專利名稱：加工船用螺旋槳并聯(lián)機床空間螺旋線數(shù)控插補系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用并聯(lián)機床加工船用螺旋槳的空間螺旋線數(shù)控系統(tǒng)插補和裝置，具體包括空間螺旋線插補，位置伺服控制和速度控制，并聯(lián)機床軟硬件結(jié)構(gòu)等。
背景技術(shù)：
船舶用螺旋槳的五軸聯(lián)動加工由于串聯(lián)機構(gòu)的運動范圍問題和剛度問題，大型設(shè)備的加工起來十分困難，而且精度很低，并聯(lián)機床的剛度和工作空間以及結(jié)構(gòu)卻有很大的優(yōu)勢，加工船舶用螺旋槳用并聯(lián)機床是個很好的選擇。為此，采用李代數(shù)和解析法解決并聯(lián)機床的正、反解問題，而且算法直觀而簡潔。本發(fā)明主要涉及并聯(lián)機床加工船用螺旋槳的數(shù)控控制問題，具體的講包括空間螺旋線插補，位置伺服控制和速度控制，并聯(lián)機床軟硬件結(jié)構(gòu)。根據(jù)專利“3-2-1結(jié)構(gòu)六自由度正交并聯(lián)機床(申請?zhí)?3102884. 5) ”、“兩維移動一維轉(zhuǎn)動空間三軸并聯(lián)機床結(jié)構(gòu)(申請?zhí)?0105932. 7)”、“可重組三、四、五軸并聯(lián)機床(申請?zhí)?00122181. 7) ”、“五自由度并聯(lián)機床(申請?zhí)?200810162510. 3) ”、“一種用于并聯(lián)機床的光纖輸出激光器(申請?zhí)?00620025722. 3) ”、“新型三維移動兩維轉(zhuǎn)動并聯(lián)機床(申請?zhí)?3135428. 9) ”和“用于可重構(gòu)并聯(lián)機床的模塊化驅(qū)動支鏈結(jié)構(gòu)(申請?zhí)?3137758. 0) ” 等分析，國內(nèi)還未發(fā)現(xiàn)有采用空間螺旋線插補這方面研究的專利，數(shù)控系統(tǒng)還很不完善和規(guī)范。有些研究者只對并聯(lián)機床加工船用螺旋槳的某一方面進(jìn)行了部分研究，如王知行， 陳輝發(fā)表在《機械設(shè)計與研究》(2003年第6期)“并聯(lián)機床加工船用螺旋槳及CAM技術(shù)研究”，陳光明發(fā)表在《機床與液壓》O010年第11期)的文章“基于并聯(lián)機床的汽輪機葉片數(shù)控加工技術(shù)研究”，孫立兵，董旭，呂玉梅發(fā)表在北華航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報(2009年第3期) 的文章“基于VC的三自由度并聯(lián)機床數(shù)控系統(tǒng)軟件開發(fā)”，李濱城，楊丹，顧金鳳發(fā)表在《機械設(shè)計與制造》O010年第8期)的文章“基于EMC2的并聯(lián)運動機床的控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真”，馬明明，王友林，李娟發(fā)表在《山東理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)》(2010年第3期)的文章“一種六桿并聯(lián)機床數(shù)控系統(tǒng)程序設(shè)計”等分析，國內(nèi)還沒有涉及到加工船用螺旋槳并聯(lián)機床空間螺旋線數(shù)控系統(tǒng)插補和裝置方面的報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的就是要提供一種利用李代數(shù)和解析法原理和分析技術(shù)，解決加工用船用螺旋槳葉片并聯(lián)將機床的正、反解問題， 而且算法直觀而簡潔。本發(fā)明內(nèi)容具體包括空間螺旋線數(shù)控插補，位置伺服控制和速度控制，并聯(lián)機床軟硬件結(jié)構(gòu)等。本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案本發(fā)明加工船用螺旋槳并聯(lián)機床空間螺旋線數(shù)控插補系統(tǒng)，其特征在于由輸入輸出裝置、CNC裝置、可編程控制器、主軸控制單元、主軸電機、伺服驅(qū)動單元、進(jìn)給伺服電機和位置檢測裝置組成，其中輸入裝置和位置檢測裝置的輸出端分別接CNC裝置的輸入端，CNC 裝置的輸出端分別接可編程控制器和伺服驅(qū)動單元的輸入端，可編程控制器的輸出端依次串接主軸控制單元、主軸電機后接并聯(lián)機床的輸入端，伺服驅(qū)動單元的輸出端串接進(jìn)給伺服電機后接并聯(lián)機床的輸入端，并聯(lián)機床的輸出端接位置檢測裝置的輸入端。