串联部分的定位精 度并进行误差补偿。论文的主要工作包括： ( 1 ) 简述混联机床的发展及特点，并阐述了加工仿真的研究意义。 ( 2 ) 根据混联机床的机构组成，用a u t o c a d 按照初始安装条件，建立机床的三维实体 模型。 ( 3 ) 混联机床进行运动学逆解求解。 ( 4 ) 混联机床被动关节角求逆解。 ( 5 ) 研究分析空间刀具直线插补、圆弧插补和刀具半径补偿。 ( 6 ) 以a u t o c a d 2 0 0 2 为仿真平台，o b j e c 愀为开发工具，v i s u a lc + + 6 0 为开发环境， 开发混联机床加工仿真系统。 ( 7 ) 对n c 代码进行校验，检查加工中混联机床有无碰撞干涉、工件有无欠切过切现象。 ( 8 ) 混联数控机床串联部分的定位精度检测和误差补偿。 6 2 混联数控机床运动控制算法 2 混联数控机床控制算法 2 1 混联数控机床的运动学 2 1 16 p m 2 混联机床结构 西安理工大学开发并与秦川机械发展股份有 限公司联合研制的6 p m 2 六轴混联数控镗铣床如 第一章图1 2 所示。采用了串联驱动和并联驱动并 用的混联驱动原理，兼有传统型数控机床( 串联驱 动) 和新型并联机床的优点。6 p m 2 混联机床由 3 - r p s 并联机构、三自由度的x y c 串联机构及床 身所组成，其中并联机构每个分支是由一个回转 副r 、一个移动副p 和一个球面副s 组成的串联运 动支链r p s ，并联部分具有纠，b - - 个自由度。因 此“工作空间机床体积 较大，克服了并联机床 回摆范围小的缺点，主轴头安装在动平台上回摆 超过9 0 。，可实现立、卧式加工。采用了滚滑复 合关节，提高了刚度。 6 p m 2 的总体布局如图2 1 。 图2 16 p m 2 混联机床总体布局 f i g 2 1w h o l el a y o u to f 6 p m 2 s e r i e s p a r a l l e lm a c h i n e 2 1 2 机床运动学逆解的求解方法 利用位姿矩阵链的思想，我们可以把6 p m 2 的总体算法分解为串联位姿矩阵和并联位 姿矩阵两部分。串联位姿矩阵是从定平台经过6 p m 2 的串联部分到达动平台的坐标变换， 而并联位姿矩阵则是从定平台经过6 p m 2 的并联部分到达动平台的坐标变换。下面分别介 绍利用传统算法以及针对c a m 刀位数据的刀位算法进行6 p m 2 整体运动学求逆解的过程。 3 - r p s 并联机构能够实现两个转动自由度a 、b 和一个移动自由度z ，结构