Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Radzevich, S.P. Monograph - 2001

.pdf
Скачиваний:
34
Добавлен:
13.08.2013
Размер:
24 Мб
Скачать

160

3.2. Сведения о матрицах, необходимые для решения задач формообразования поверхностей деталей

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

5

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 0

0 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

 

 

7

 

 

 

7

 

 

7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9

 

 

 

 

39

 

 

2

 

 

5

 

 

0 1

0 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

 

 

 

14

 

7

 

 

14

.

 

0 0

1 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

9

 

 

 

 

 

1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

 

 

14

 

 

7

14

 

0 0

0 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

 

 

7

 

 

 

 

7

 

7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

, обратная заданной матрице A :

Полученная выше матрица (она расположена справа) и есть искомая матрица A

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

5

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

 

 

7

 

 

 

7

 

 

7

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

10 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9

 

 

39

 

2

 

 

5

 

 

 

1

18

 

39

 

 

4 5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

 

7

 

 

 

14

 

7

 

 

14

 

 

 

 

 

 

 

9

 

 

 

 

2

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

9

 

 

 

 

 

1

 

1

 

 

14

2

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

14

 

 

7

14

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

 

 

7

 

 

 

7

 

7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

должно быть равно Е :

В правильности полученного результата легко убедиться, сделав проверку: A A

 

 

 

 

2

3 11 5

 

 

 

 

 

4

4

 

 

 

 

10 2

 

1

 

 

0 0 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

39

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 1 5

2

 

 

18

 

4 5

 

0

 

 

1 0 0

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 1 3

2

 

14

2

9

 

 

 

 

2

 

1

0

 

 

0 1 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 1 3

4

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

6

 

0

 

 

0 0 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Следовательно, найденная матрица действительно является матрицей A 1 , обратной к исходной матрице A .

Отметим, что для обращения матриц высоких порядков разработаны эффективные программы для ЭВМ. Приведение матриц к удобному для выполнения вычислений диагональному виду связано с понятиями

собственного числа и собственного вектора матрицы.

Для квадратной матрицы A , при помощи которой производится линейное преобразование вектора X в

вектор Y : A X Y , можно подобрать

такой вектор X ,

что произведение A X даст вектор, равный

исходному, умноженному на скаляр :

 

 

(3.3)

A X λ X .

 

В этом случае вектор X будет собственным вектором матрицы A , а – ее собственным числом. Записав уравнение (3) в форме

A λ E X 0 ,

представим его в развернутом виде:

 

a11 λ

 

 

a 21

 

 

(3.4)

 

a31

 

 

 

 

 

 

 

a n1

 

 

a12

a13

a 22 λ

a 23

a32

a33 λ

 

 

a n2

a n3

 

a

 

 

 

X

 

 

 

 

1n

 

 

 

1

 

 

 

a 2n

 

X2

 

 

a3n

 

X3

 

0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

X

 

 

 

nn

λ

 

n

 

 

 

 

 

 

 

3. Системы координат и линейные преобразования

161

Полученная система однородных уравнений может иметь ненулевое решение, если определитель системы равен нулю:

 

a11 λ

a12

a13

a1n

 

 

 

 

 

 

a 21

a 22 λ

a 23

a 2n

 

 

 

a31

a32

a33 λ

 

a3n

0

(3.5)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a n1

a n2

a n3

a nn λ

 

 

или в свернутой матричной форме

 

A λ E

 

0 .

 

 

 

матрицы A . Раскрывая определитель

 

 

 

 

 

 

 

Это уравнение будет характеристическим уравнением

(5),

получим уравнение n й степени относительно :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λn B λn 1

B

 

λ B

 

0 .

(3.6)

 

1

 

 

 

 

n 1

n

 

 

 

 

Уравнение (6) имеет

n ” корней, следовательно,

квадратная матрица n го порядка имеет

n

собственных чисел i i 1,

2, , n . Каждому собственному числу соответствует собственный вектор:

 

 

 

 

X X

X

2i

X

3i

 

 

X

ni

T .

