专利名称：动态奇点补偿系统和方法
动态奇点补偿系统和方法技术领域本公开大体涉及多自由度机械加工和定位过程，以及，更详细的说，涉 及在加工轨迹中当应用软件定位补偿时处理动态奇点的系统和方法。
背景技术：
目前，许多机械加工和成型过程利用数控(NC)技术下运行的机床完 成。在一个典型的NC机器设备中， 一组程序化指令由机床单元(MTU)处 理，该机床单元提供运动控制信号给耦连到机床的伺服机构。由机床设备夹 持的工件因此根据处理指令成型为成品。所述指令一般由机床程序装置准 备，程序装置根据可获得的成品几何信息开发指令，所述几何信息基本上包 括图纸或者电子形式的零件图。机床程序装置一般也包括过程相关的指令， 所述指令可能包括工件的进给速率，甚至选择一种或多种成型工具例如钻 头、端铣刀、或者其它由NC机器驱动的成型工具。程序化指令一般编码在 多种可移动存储器上，所述可移动存储器可以包括穿孔带、磁带或者磁盘， 光盘、甚至或者是半导体存储器，诸如闪存器。然后利用用于读取可移动存 储器的读取器从可移动存储器将程序化指令引入MTU。所述机床设备包括一种铰接机构，该机构可操作而相对于一组预定的坐 标轴移动机床。所述铰接机构一般包括多个互连的动态接合点，其或者是等 截面的，或者是旋转的，其合作将机床相对于工件以协调的方式定位。铰接 机构的复杂度取决于该机构的定位能力，表现为该机构展现的坐标轴数目 (即"自由度，，)。例如，在众所周知的五轴机床设备中，铰接机构能够在三 个互相正交的方向平移，也能关于两个旋转轴旋转。然而，在特定的运动学条件下， 一个或多个动态接合点运动可能不能导 致所希望的机床相对工件的运动，因此在铰接机构中出现自由度的减少。从 而， 一组接合点位置将机床定位为一个奇点(singular point )。例如，如果机 床是端铣床，而端铣床近似与旋转的动态接合点对准，此时，给予旋转接合 点的运动都不能改变端铣床的位置。在一些例子中，机床可能沿着单一轴线发生相对较大的偏移，而机床接近奇点，这将损坏工件和/或机床设备。为了在机械加工过程中避免遇到一个或者多个奇点，工序一般由机器程 序装置连续计划以便机床不遇到奇点。虽然这是一种有效的方法，依靠机床 设备和/或工件配置，可能不可避免已知的奇点。此外，在奇点可以避免的情 况下，连续计划可能过于耗费时间，这增大了工件的生产成本。机器一般为了获得必要的特定体积精确性而规定和制造以便正确执行 预定的加工或者任务。例如，机器零件的表面位置公差为±0.010。此时对于机器来说，能够在工作体积范围内将刀尖定位优于±0.010的精度是必要的。有两种方法可以实现。一种方法是将机器制造地精度足够，这样程序指令假设机器是理想的来 驱动机器。在这种情况下，机器的位置误差取决于实际机器接近于理想机器 的程度。为了确保机器足够接近理想机器以满足公差需要，当制造机器时必 须花费大量的时间金钱。这常常包括购买更昂贵的精确部件以及在装配和安 装机器过程中完成多种测量和机械调整。其它方法是不试图将机器制造地接近理想机器。此时，利用标准的度量 方法，例如跟踪激光干涉仪，测量机器的"制造"状态。然后利用制造的机 器和理想机器之间的差异来改变程序指令，以便机器将工具定位在指定规定 的公差之内。因为这允许将机器制造地较大偏离理想机器，所以可以用非常 少的时间和费用来制造和安装机器。这种改进精确度的方法被称为软件补 偿，或者命令更新。然而，当机器位于奇点或者在奇点附近时，对于程序指令将很难或者不 可能计算命令更新，以改善工具尖部的精确性而不引起单轴的较大移动。这是不希望的，因为在分配给移动的时间内，可能不能完成轴的较大移动，而 另外可能引起对零件或者机器的损坏。解决方案是因程序指令的小变化而牺 牲一些精确度。在一种已知的方法中，使用了一种基于软件的优化程序，其基本上影响 精确度和接合点位置之间的平衡，因此减损精确度以便保持接合点的少量运动。这种方法的一个缺点是即使当机床设备不接近奇点时，也可能发生精 确度折衷。另一个缺点是该方法计算很麻烦，因此可能需要过多的计算时间。 所需要的是一种在材料加工系统中处理奇点的系统和方法，该材料加工 系统利用软件补偿克服现有技术系统中的缺点，并且计算负担不大。发明内容本发明包括在加工轨迹中的软件补偿过程中用于处理动态奇点的系统和方法。在一方面， 一种数控(NC)加工系统包括一种材料加工设备，该 设备具有多轴动态联杆，该联杆系可操作以将联杆的端部沿着预定的加工轨 迹定位。该系统也包括具有补偿系统的处理器，该补偿系统可操作以检测加 工轨迹中的奇点并在奇点附近改善端部定位的位置和方向精度。