加工船用螺旋槳并聯(lián)機床空間螺旋線數(shù)控插補系統(tǒng)的插補方法，如下根據(jù)進(jìn)給速度，將給定的輪廓曲線分割為每一插補周期的進(jìn)給段，即輪廓步長；每一插補周期，執(zhí)行一次插補運算，計算出下一個插補點坐標(biāo)，用并聯(lián)機床專有的反解算法計算出下一個周期各桿的桿長增量，即第一至第六桿長增量Δ I1, Δ I2, Δ I3, Δ I4, Δ I5, Δ I6, 從而得出下一個插補點的指令位置；下一個周期的桿長增量與指令的桿長增量進(jìn)行比較， 得出桿長誤差，再根據(jù)桿長誤差對桿的伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制。所述插補周期可以等于采樣周期，也可以是采樣周期的的整倍數(shù)。本發(fā)明由并聯(lián)機床的數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)和進(jìn)給伺服系統(tǒng)等內(nèi)容組成。重點是螺旋線插補的擴(kuò)展數(shù)字積分法插補算法，得出了進(jìn)給速度的限制條件，給出了螺旋線插補的插補軟件流程。采用ΜΒ8739芯片做并聯(lián)機床的伺服系統(tǒng)。并聯(lián)機床具有模塊化程度高、剛度高、剛度重量比大、動態(tài)性能好、響應(yīng)速度快、適應(yīng)性強、容易實現(xiàn)多軸聯(lián)動等優(yōu)點，非常適用于船用螺旋槳葉片等復(fù)雜曲面的加工。


圖1嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的組成；
圖2并聯(lián)機床數(shù)控系統(tǒng)軟件構(gòu)成；
圖3并聯(lián)機床數(shù)控系統(tǒng)的硬件組成
圖4螺旋線數(shù)據(jù)采樣插補軟件流程
圖5并聯(lián)機床的伺服系統(tǒng)的組成。
具體實施例方式并聯(lián)機床CNC系統(tǒng)是一種位置(軌跡)、速度(還包括電流)控制系統(tǒng)，其本質(zhì)上是以機床的多個執(zhí)行部件(各運動軸)的位移量、速度為控制對象，并使其運動軌跡要求協(xié)調(diào)，且是一種配有專用操作系統(tǒng)的計算機控制系統(tǒng)。由輸入輸出設(shè)備、數(shù)控裝置、可編程控制器、主軸驅(qū)動裝置和進(jìn)給伺服驅(qū)動轉(zhuǎn)置組成。如附圖1所示。并聯(lián)機床CNC主要工作是通過各種輸入方式，接受機床加工船用螺旋槳葉片的各種數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過CNC裝置譯碼，再進(jìn)行計算機的處理、運算，轉(zhuǎn)換為各桿的運動量并送到各個桿的驅(qū)動電路，經(jīng)過轉(zhuǎn)換、放大去驅(qū)動伺服電動機，帶動各桿運動。并進(jìn)行實時位置反饋控制，使各個坐標(biāo)軸能精確地走到所要求的位置。并聯(lián)機床CNC裝置的功能能滿足用戶操作和機床控制要求的方法和手段。內(nèi)容包括基本功能——數(shù)控系統(tǒng)基本配置的功能， 即必備功能；選擇功能——用戶可根據(jù)實際要求選擇的功能。CNC的功能主要反映在準(zhǔn)備功能G指令代碼和輔助功能M指令代碼上。其中控制功能、插補功能、準(zhǔn)備功能、主軸功能、 進(jìn)給功能、輔助功能、字符顯示功能、自診斷功能等屬于基本功能，而補償功能、圖形顯示功能、通信功能、網(wǎng)絡(luò)功能和人機對話編程功能則屬于選擇功能。并聯(lián)機床數(shù)控系統(tǒng)是一個多任務(wù)且實時的專用系統(tǒng)，屬于系統(tǒng)軟件，其操作系統(tǒng)具備實時性，由管理軟件和控制軟件組成。管理軟件包括零件程序的管理程序、顯示處理程序、零件程序的輸入輸出管理程序、故障診斷處理程序等?？刂栖浖ň幾g處理程序、刀具補償計算程序、速度處理程序、插補運算程序、位置控制程序、機床輸入輸出控制程序、主軸控制程序等。具體組成見附圖2所示。具有多任務(wù)并行處理和實時中斷處理的特點，中斷類型包括外部中斷、內(nèi)部定時中斷、硬件故障中斷和程序性中斷。并聯(lián)機床的硬件擁有實現(xiàn)加工船用螺旋槳葉片復(fù)雜零件的特定功能模塊和接口單元，包括主軸控制卡、位置控制卡、PLC接口、網(wǎng)絡(luò)接口等。并聯(lián)機床的硬件如附圖3所示。并聯(lián)機床插補計算對數(shù)控系統(tǒng)輸入基本數(shù)據(jù)(如直線的起點、終點坐標(biāo)，圓弧的起點、終點、圓心坐標(biāo)等)，根據(jù)加工精度(進(jìn)給速度)的要求，運用并聯(lián)機床用數(shù)控螺旋線插補算法，得到各坐標(biāo)的瞬時值，并運用并聯(lián)機床專用設(shè)置的反解算法得到各個桿的桿長增量，將結(jié)果送入相應(yīng)桿的控制子系統(tǒng)，從而實現(xiàn)加工零件目的。