 

 

 

 

1i

 

 

 

 

 

 

 

Один из возможных путей нахождения собственных векторов заключается в следующем. Равенство нулю определителя системы линейных уравнений (4) означает, что одно из уравнений системы является линейной комбинацией остальных. Исключая это зависимое уравнение, получим систему из (n 1 ) уравнений.

Подставляя последовательно 1 , 2 , , в (6) и решая систему “n ” раз, можем с точностью до произвольного множителя найти векторы X1, X2 ,

Квадратная матрица, составленная из собственных векторов

1

X12

X X13

X1n

X21

X31

 

Xn1

 

 

1

X32

 

 

 

 

 

Xn2

 

X23

1

 

Xn3

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

X2n

X3n

 

1

 

 

 

 

называется фундаментальной. Она обладает тем свойством, что умножение матрицы A на фундаментальную матрицу слева и на обратную фундаментальной справа приводит исходную матрицу к диагональному виду:

 

λ1

0

 

0

 

X A X

 

0

λ

 

0

 

 

 

1

 

 

.

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

λn

Пример 3.5. Рассмотрим как находятся собственные числа и собственные векторы матрицы

 

72

18

A

 

6

.

18

 

162

3. Системы координат и линейные преобразования

Характеристическое уравнение матрицы A

 

 

 

 

 

72 λ

18

 

0 .

 

 

 

 

 

18

6 λ

 

Раскрыв определитель, после преобразований получим квадратное уравнение λ2 78λ 108 0 . Корни этого уравнения являются собственными числами матрицы A : λ1 76,59 и λ2 1,41 .

Собственные векторы матрицы A определяем из уравнений

72 λi X1i 18X2i 0;18X1i 6 λi X2i 0.

 

Так как эти уравнения линейно зависимы, для определения собственных векторов можно использовать любое из них, Полагая

X11

1 , из первого уравнения при

λ1 76,59

находим

X21 0,255 . Аналогично, принимая

X22 1 ,

λ2 1,41 , получаем

X12

0,255 .

 

 

 

 

 

 

 

 

Матрица собственных векторов имеет вид

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

0,255

 

 

 

 

 

X

 

1

.

 

 

 

 

 

0,255

 

 

 

 

Легко убедиться, что произведение X A X 1

дает диагональную матрицу.

 

 

Приведенные сведения из алгебры матриц являются полезными при решении задач формообразования поверхностей деталей. Более полное изложение теории матриц и ее применения можно найти в многочисленных изданиях (Hohn, F.E., 1973; Метьюз Д., Уокер Р., 1972; Беклемишев Д.В., 1974; Strang, G.,

1986: Potter, M.C., 1978 и др.).

3.3. Системы координат станков с ЧПУ

Станок с числовым программным управлением характеризуется количеством и характером управляемых от системы ЧПУ движений его рабочих органов. Это линейные и поворотные движения вдоль и вокруг осей координат, в совокупность которых не входят вращения инструмента или заготовки, необходимые для осуществления собственно процесса резания. Например, токарный станок с ЧПУ имеет только два поступательных движения вдоль осей, параллельной и перпендикулярной оси шпинделя станка, т.е. вдоль осей Xст и Zст , тогда как вертикально-фрезерный станок имеет три управляемых от системы ЧПУ движения.

Вращение шпинделя (шпинделя заготовки на токарном станке или шпинделя инструмента на вертикально-фрезерном станке) обычно от системы ЧПУ не управляется (Melkanoff, M.M., Chang, C.-H. 1989).

Для определения взаимного положения и относительных движений инструмента и заготовки используется правая ортогональная система координат. Оси координат и управляемые от системы ЧПУ движения регламентированы стандартом ISO-R 8411.

