一种进给轴随AB轴摆动的五轴数控制孔机床正反解方法技术

本发明专利技术公开了一种进给轴随AB轴摆动的五轴数控制孔机床正反解方法，包括如下步骤：(1)在异型五轴数控制孔机床中，建立设备基坐标系、各运动轴子坐标系和刀具坐标系；绘制坐标系定义图，使各子坐标系与设备基坐标系的坐标轴方向保持一致。(2)对异型五轴数控制孔机床作运动学分析，建立正向运动学模型。(3)根据异型五轴数控制孔机床的目标位姿和正向运动学模型，建立关节量的方程组，推导其逆向运动学模型。该方法实现了对进给轴随AB轴摆动的异型五轴数控制孔机床的运动学正反解，为机床运动控制奠定基础。

【技术实现步骤摘要】
一种进给轴随AB轴摆动的五轴数控制孔机床正反解方法
本专利技术涉及飞机装配技术与装备领域，尤其涉及一种进给轴随AB轴摆动的五轴数控制孔机床正反解方法。
技术介绍
飞机装配很大程度上决定了飞机的最终质量、制造成本和交货周期，是飞机制造过程中的关键和核心技术。其中，预连接是飞机装配中的重要工艺，是保证后续制孔加工精度和飞机装配质量的重要环节。实现自动化预连接是全面实现飞机装配自动化进程中不可缺少的一部分。该异型五轴数控制孔机床是飞机装配中重要的自动化制孔与预连接设备，能够自动完成制孔、插钉、旋钉等操作。该机床依次有X、Y、B、A、Z五个运动轴，采用平动轴与转动轴交叉分布的结构形式，与通用五轴机床中先平动轴后转动轴的结构形式不同，导致西门子五轴联动包不能直接用于该异型五轴数控制孔机床。针对异型五轴数控制孔机床中进给轴随AB轴摆动的特殊结构，亟需提出一种可行的运动学正反解算法，用于机床的运动控制，以实现自动化预连接操作，从而提高飞机装配自动化程度。
技术实现思路
本专利技术为克服现有技术的不足，本专利技术提出一种进给轴随AB轴摆动的五轴数控制孔机床正反解方法，可实现对异型五轴数控制孔机床的运动学正反解，以实现自动化预连接操作，从而提高飞机装配自动化程度。本专利技术的技术方案为：一种进给轴随AB轴摆动的五轴数控制孔机床正反解方法，包括如下步骤：(1)在异型五轴数控制孔机床中，建立设备基坐标系、各运动轴子坐标系和刀具坐标系，并绘制坐标系定义图，使各子坐标系与设备基坐标系的坐标轴方向保持一致；(2)对异型五轴数控制孔机床作运动学分析，建立正向运动学模型；(3)根据异型五轴数控制孔机床的目标位姿和正向运动学模型，建立关节量的方程组，推导其逆向运动学模型。所述的步骤(1)的具体步骤如下：(1.1)定义异型五轴数控制孔机床中的各坐标系：基坐标系Obase，各运动轴子坐标系OX、OY、OB、OA、OZ，刀具坐标系OT；(1.2)绘制异型五轴数控制孔机床的坐标系定义图，各子坐标系的坐标轴方向与设备基坐标系的坐标轴方向一致。所述的步骤(2)的具体步骤如下：(2.1)对异型五轴数控制孔机床作运动学分析，分别计算各运动轴的齐次变换矩阵：其中，是从坐标系Obase到坐标系OX的理想齐次变换矩阵，从坐标系OX到坐标系OY的理想齐次变换矩阵、从坐标系OY到坐标系OB的理想齐次变换矩阵、从坐标系OB到坐标系OA的理想齐次变换矩阵、从坐标系OA到坐标系OZ的理想齐次变换矩阵、从坐标系OZ到坐标系OT的理想齐次变换矩阵，d1,d2,θ3,θ4,d5分别是异型五轴数控制孔机床X、Y、B、A、Z轴的关节量；x6,y6,z6是最后一个运动轴子坐标系到刀具坐标系在x,y,z方向的位移偏置；(2.2)建立异型五轴数控制孔机床的正向运动学模型：其中，是理想情况下从基坐标系Obase到刀具坐标系OT的齐次变换矩阵，即为异型五轴数控制孔机床的正向运动学模型，表示异型五轴数控制孔机床末端的理论位姿；R(q)为3×3的刀具坐标系的姿态矩阵，P(q)为3×1的刀具坐标系的位置矩阵，姿态矩阵中，[r11,r21,r31]T是刀具坐标系X轴的姿态向量，[r12,r22,r32]T是刀具坐标系Y轴的姿态向量，[r13,r23,r33]T是刀具坐标系Z轴的姿态向量。