本螺旋線數(shù)控插補算法的指標(biāo)具有穩(wěn)定性指標(biāo)、插補精度指標(biāo)、合成速度的均勻性指標(biāo)、算法盡可能簡單等。數(shù)據(jù)采樣插補是根據(jù)進(jìn)給速度，將給定的輪廓曲線分割為每一插補周期的進(jìn)給段，即輪廓步長。每一插補周期，執(zhí)行一次插補運算，計算出下一個插補點坐標(biāo)，用并聯(lián)機床專有的反解算法計算出下一個周期各桿的桿長增量，即Δ I1, Δ I2, Δ I3, Δ I4, Δ I5, Δ I6 等，從而得出下一個插補點的指令位置。與脈沖增量插補不同，數(shù)據(jù)采樣插補得出的是二進(jìn)制表示的桿長增量，也就是下一插補周期中，輪廓曲線上的進(jìn)給段在關(guān)節(jié)空間的映像。計算機定時對坐標(biāo)的實際位置進(jìn)行采樣，用并聯(lián)機床專有的反解算法計算出新的桿長增量， 新的桿長增量與指令的桿長增量進(jìn)行比較，得出桿長誤差，再根據(jù)桿長誤差對桿的伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制，達(dá)到消除誤差、使實際桿長跟隨指令桿長，從而達(dá)到實際位置跟隨指令位置的目標(biāo)。插補周期可以等于采樣周期，也可以是采樣周期的的整倍數(shù)。對螺旋線插補而言，動點在一個插補周期的運動的直線段以弦線逼近螺旋線。用弦線逼近弧線，會產(chǎn)生逼近誤差 ^。采用李代數(shù)和解析法原理和技術(shù)方法，螺旋線數(shù)據(jù)采樣插補的軟件流程如附圖4所示， 圖中的幾個函數(shù)定義如下右螺旋線插補時，Sx和Sy的計算式為
權(quán)利要求
1.一種加工船用螺旋槳并聯(lián)機床空間螺旋線數(shù)控插補系統(tǒng)，其特征在于由輸入輸出裝置、CNC裝置、可編程控制器、主軸控制單元、主軸電機、伺服驅(qū)動單元、進(jìn)給伺服電機和位置檢測裝置組成，其中輸入裝置和位置檢測裝置的輸出端分別接CNC裝置的輸入端，CNC裝置的輸出端分別接可編程控制器和伺服驅(qū)動單元的輸入端，可編程控制器的輸出端依次串接主軸控制單元、主軸電機后接并聯(lián)機床的輸入端，伺服驅(qū)動單元的輸出端串接進(jìn)給伺服電機后接并聯(lián)機床的輸入端，并聯(lián)機床的輸出端接位置檢測裝置的輸入端。
2.一種如權(quán)利要求1所述的加工船用螺旋槳并聯(lián)機床空間螺旋線數(shù)控插補系統(tǒng)的插補方法，其特征在于所述方法如下根據(jù)進(jìn)給速度，將給定的輪廓曲線分割為每一插補周期的進(jìn)給段，即輪廓步長；每一插補周期，執(zhí)行一次插補運算，計算出下一個插補點坐標(biāo)，用并聯(lián)機床專有的反解算法計算出下一個周期各桿的桿長增量，即第一至第六桿長增量Δ I1, Δ I2, Δ I3, Δ I4, Δ I5, Δ I6，從而得出下一個插補點的指令位置；下一個周期的桿長增量與指令的桿長增量進(jìn)行比較，得出桿長誤差，再根據(jù)桿長誤差對桿的伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的加工船用螺旋槳并聯(lián)機床空間螺旋線數(shù)控插補系統(tǒng)的插補方法，其特征在于所述插補周期可以等于采樣周期，也可以是采樣周期的的整倍數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種加工船用螺旋槳并聯(lián)機床空間螺旋線數(shù)控插補系統(tǒng)及方法，所述系統(tǒng)由輸入輸出裝置、CNC裝置、可編程控制器、主軸控制單元、主軸電機、伺服驅(qū)動單元、進(jìn)給伺服電機和位置檢測裝置組成。所述方法如下根據(jù)進(jìn)給速度，將給定的輪廓曲線分割為每一插補周期的進(jìn)給段，即輪廓步長；每一插補周期，執(zhí)行一次插補運算，計算出下一個插補點坐標(biāo)，用并聯(lián)機床專有的反解算法計算出下一個周期各桿的桿長增量，即第一至第六桿長增量Δl1，Δl2，Δl3，Δl4，Δl5，Δl6，從而得出下一個插補點的指令位置；下一個周期的桿長增量與指令的桿長增量進(jìn)行比較，得出桿長誤差，再根據(jù)桿長誤差對桿的伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制。本發(fā)明動態(tài)性能好、響應(yīng)速度快、適應(yīng)性強。
文檔編號G06F17/50GK102222143SQ20111016814
公開日2011年10月19日 申請日期2011年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月21日
發(fā)明者仝永海, 方喜峰, 趙若愚 申請人:江蘇科技大學(xué)