Особенностью стандарта ISO-R 841 является то, что ось координат Zст всегда приимают параллельной

оси главного шпинделя станка (рис. 3.4) независимо от того как этот шпиндель расположен – вертикально или горизонтально. При контурной обработке плоскостей эта особенность позволяет использовать в программном обеспечении обозначение координат через Xст , Yст независимо от расположения оси шпинделя станка. В

качестве положительного направления оси Zст принимают направление от заготовки к инструменту. Ось

1EIA Standard RS-267-B: Axis and Motion Nomenclature for Numerically Controlled Machines (ANSI/EIA RS-267-B-83). Washington, D.C.: Electronic Industries Association, June 1983.

ISO Standard 841-1974: Axis and Motion Nomenclature for Numerically Controlled Machines. Geneva, Switzerland: International Organization for Standardization, 1974.

Рис. 3.4. Оси координат и управляемые от системы ЧПУ движения станка.

Yст

Xст

3.3. Системы координат станков с ЧПУ

Zст

Zст

С

Yст

В

Xст

А

 

А

 

 

Xст

С

Yст

 

В

 

Zст

 

 

 

Xст

 

Z

X Y

Zст

Yст

163

Xст всегда горизонтальна. Если ось Zст верти-

кальна, то положительное направление оси Xст

будет направлено вправо, если смотреть от лицевой стороны станка в сторону тыльной его стороны. Если ось Zст горизонтальная,

положительное направление оси Xст будет

направлено вправо, если смотреть в направлении от шпинделя к заготовке. Направление оси Yст

определяется по направлениям двух других осей. Положительное направление оси Yст определяется

по правилу правого винта, расположенного вдоль оси Zст : поворот винта в

направлении от оси Xст к оси Yст должен соот-

ветствовать продвижению его в направлении Zст ,

поскольку используется правая система координат.

Положение начала координат допускается принимать произвольно. Поступательное движение инструмента вдоль осей координат обозначают так же, как и соответствующие оси. Перемещение подвижных органов станка с ЧПУ, приводящее к увеличению расстояния между заготовкой и инструментом, дополнительные движения, параллельные осям Xст , Yст , Zст , обозначают u , v и w (вторичные) или p , q

и r (третьей очереди). Вращательные движения вокруг осей Xст , Yст и Zст обозначают буквами A , B и

C , а дополнительные вращательные движения – буквами D и E . Положительные направления вращательных движений A , B и C соответствуют направлению вращения правого винта при его движении соответственно вдоль осей Xст , Yст и Zст . Перемещения заготовки и инструмента в системе

обозначают по-разному: движения заготовки помечают штрихом сверху ( Xст , Yст , Zст , A , B , C и т.д.),

а положительные направления перемещений заготовки соответствуют отрицательным направлениям перемещений инструмента. Если станок с ЧПУ имеет несколько шпинделей, один из них принимают в качестве главного. Для станков с ЧПУ, в конструкции которых предусмотрены повороты оси шпинделя, он в основном своем положении, соответствующем оси Zст , перпендикулярен плоскости установки заготовки. В

случае дублирования координатных перемещений в качестве первичных движений Xст , Yст и Zст

принимают движения узлов, расположенных ближе к шпинделю. В соответствие с этим вращение главного шпинделя всегда обозначают буквой C . Если в компоновке станка предусмотрены одновременно шпиндели детали и инструмента, первый считают главным и его вращение обозначают буквой C , а вращение второго – буквой A ( вращение вокруг оси Xст ), буквой B (вращение вокруг оси Yст ) или буквой D (вращение

вокруг оси Zст ).

164

3. Системы координат и линейные преобразования

3.4. Преобразования декартовых систем координат

Системой координат считаем систему правил, описывающих геометрический образ: точку, линию или поверхность в пространстве соответствующим набором чисел X , Y , Z , которые являются координатами или компонентами геометрического образа. Число координат, требуемых для задания точки, определяется размерностью пространства, в котором она описывается. В теории формообразования поверхностей деталей геометрические образы рассматриваются в двумерном ( E2 ) и трехмерном E3 евклидовом пространстве.

