多轴并联动螺材型作业车床扼制体系主要技艺

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1、要求选择的控制系统既有强大的功能、很高的可靠性，同时具有良好的开放性，以便于上述功能的开发和实现。经过调研和比较，采用了上下位机的体系结构，软件框图如所示。上位机控制系统软件框图采用基于Windows操作系统的工业计算机，完成非实时控制功能，下位机采用开放式运动控制器，完成实时控制功能。通过上位机开发的控制软件和对运动控制器的二次开发，可以很好地实现通用功能和特殊功能。　　系统软件分为上位机的人机接口部分和下位机的实时控制部分，两个部分通过以太网的TCP/IP协议交换信息，其结构框图如所示。双电机消除间隙结构示意图23旋转2直线五轴联动插补技术从机床结构可以知道，在使

2、用标准铣头加工非重叠面和特殊铣头加工重叠面时，分别使用两套不同的附件铣头进行加工。标准铣头采用X，Z，B1，C1，C2联动进行加工；特殊铣头采用X，Z，A2，B2，C2联动进行加工。　　与通用的带两个摆动轴的3直线2旋转的机床结构相比，该机床结构最大不同之处是：通用的工作台是采用两个直线轴的直角坐标来实现工件和刀具的相对移动，而它是采用一个直线轴和一个旋转轴的极坐标来实现工件和刀具的相对移动的，同时工作台的转动和刀具的转动共同改变了刀具在XOY平面内的偏角，即存在两个平行的旋转轴。这样就可以把插补算法分解成标准的五轴联动插补算法和坐标系投影两个步骤来实现。　　为了简单

3、起见，针对标准铣头进行讨论，特殊铣头的插补方法基本相似。　　设标准五轴联动插补算法求出刀尖所在的目标空间位置和法矢为（x1，y1，z1，L1，T1），此时对应电机的转动位置为（P1，P2，P3，P4，P5）（P1，P2，，，P5分别对应X，Z，B1，C1，C2轴的电机）。　　显然存在一个映射关系f，使得（x1，y1，z1，L1，T1）f（P1，P2，P3，P4，P5）。　　（1）如果能在每个插补周期实时得到映射关系f，就可以根据标准的五轴联动插补结果求取每个插补周期的电机的目标位置坐标（P1，P2，P3，P4，P5），进而求得电机的运动增量。　　根据机床结构，{z1，

4、L1}y{P2，P3}是直接映射的，而{x1，y1}y{P1，P5}相当于正交坐标到极坐标的映射，{T1}y{P4，P5}为线性叠加，同时考虑到旋转轴角度变化对空间位置的影响，可以得到x1-R1cosT1+cosP4=P1cosP5；y1-R1sinT1+sinP4=P1sinP5；P2=z1；P3=L1；P4+P5=T1，（2）式中R1为标准坐标系中旋转轴运动到目标角度时刀尖到回转中心的距离在XOY平面的投影，可以根据摆动轴的摆动半径和角度求出。　　由式（2）可以求出（P1，P2，P3，P4，P5），为了实现式（2）这种非线性关系，必须能实时读取标准坐标系的插补结果

5、，开放式运动控制器提供了这种可能。在运动控制器中定义了两个坐标系：一个是虚拟轴的坐标系，可以完成标准配置的3直线2旋转运动插补运算，但它不包含实际电机；另外一个真实轴的坐标系对应于实际的机床驱动电机，运行于后台。在每台插补周期读取虚拟坐标系的插补结果，经过式（2）运算后得出每台电机的运动量，然后利用样条指令完成实际进给。这样就可以利用运动控制器提供的标准的五轴联动插补算法，将其插补结果进行二次投影，实现3旋转2直线的五轴联动插补及在线刀具补偿功能，同时可以与通用的CAD/CAM系统兼容。　　双电机消除间隙技术采用如所示的双电机驱动，通过增加反向预紧力的方法来达到消除传

6、动间隙的目的。要消除传动间隙，就要保证两台电机的输出转矩方向是相反的，两台电机的输出转矩的差决定了工作台的旋转方向。　　双电机消除间隙控制框图系统控制框图如所示：两台驱动器均工作于转矩工作方式，伺服控制采用速度、位置双反馈的PID+前馈控制算法，其输出经处理后保证工作台朝一个方向旋转时一台电机起驱动作用，另外一台电机输出反方向的张力以保证电机需要改变方向时没有传动间隙产生。两台电机输出转矩的计算公式如下：T1=TT/2+$T/2；T2=-TT/2+$T/2，（3）式中：TT为消除间隙的张紧转矩；$T为位置控制器算出的转矩控制量。TT要根据实际机床工作情况动态选取，在保

7、证消除间隙的前提下尽量减少电机发热。为了防止冲击，惯性阻尼环节是必须的。　　定义一个虚拟轴来完成伺服控制算法，它的位置反馈来自于旋转工作台的圆光栅，速度反馈来自于驱动系统的位置反馈信号，其处理结果为$T，通过式（3）在每个伺服周期得出T1和T2，直接通过D/A转换控制两台驱动系统。　　由于工作台在铣削加工时的旋转速度非常低，显然从电机的码盘读取速度反馈可以提高系统的低速平稳性。但是要注意根据旋转方向的不同正确切换两台电机速度反馈信号，始终以主动电机的位置反馈信号作为速度反馈源，以防止机械误差引起速度反馈的波动。　　螺旋桨加工精度直接影响了船舶运行效率