本发明的实施例将参照下面的附图详细说明。图1是根据本发明的一个实施例的数控(NC)加工系统的框图；图2是奇点附近的动态组件的等轴视图；图3是具有虛拟轴的动态组件的等轴视图；图4是用于说明在多轴材料加工设备中处理动态奇点的方法的流程图； 图5是^4居本发明另 一个实施例的软件产品的框图，该软件产品被配置 为在软件补偿系统中处理奇点。
具体实施方式
本发明涉及在加工轨迹中补偿动态奇点的系统和方法。本发明的一些实 施例的许多具体细节将在下面的描述和图1到5中阐述，为这些实施例提供 了一个全面的理解。然而，本领域的技术人员将理解本发明可以具有其它实 施例，或者本发明可以在没有一个或多个下面说明描述的细节的情况下实施。图1是根据本发明一个实施例的数控(NC)加工系统10的框图。系统 10包括一种或者多种材料加工设备12。在下面的论述中，"材料加工设备，， 将被理解为代表一种能够在由该设备夹持的工件上完成加工的装置。因此， 材料加工设备可以包括一种配置为在工件上完成多轴机械加工操作的机床设备。作为替代方案，该材料加工设备也可以包括其它能够进行部件布置的 多轴装置，例如一种数控组装机器人。在本发明的一个特定实施例中，每一个材料加工设备12包括多轴计算 机数控(CNC)机床设备，该设备可操作以对工件完成铣削、镗孔、刨削或定位操作。因此，每一个设备12可操作而沿着预定加工轨迹定位并控制端 部。例如，端部可以是设置为可拆卸地保持多种切削工具的心轴机构(未在图1中显示)。每一个设备12也可以包含大体可移动的工作台(也未在图1 中显示)，该工作台支撑工件。简要地说，而且在一般的术语中，多轴设备一般包括一个或者多个具有 一系列元件或者联杆的开放式动态链，所述元件或联杆通过在平动中提供旋 转和线性自由度之一的动态节点连接。通过适当的驱动装置例如电动机或其 它类似装置沿着相应的导向元件驱动设备的元件。当该元件被驱动时，其可 能影响其它连接到该被驱动的元件的动态联杆位置。 一般，多轴CNC机床 设备为"五轴"机床设备，其可操作以沿着三个平动轴和围绕两个旋转轴移 动心轴机构。适当的五轴CNC机床设备的例子是T - 30CNC加工中心，其 可从俄亥俄州Cincinnati的Cincinnati Milacron, Inc.获得，也存在其它合适的 备选设备。如图1中进一步显示，NC加工系统IO也包括一个或者多个加工数据传 输单元14。该加工数据传输单元14可操作以接受来自通信系统16的机床指 令，并产生描述了工件上特征位置的"高等级"指令，其中预定的操作将发 生在该特征位置。在一个特定的实施例中，加工数据传输单元(PDTU)是 耦连到五轴机床设备的机床数据传输单元(MTDTU)。通信系统16可以包 括光通信线路，金属通信连接例如岸基电话线，或者使用线缆调制解调器的 同轴线缆连接，或者其它合适的设备。在其它实施例中，通信系统16可以 包括数字用户线(DSL),或者综合业务数字网(ISDN)。可选择地，通信系 统16可以至少部分为无线系统，该无线系统包括物理分开的无线收发机。 在任一种情况下，通信系统16还可以耦连到其它通信系统或者网络，诸如 局域网(LAN)、广域网(WAN)、或者互联网。仍然参照图1， NC加工系统IO还包括处理器18，该处理器可以包括通 用计算机系统，该计算机系统可操作以执行一个或者多个提供给处理器18 的计算机程序，所述计算机程序可以包括一般可操作以监控并控制材料加工 设备12的软件模块，当设备12操作接近于奇点的工件时，该模块可以进一 步操作以可调整地补偿该材料加工设备12的位置，以下将更详细论述。