3.4.1.Системы координат с параллельными осями. Рассмотрим исходную систему координат X YZ ,

11 1

вкоторой разместим новую систему координат X2Y2Z2 . Последовательные переносы системы координат

X YZ

вдоль собственных осей до положения

X Y Z

2

можно представить так (рис. 3.5).

1 1

1

 

2

2

 

 

Z1

 

 

Z1

Z2

 

 

Z2

 

 

 

d y

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

Y

X

 

Y

Y

 

 

1

 

1

X2

 

 

Y2

1

 

 

с

X2

X1

 

 

X2

 

 

 

1.

 

 

2.

 

Z2

Z1 dz X2 Y2

 

Y

X1

1

 

 

3.

Рис. 3.5. Последовательный перенос системы координат вдоль собственных осей.

В общем случае начало системы координат

X Y Z

2

в исходной системе

X YZ

определим вектором

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 1

1

 

 

 

 

 

 

d d

x

d

y

d

T

. Ее оси направим параллельно соответствующим осям системы координат X YZ . Пусть

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 1

1

в исходной системе координат произвольная точка

 

M задана радиус-вектором r

M . Тогда ее координаты в

новой системе координат определятся так (рис. 3.6):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.7)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r M

r

M d .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если использовать развернутую матричную форму записи, то уравнение (7) можно переписать в виде

 

 

 

 

 

 

 

 

Z2

 

 

 

 

 

 

 

 

X

2

 

X

 

d

x

 

0

 

0

 

X

 

d

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

М

 

 

 

 

 

 

 

 

 

У

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

У

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(M )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

У

 

 

0

 

d

 

 

0

 

 

1

 

d

у

.

 

 

 

 

 

 

 

 

r2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

1

 

 

 

 

 

 

 

у

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z

 

 

 

 

Z

 

 

0

 

 

0

 

d

 

 

 

Z

 

d

 

 

 

 

 

 

(M )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

1

 

 

z

 

Z1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

 

 

X2

 

Таким образом переход от исходной системы координат к

 

 

 

 

 

 

 

 

Y2

 

 

новой

 

осуществляется

 

при

 

помощи

 

 

столбцовой

 

матрицы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d x

d y

 

d z

T . Обратный переход от новой системы коорди-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

нат

X Y Z

 

 

 

 

к исходной

X YZ

описывается уравнением

 

 

 

 

 

 

X1

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X1

 

X2

 

dx

 

0

 

0

 

X2

 

dx

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.6. Параллельный перенос

 

 

 

 

 

 

У

 

 

 

У

2

 

 

0

 

d

 

 

0

 

У

2

 

d

 

.

 

 

 

 

 

начала координат.

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

у

 

 

 

 

 

 

 

 

у

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z

 

 

 

Z

2

 

 

0

 

 

0

 

d

z

 

 

Z

2

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

3.4. Преобразования декартовых систем координат

 

 

 

 

 

 

 

165

3.4.2.

Линейные преобразования. В

декартовых координатах вектор

X

2

Y Z

2

T , получаемый из

 

 

X Y Z T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

исходного

вектора

в

результате

линейного преобразования

пространства, в общем виде

 

 

1

 

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

записывается так:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X2

 

A11

A12

A13

 

X1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y

 

A

 

A A

 

 

Y

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

21

22

23

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z

2

 

A

 

A A

 

 

Z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

31

32

33

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Матрица линейного

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

преобразования

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Компоненты Aij

матрицы A

линейного преобразования определяются через направляющие косинусы

углов между осями координат исходной X1Y1Z1 и новой X2Y2 Z2

системами координат:

 

 

 

 

A

cos X , X

2

;

 

 

A

cos Y , X

2

;

 

A

cos Z , X

2

;

 

 

 

 

11

 

 

 

1

 

;

 

 

12

 

1

 

 

 

13

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

A

 

cos X ,Y

 

 

A

cos Y ,Y ;

A

cos Z ,Y

 

;

 

 

 

 

21

 

 

1

 

2

;

 

 

22

 

1

2

;

 

23

 

1

 

2

.