所述的步骤(3)的具体步骤如下：(3.1)根据工件表面的法向及制孔位置要求，将异型五轴数控制孔机床的末端目标位姿表示为：其中，Td为刀具坐标系的目标位姿矩阵，Pd为刀具坐标系的目标位置矩阵，Rd为刀具坐标系的目标姿态矩阵。[ux,uy,uz]T是刀具坐标系X轴的目标姿态向量，[vx,vy,vz]T是刀具坐标系Y轴的目标姿态向量，[wx,wy,wz]T是刀具坐标系Z轴的目标姿态向量，[ox,oy,oz]T是目标位置向量；(3.2)令异型五轴数控制孔机床末端的理论位姿等于目标位姿状态，用公式表示为：(3.3)根据矩阵对应元素相等，建立关节量的方程组：ox＝px＝d1+d5sinθ3cosθ4+x6cosθ3+y6sinθ3sinθ4+z6sinθ3cosθ4oy＝py＝d2-d5sinθ4+y6cosθ4-z6sinθ4oz＝pz＝d5cosθ3cosθ4-x6sinθ3+y6cosθ3sinθ4+z6cosθ3cosθ4wx＝r13＝sinθ3cosθ4wy＝r23＝-sinθ4wz＝r33＝cosθ3cosθ4(3.4)对步骤(3.3)中的关节量的方程组进行推导，得到异型五轴数控制孔机床的逆向运动学模型：θ3＝-atan2(wx,wz)d5＝(oz+x6sinθ3-y6cosθ3sinθ4-z6cosθ3cosθ4)/(cosθ3cosθ4)d1＝ox-d5sinθ3cosθ4-x6cosθ3-y6sinθ3sinθ4-z6sinθ3cosθ4d2＝oy+d5sinθ4-y6cosθ4+z6sinθ4其中，cosθ3cosθ4≠0其中，且θ3∈[-8°,8°],θ4∈[-12.5°,12.5°]。步骤(3.2)中，为通过运动学反解求得关节量q，需要使异型五轴数控制孔机床末端的理论位姿达到目标位姿状态，即步骤(3.3)中，由于影响制孔质量的主要因素是孔的位置和孔的轴线方向，对应为机床的末端位置和主轴进给方向的姿态，即[ox,oy,oz]T和[wx,wy,wz]T，根据矩阵对应元素相等，建立关节量的方程组。将以上获得逆向运动学模型输入到异型五轴数控制孔机床中，并输入异型五轴数控制孔机床的末端目标位姿，该机床即根据逆向运动学模型和输入的末端目标位姿计算得到刀具的进给量及进给路径。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：(1)实现了对进给轴随AB轴摆动的异型五轴数控制孔机床的运动学正反解，为机床运动控制奠定基础；(2)该算法针对平动轴与转动轴交叉部分的结构形式，弥补了西门子五轴联动包的不足；(3)该异型五轴数控制孔机床可实现自动化预连接工艺，大大提高了飞机装配自动化程度。附图说明图1是本专利技术异型五轴数控制孔机床BAZ轴部件的正视图；图2是本专利技术异型五轴数控制孔机床BAZ轴部件的俯视图；图3是本专利技术异型五轴数控制孔机床BAZ轴部件的左视图；图4是本专利技术进给轴随AB轴摆动的五轴数控制孔机床正反解方法的流程框图；图5是本专利技术异型五轴数控制孔机床的坐标系定义图。