该 一个或多个软件模块可以在操作系统(OS)的控制下运行，该操作系统安装 在处理器18中并设置为完成一个或多个软件模块要求的多种任务。在特定的实施例中，该操作系统能够多线程运行，其调度一个或多个软件模块的选定部分并行运行。因此，该操作系统可以是WINDOWS NT操作系统，可以 乂人Washington, Redmond的Microsoft Corporation获4寻，当然也存在其它合 适的选择。例如，该OS系统也可以包括UNIX操作系统或AIX操作系统。 其它选定的实施例可以采用，例如SOLARIS操作系统，可以从California, Santa Clara的Sun Microsystems, Inc.获得，或者LINUX操作系统，可以从 North Carolina的Red Hat， Inc.获S寻。该一个或者多个软件模块可以包括以高级语言例如C、 C++、 BASIC、 PASCAL或者其它编程语言编写的指令，所述指令编-斧并连接以形成可由处 理器18执行的可执行部分。 一个或者多个软件模块的编译部分可以在处理 器18执行之前存储在一个或者多个随机读写存储器(RAM)中。输入/输出 设备20耦连到处理器18以允许使用者和处理器18之间进行通信。因此， 输入/输出设备20可以包括可视显示终端，该可视显示终端允许处理器18 产生的信息可见，并允许利用键盘、触摸屏装置、鼠标、语音识别装置或者 其它类似装置将信息传送到处理器18。所述输入/输出装置也可以包括通信 端口，以允许处理器18和通信系统16之间进行通信，因此处理过的信息可 以在处理器18和PDTU14之间交换。处理器18也耦连到一个或者多个一般设置为用来存储数据和/或程序指 令的大容量存储器22。该大容量存储器22可以包括相对于处理器18远距离 定位的磁盘驱动器。可选的，大容量存储器22可以包括定位在处理器18内 的磁盘驱动器。在其它特定的实施例中，大容量存储器22可以包括位于处 理器18中，或者相对于处理器18远距离定位的光盘驱动器。图2是动态组件30的等轴示意图，现在将被用于描述图1的NC加工 系统10的操作。如图所示，组件30是五轴动态组件，设置为相对于三个线 性轴(即图2中所示的X、 Y和Z)并沿两个旋转方向(即图2中示出的A 和C方向)独立移动端部32。端部32目前定位-故在奇点34,因为组件30 的端部32沿着C旋转方向的旋转不能改变端部32的位置。因此，当端部 32位于奇点34时，图2中示出的该五轴组件30失去了 "自由度"。通常，端部32的笛卡儿位置和角方向可以由向量X表示，所述向量X 通过一组函数f ()与联杆位置向量Q相关，所以X = f(Q)。函数集f() 的雅可比行列式定义为J(Q一(5x/3q,),而将节点的差动映射到其各自端部32的笛卡儿位置和取向上的影响。如果上述是线性化(近似值)，则JA^:AX，因此端部32的笛卡儿位置X的变化与联杆位置Q相关。当端部32移动到 接近于奇点34时，雅可比行列式J (Q)逐渐变得更加病态，而当端部32 位于奇点时，雅可比行列式J (Q)将失阶(rankdeficient)。如以下将详细论述的，现在并参考图3，当端部32在奇点34附近时， 产生至少近似垂直于轴C和A的虚拟轴36，使得J(Q)变得非奇异。图4是用于描述根据本发明另 一个实施例的多轴材料加工设备中处理动 态奇异性的方法40的流程图。做为 一个初始情况，并且在下面的论述中，"正 动态计算"被理解为当构成动态组件的联杆之间的角度和距离已知时能够确 定该动态组件的位置。从而，动态组件的位置可以直接计算，因为联杆的几 何信息也已知。反之，"逆动态计算"被理解为当动态组件的端部位于选定 的空间位置时能够确定组件的动态联杆之间的角度和距离。逆动态问题一般 具有多个可能的解，其一般必须用已知方法迭代而确定。在程序块41中，从轨迹设计装置处获得位置信息，该轨迹设计装置将 在下面详细描述。在程序块42，计算雅可比矩阵J(Q)。在程序块44，判 断端部32是否在奇点34附近(如图2和图3中所示)。该判断基于已知奇 点的位置。可选的，可以利用已知方法检查雅可比行列式J (Q)的条件。 