 

 

 

 

A

 

cos X , Z

2

 

 

A

cos Y , Z

2

 

A

cos Z , Z

2

 

 

 

 

31

 

 

 

1

 

 

 

 

32

 

1

 

 

 

33

 

1

 

 

 

 

При этом положительное направление отсчета углов между осями координат противоположно направлению хода часовой стрелки.

В приведенных соотношениях на косинусы углов можно также смотреть как на проекции ортов i 2 , j 2 , k 2 новой системы координат на оси X1 , Y1 , Z1 исходной системы.

Обратное преобразование, которое необходимо для перехода от новой системы координат X2Y2 Z2 к исходной системе X1Y1Z1 , описывается матрицей, обратной матрице A , т.е. матрицей A 1 . Поскольку

матрица A ортогональна, то A 1 A T , а матрица A 1

обратного преобразования координат может быть

получена путем транспонирования матрицы A прямого преобразования координат:

 

 

 

A

A

A

 

1

A

T

11

21

31

 

A

 

A12

A22

A32 .

 

 

 

A

A

A

 

 

 

 

13

23

33

 

Нахождение транспонированной матрицы менее трудоемко, чем определение обратной (если обратная равна транспонированной). Это следует отнести к преимуществам рассматриваемого способа преобразования координат.

Часто встречаются случаи, когда исходная и новая системы координат развернуты одна относительно другой вокруг одной общей оси координат. Более того, сложное относительное расположение систем координат X1Y1Z1 и X2Y2 Z2 , как правило, удобнее разложить на несколько простых поворотов вокруг осей

координат с тем, чтобы матрицу результирующего преобразования координат получить как произведение записанных в соответствующем порядке матриц частных преобразований координат. Для подобных случаев взаимного расположения систем координат матрицы преобразования координат существенно упрощаются и могут быть записаны так:

при повороте вокруг оси X1 на угол (рис. 3.7.1):

 

1

0

0

 

 

A

0

cos χ

sin

;

X

 

 

 

 

 

 

 

sin χ

cos χ

 

 

 

0

 

 

166

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Системы координат и линейные преобразования

 

 

 

 

при повороте вокруг оси Y1

на угол

(рис. 3.7.2):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos ξ

0

sin ξ

 

 

 

Z2

 

Z1

 

 

 

 

 

 

Z1

 

 

 

 

Z1

Z2

 

 

0

1

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y2

 

Z2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y2

AY

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y

 

 

 

 

 

sin ξ

cos ξ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

при повороте вокруг оси

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y

 

 

 

 

 

Y

 

 

 

Y

Z1 на угол (рис. 3.7.3):

 

 

 

 

X1

 

X2

 

 

 

1

 

X1

 

 

 

1

X1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X2

 

 

X2

 

cos ζ

sin ζ

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.

 

 

 

 

 

 

2.

 

 

 

3.

A sin ζ

cos ζ

 

0 .

 

 

 

Рис. 3.7. Поворот системы координат вокруг осей координат.

Z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Обратные преобразования

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A 1 A T

, A 1 A T

 

A 1 A T

производятся при помощи

транспонированных

матриц

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

X

 

Y

 

Y

 

 

соответственно.

