[发明专利]基于3-RPSR并联机构的自由弯曲成形设备运动位姿解析方法

说明书

本发明公开了一种基于3‑RPSR并联机构的自由弯曲成形设备运动位姿解析方法,根据弯曲成形中弯曲模中心点在全局坐标系中的空间位置坐标,获得弯曲模动平台在全局坐标系中位置姿态欧拉角表达,建立由弯曲模动平台上局部动坐标系到全局定坐标系的转换矩阵,再结合并联机构空间几何关系计算出成形设备驱动模块Ai在弯曲模中心点P当前位置坐标处的移动距离和转动角度,最终完成基于3‑RPSR并联机构的自由弯曲成形设备运动位姿解析,实现复杂空间构型管材自由弯曲成形。本发明解决了目前基于并联机构的自由弯曲成形设备从弯曲模中心点空间位置坐标到成形设备驱动模块运动位姿解析的一大难题,有利于推动自由弯曲成形技术的进一步发展。

技术领域

本发明属于金属复杂构件先进制造技术领域,具体涉及一种基于3-RPSR并联机构的自由弯曲成形设备驱动模块运动轨迹解析方法。

背景技术

金属管材及其弯曲构件广泛运用于航空航天、核电、化工等领域,特别是在航空航天领域应用了大量复杂形状的弯曲构件。自由弯曲成形技术作为近年来的一项重要的发明, 可以实现平面及空间不同形状金属弯曲构件的成形,且具有较高的成形效率和加工精度, 在航空发动机、运载火箭、卫星等方面具有巨大的发展潜力。目前的自由弯曲成形装备主要有：三轴自由弯曲成形装备、五轴自由弯曲成形装备和六轴自由弯曲成形装备,均属于串联结构形式。虽然上述自由弯曲成形装备可以完成大多数金属复杂弯曲构件的成形, 但还存在弯曲模运动空间较小、装备结构刚度不高、弯曲构件加工精度有待提高以及成形极限受限等缺点,制约了自由弯曲成形技术的推广应用。

并联机构作为一种闭环的结构,由定平台和动平台通过铰链相连构成,具有加工精度高、稳定性好、自由度高等优点,近年来研究人员开始尝试将其应用到自由弯曲成形技术中。一种由三个连杆依次通过旋转副(R)、移动副(P)、球副(S)、旋转副(R)连接定平台与动平台所构成的并联机构(如图2所示),简称3-RPSR,具有六个自由度且动平台可在较大空间范围内运动,将其运用于自由弯曲成形技术,可以有效地提高弯曲构件成形精度和成形极限,使得一些复杂形状弯曲构件的加工制造成为可能。然而,该并联机构结构复杂,对于其动平台在不同空间位置姿态下的运动控制解析,目前仍然缺少一套高效可行的方法,这已成为研发基于3-RPSR并联机构的自由弯曲成形技术所亟需解决的问题之一。

发明内容

本发明针对目前在基于3-RPSR并联机构的自由弯曲成形技术运动位姿解析方面的空缺,提出一种基于3-RPSR并联机构的自由弯曲成形设备驱动模块运动轨迹解析方法。

本发明采用以下技术方案：

一种基于3-RPSR并联机构的自由弯曲成形设备运动位姿解析方法,根据弯曲成形中弯曲模中心点在全局坐标系中的空间位置坐标,获得弯曲模动平台(1)在全局坐标系中位置姿态欧拉角表达,建立由弯曲模动平台(1)上局部动坐标系到全局定坐标系的转换矩阵,再结合并联机构空间几何关系计算出成形设备驱动模块Ai(i＝1,2,3)(5)在弯曲模中心点P当前位置坐标处的移动距离和转动角度,最终完成基于3-RPSR并联机构的自由弯曲成形设备运动位姿解析,实现复杂空间构型管材自由弯曲成形。

所述的自由弯曲成形设备运动位姿解析方法,其具体步骤包括：

第一步,以成形设备导向机构(4)顶点O为原点建立O-XYZ全局定坐标系,以成形设备的弯曲模中心点P位置为原点建立P-XYZ局部动坐标系,以弯曲模动平台(1)上三个旋转副中心Bi(i＝1,2,3)(2)为原点建立Bi-XYZ(i＝1,2,3)局部动坐标系；

第二步,根据弯曲成形中弯曲模中心点P在全局坐标系中的空间位置坐标 (j＝1,2,3……),结合自由弯曲成形机理计算出弯曲模动平台(1)空间位置姿态,以四元数表示法确定由P-XYZ局部动坐标系到O-XYZ全局定坐标系的旋转欧拉角,并获得从P-XYZ坐标系到O-XYZ坐标系的转换矩阵T_P_O；