如果端部32接近奇点34，产生虛拟轴36 (如图3所示)，消除奇异性，如 程序块46所示。例如，可以通过沿着旋转轴A和C延伸的向量之间形成向 量乘积来形成虚拟轴36，通过完成雅可比行列式的基，或者其它已知方法来 产生虛拟轴36。在程序块48产生新的雅可比矩阵J (Q)。虚拟轴36允许替 换程序块42的雅可比矩阵J ( Q )中的失阶行(或列)。仍然参考图4,在程序块50利用名义逆动态运算来计算初始Qi向量。 在程序块52,利用制造(as-built)正动态运算并利用初始Qi向量来计算实 际端部向量X。然后可以通过在需要的端部向量和实际端部向量之间形成差 来计算AX向量，如程序块54所示。在程序块56，利用在程序块48计算的 雅可比矩阵J (Q)来计算A2向量。利用在程序块56计算的A2向量和在程 序块50计算的初始Qi向量，在程序块58计算新的Qw向量。在程序块60， 通过在向量Qi+1和Qi之间形成绝对差来检测收敛性以判断绝对差是否小于 或等于预定收敛标准s。如果方法40在程序块60仍然没有收敛，则方法40 返回程序块50,重复进行程序块50到60表达的运算。如果获得收敛，方法40结束。此外，如果方法40没有充分接近奇点，则方法40在程序块40分 支到程序块50。图5是软件产品70的框图示意图，该软件产品被设计为在根据本发明 的另一个实施例的软件补偿NC加工系统中处理奇点。软件产品70包括轨 迹设计装置72，当端部32 (如图2和图3所示)沿着预定的路径移动时， 该轨迹设计装置计算机器执行的动态节点位置的向量。 一般，向量被与制造 (as built)机器运动学比较。计算端部32的实际位置和取向和该端部32的理 想位置之间的差，其代表关于端部32位置的误差向量。然后计算端部32的 校正后的位置向量，以减小节点偏移向量。对于产生的每个校正后的位置， 通过调用计算雅可比矩阵的雅可比行列式生成模块74来计算雅可比行列式J (Q)。在条件测试模块76判断雅可比行列式J (Q)的条件。如果雅可比行列 式J (Q)为良态的(即，没有失阶)，则软件产品70接受雅可比行列式J (Q)以控制动态元件的运动。如果雅可比行列式为病态的，则虚拟轴生成 模块78构造避免奇异性的虚拟轴，而通过调用雅可比行列式生成模块74来 计算新的雅可比行列式J (Q)，因此计算出新的不包括失阶行或列的雅可比 行列式J (Q)。逆动态生成单元80然后产生初始向量Qi。正动态生成单元 82计算与初始向量Qi对应的实际端部位置向量X。差生成模块84然后通过 在所需要的位置端部位置向量和实际端部位置向量之间形成差来计算AX向 量。求解模块86可操作以利用雅可比行列式生成模块74中计算的雅可比矩 阵J(Q)生成A2向量，并且生成新的向量Qi+1。在一个实施例中，可以使 用Newton - Raphson算法。比较模块88判断软件产品70是否收敛。如果模 块88确定差小于或等于预定收敛标准f ,则软件产品70返回Qi+,值。如果 没有收敛，则软件产品返回逆动态生成器80。虽然本发明的优选和可选实施例已经说明和描述，如以上所述，但是在 不背离本发明的实质和范围的条件下，可以做出很多变化。因此，本发明的 范围不限于这些优选和可选实施例。相反，应当通过整体参考随后的权利要 求书确定本发明。
权利要求
1.一种数控(NC)加工系统，包括材料加工设备，其具有多轴动态联杆，所述多轴动态联杆可操作以沿着预定加工轨迹定位所述联杆端部部分；和处理器，其包括补偿系统，该补偿系统可操作以检测加工轨迹中的奇点并改善位于所述奇点附近的所述端部部分的定位精度。
2. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述材料加工设备包括五轴 材料加工设备。
3. 如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述五轴材料加工设备还 包括心轴组件，该心轴组件配置成可拆卸地保持定位在所述端部部分的切削 工具。
4. 如权利要求1所述的系统，还包括插入所述处理器和所述材料加工设 备之间的通信系统，该通信系统可操作以在所述处理器和所述设备之间传输 信息。