Ai Ai1

 

 

 

 

Ai3 (строки матрицы),

комплектующие матрицу A линейного

Векторы

 

Ai2

преобразования, представляют собой линейно независимую систему векторов. Поэтому из девяти элементов

матрицы

A независимыми являются только три ее элемента,

которые не должны составлять какой-либо

столбец или строку этой матрицы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пусть матрица

A1 2

перехода от первой системы координат X1Y1Z1 ко второй системе координат

X2Y2 Z2

представлена в форме:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

11

a

12

a

13

 

 

cos X

,X

 

cos X

,Y

 

cos X

,Z

 

 

 

 

 

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 1

 

 

 

2 1

 

2 1

 

 

 

(3.8)

 

 

 

 

a

12

a

22

a

23

 

 

 

cos Y ,X

cos Y ,Y

 

cos Y ,Z

.

 

 

 

 

 

1 2

 

 

 

 

 

 

 

2 1

 

 

 

2 1

 

 

2 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

a

 

a

 

 

 

 

cos Z

,X

 

cos Z

,Y

 

cos Z

,Z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

31

32

33

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 1

 

 

 

2 1

 

2 1

 

 

 

Обозначим орты i1 , j1 , k 1

исходной системы координат X1Y1Z1

после перевода ее в новую систему

координат

X2Y2 Z2 через a 2 a x

, a y

, a z

, b 2 bx

, by

, bz

, c2 cx , c y

 

, cz

. Эта запись указывает на то,

 

2

2

2

2

2

2

2

2

2

что орты

i1 , j1 , k 1 разложены по осям новой системы координат

X2Y2 Z2 . На основании формулы (8)

матричное представление этих векторов может быть записано в форме:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

x

 

a

11

 

 

 

 

 

b

x

 

a

12

 

 

 

 

a

 

 

a

 

a

 

 

 

 

b

b

 

a

 

 

a

2

2

2

 

 

 

,

b

2

2

 

 

 

,

 

 

 

 

y2

 

 

21

 

 

2

 

y2

 

 

22

 

 

 

 

 

 

a

 

 

a

 

 

 

 

 

 

b

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z2

 

31

 

 

 

 

 

z2

 

32

 

 

 

 

 

 

c

x

 

a

13

 

 

 

c

 

 

c

 

a

.

c

2

2

2

 

23

 

 

 

 

y2

 

 

 

 

 

 

 

 

c

z2

 

a

33

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Линейные преобразования, задаваемые матрицей A aij , ортогональны. Условия ортогональности записываются так:

aiaTj

a

2

a

2

a

2

1;

aiaTj

ai

a j

ai

2

a j

2

ai

a j

3

0

,

i j .

 

 

i

 

i

2

 

i

 

 

1

1

 

 

 

3

 

 

 

 

 

1

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Так как орты a 2 , b 2 , c2 – единичные и взаимно перпендикулярные, то

3.4. Преобразования декартовых систем координат

167

a

2

a

2

а2

a 2

a 2

1;

 

 

 

11

21

31

 

 

b 2 b 2 a122 a222

a322

1;

 

c2 c2

a132

a232

a332

1;

(3.9)

a 2 b 2 a11a12 a21a22 a31a32 0; a 2 c2 a11a13 a21a23 a31a33 0; b 2 c2 a12a13 a 22a23 a32a33 0.

Шесть уравнений (9) связывают девять элементов матрицы (8). Следовательно, независимыми являются только три элемента матрицы A1 2 .

Для контроля правильности выполнения действий в случае необходимости выполнения многократных преобразований координат целесообразно использовать соотношения, связывающие элементы

матрицы A1 2 . Помимо

зависимостей

(9), можно

получить

еще

шесть зависимостей для

указанных

элементов матрицы A1 2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Обозначим через

a1

a x , a y , az

 

,

b1 bx , by

, bz

,

c1 cx

, cy

, cz

 

орты новой системы

координат

 

 

1

 

1

1

 

 

1

1

1

 

1

1

1

 

 

 

X2Y2 Z2 , разложенные по осям исходной системы координат X1Y1Z1 . На основании (8) запишем

 

 

 

a

 

 

a11

 

b

 

 

a21

 

 

 

a31

 

 

 

 

1

a

12

;

 

a

 

;

c a

32

.