具体实施方式为了更为具体地描述本专利技术，下面结合附图及具体实施方式对本专利技术的技术方案进行详细说明。图1～图3所示的是异型五轴数控制孔机床BAZ轴部件是进给轴随AB轴摆动的结构形式，本实施例所提出的进给轴随AB轴摆动的五轴数控制孔机床正反解方法应用于该异型五轴数控制孔机床。如图4所示，本实施例一种进给轴随AB轴摆动的五轴数控制孔机床正反解方法的步骤如下：(1)在异型五轴数控制孔机床中，建立设备基坐标系、各运动轴子坐标系和刀具坐标系；绘制坐标系定义图，使各子坐标系与设备基坐标系的坐标轴方向保持一致。具体分为以下两步：1.1：定义异型五轴数控制孔机床中的各坐标系：基坐标系Obase，各运动轴子坐标系OX、OY、OB、OA、OZ，刀具坐标系OT；1.2：绘制异型五轴数控制孔机床的坐标系定义图，各子坐标系的坐标轴方向与设备基坐标系的坐标轴方向一致，如图5所示。(2)对异型五轴数控制孔机床作运动本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种进给轴随AB轴摆动的五轴数控制孔机床正反解方法，包括如下步骤：(1)在异型五轴数控制孔机床中，建立设备基坐标系、各运动轴子坐标系和刀具坐标系，并绘制坐标系定义图，使各子坐标系与设备基坐标系的坐标轴方向保持一致；(2)对异型五轴数控制孔机床作运动学分析，建立正向运动学模型；(3)根据异型五轴数控制孔机床的目标位姿和正向运动学模型，建立关节量的方程组，推导其逆向运动学模型。

【技术特征摘要】
1.一种进给轴随AB轴摆动的五轴数控制孔机床正反解方法，包括如下步骤：(1)在异型五轴数控制孔机床中，建立设备基坐标系、各运动轴子坐标系和刀具坐标系，并绘制坐标系定义图，使各子坐标系与设备基坐标系的坐标轴方向保持一致；(2)对异型五轴数控制孔机床作运动学分析，建立正向运动学模型；(3)根据异型五轴数控制孔机床的目标位姿和正向运动学模型，建立关节量的方程组，推导其逆向运动学模型。2.根据权利要求1所述的进给轴随AB轴摆动的五轴数控制孔机床正反解方法，其特征在于，所述的步骤(1)的具体步骤如下：(1.1)定义异型五轴数控制孔机床中的各坐标系：基坐标系Obase，各运动轴子坐标系OX、OY、OB、OA、OZ，刀具坐标系OT；(1.2)绘制异型五轴数控制孔机床的坐标系定义图，各子坐标系的坐标轴方向与设备基坐标系的坐标轴方向一致。3.根据权利要求2所述的进给轴随AB轴摆动的五轴数控制孔机床正反解方法，其特征在于，所述的步骤(2)的具体步骤如下：(2.1)对异型五轴数控制孔机床作运动学分析，分别计算各运动轴的齐次变换矩阵：其中，是从坐标系Obase到坐标系OX的理想齐次变换矩阵，从坐标系OX到坐标系OY的理想齐次变换矩阵、从坐标系OY到坐标系OB的理想齐次变换矩阵、从坐标系OB到坐标系OA的理想齐次变换矩阵、从坐标系OA到坐标系OZ的理想齐次变换矩阵、从坐标系OZ到坐标系OT的理想齐次变换矩阵，d1,d2,θ3,θ4,d5分别是异型五轴数控制孔机床X、Y、B、A、Z轴的关节量；x6,y6,z6是最后一个运动轴子坐标系到刀具坐标系在x,y,z方向的位移偏置；(2.2)建立异型五轴数控制孔机床的正向运动学模型：

【专利技术属性】
技术研发人员：毕运波，程亮，曲巍崴，李江雄，柯映林，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33