5. 如权利要求4所述的系统，还包括加工数据传输单元，该单元插入所 述通信系统和所述材料加工设备之间并可操作以接收来自所述处理器的机 床指令并产生传送到所述设备的高等级指令。
6. 如权利要求1所述的系统，还包括耦连到所述处理器的输入/输出装置 和大容量存储器至少其中之一 。
7. 如权利要求6所述的系统，其中所述输入/输出装置还包括可视显示终 端、键盘、触摸屏装置、鼠标、语音识别装置和通信端口至少其中之一。
8. 如权利要求1所述的系统，其中所述补偿系统是以软件为基础的补偿 系统。
9. 一种在多轴材料加工设备中处理动态奇异性的方法，包括 接收描述所述多轴设备的端部部分的材料加工轨迹的位置信息； 通过识别奇异轴判断所述端部部分是否接近于所述加工轨迹中的奇点；以及如果所述端部部分接近，则产生基本上垂直于所述奇异轴的虛拟轴。
10. 如权利要求9所述的方法，其特征在于，接收位置信息还包括接收来 自轨迹设计装置的信息。
11. 如权利要求9所述的方法，其特征在于，判断所述端部部分是否接近
12. 如权利要求9所述的方法，其特征在于，生成虚拟轴还包括生成相对 良性的雅可比矩阵。
13. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，生成相对良性的雅可比矩阵还包括利用逆动态运算来计算包含初始联杆位置的向量。
14. 如权利要求13所述的方法，其特征在于，利用逆动态运算来计算包 含初始联杆位置的向量还包括利用正动态运算和所述包含初始联杆位置的 向量来计算(82)实际端部位置向量。
15. 如权利要求14所述的方法，其特征在于，计算实际端部位置向量还 包括基于希望的端部位置和所述实际端部位置向量生成位置差向量并生成 包含联杆位置差的向量。
16. 如权利要求15所述的系统，其中基于希望的端部位置和所述实际端 部位置向量生成位置差向量以及生成包含联杆位置差的向量还包括利用所 述包含联杆位置差的向量和所述包含初始联杆位置的向量来计算包含新的 联杆位置的向量。
17. 如权利要求16所述的系统，还包括在所述包含新的联杆位置的向量 和所述包含初始联杆位置的向量之间生成绝对差，以及将所述绝对差与预定 收敛标准相比较。
18. —种软件产品，用于处理软件补偿NC加工系统中的奇点，该软件 产品包括轨迹计划模块，当所述系统端部部分沿着预定加工路径移动时，所述轨 迹计划模块可操作以计算向量，该向量包含所述NC加工系统所执行的动态 联杆位置；雅克比矩阵生成模块，该模块可操作以生成相应于所述具有动态节点位 置的向量的雅克比矩阵；矩阵条件测试模块，其可操作以接收所述雅克比矩阵，从而判断所述雅 克比矩阵的条件；虚拟轴生成模块，其可操作以生成与检测到的奇点位置轴线基本上垂直 的虚拟轴；逆动态生成模块，当所述端部部分定位在选定的空间位置时，所述逆动态生成模块可操作以确定所述系统的动态联杆之间的角位置；正动态生成模块，当所述联杆之间的角位置已知时，所述正动态生成模块可操作以确定所述系统的动态联杆的位置；和系统求解模块，其可操作以接收所述雅克比矩阵和产生节点位置差向量 的端部位置差向量。
19. 如权利要求18所述的软件产品，其特征在于，所述矩阵条件测试 模块用来判断所述雅克比矩阵是否是相对良性条件的矩阵和相对病态条件 的矩阵其中之一。
20. 如权利要求18所述的软件产品，其特征在于，所述系统求解模块 进一步包括Newton-Raphson算法。
全文摘要
本发明公开一种用于处理加工轨迹中的动态奇点的系统和方法。在一个实施例中，一种数控(NC)加工系统包括具有多轴动态联杆的材料加工设备，其可操作以沿着预定的加工轨迹定位所述联杆的端部部分。该系统还包括具有补偿系统的处理器，该系统可操作以检测加工轨迹中的奇点并改善所述端部部分在奇点附近的定位精度。
文档编号B25J9/16GK101218074SQ200680024984
公开日2008年7月9日 申请日期2006年5月31日 优先权日2005年5月31日
发明者菲利普·L·弗里曼 申请人:波音公司