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

22

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a13

 

 

 

 

a

23

 

 

a33

 

 

Так как векторы a1 ,

b1 , c1 – единичные и взаимно перпендикулярные, то

 

 

 

 

 

a1 a1 a112 a122 a132 1;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b1 b1 a212 a222

 

a232

1;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c1 c1

a312 a322

a332

1;

 

 

 

 

 

(3.10)

a1 b1 a11a 21 a12 a22 a13a23 0;

a1 c1 a11a32 a12 a32 a13a33 0;

b1 c1 a21a31 a22a32 a23a33 0.

Три независимых элемента матрицы преобразования координат A1 2 должны быть выбраны таким

образом, чтобы ни одно из уравнений (9) или (10) не вырождалось в тождество.

На основании (9) и (10) можно указать следующее правило проверки правильности вычисления элементов матрицы A1 2 :

- определитель матрицы преобразования A1 2 равен

 

A1 2

 

1 (“+”– если левая система координат

 

 

преобразована в левую или правая система координат преобразована в правую, и “–” – если левая система координат преобразована в правую и наоборот, если правая система координат преобразована

вправую);

-сумма квадратов элементов, содержащихся в одной и той же строке (или в одном и том же столбце), равна единице;

-сумма произведений соответствующих элементов двух строк (или двух столбцов) равна нулю;

-каждый элемент определителя матрицы преобразования равен своей адъюнкте (адъюнкта – это минор

определителя, взятый с учетом знака), умноженной на A1 2 1 .

168

3. Системы координат и линейные преобразования

Если исходная и новая системы координат не только имеют разные начала координат, но и их оси развернуты одна относительно другой, то результирующее преобразование координат описывается выражением:

X2

 

A11

Y

 

A

2

 

21

Z

2

 

A

 

 

31

A12

A13

 

X1

 

d x

 

A

A

 

Y

 

d

 

,

22

23

 

1

 

 

y

 

A

A

 

Z

 

d

 

 

32

33

 

1

 

 

z

 

где первая матрица в произведении описывает линейное преобразование, а последняя столбцовая матрица задает линейное смещение начала новой системы координат X2Y2 Z2 в исходной системе координат X1Y1Z1 .

3.4.3. Однородные координаты точек. Для решения задач формообразования сложных поверхностей деталей на многокоординатных станках с ЧПУ преобразования координат, удобно описывать при помощи матриц и векторов четвертого порядка. Основная особенность и главное преимущество этого подхода заключается в том, что любые преобразования координат могут быть описаны при помощи одной математической операции умножения матриц, тогда как использование матриц и векторов третьего порядка требует применения двух операций: преобразование поворота системы координат моделируется умножением матриц, а преобразовани смещения – сложением векторов. Для этого введем в рассмотрение однородные координаты, являющиеся обобщением декартовых координат.

В зависимости от геометрической (физической) природы векторы четвертого порядка точек в трехмерном пространства E3 делят на собственные и несобственные. К первым относят радиус-векторы

точек, ко вторым – векторы, получаемые дифференцированием или бесконечно малым преобразованием радиус-векторов. Координаты векторов четвертого порядка называют однородными координатами. Собственные векторы имеют четвертую однородную координату равную единице, а несобственные – четвертую координату, равную нулю.

Радиус-вектор некоторой точки

M с декартовыми координатами X M ,

Y M ,

Z M записывается в

виде матрицы-столбца четвертого порядка:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

M

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M

 

 

Y

M

M

 

M

 

M

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.11)

r

 

 

 

M X

 

Y

 

Z

 

1 .

 

 

 

Z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вектор r M может быть представлен в виде

r M iX M jY M kZ M e .

где i , j , k – орты системы координат. Аналитически они записываются так:

1

 

0

0

 

 

 

 

 

i 0 ;

j

1 ;

k 0 .

0

 

0

1

 

 

 

 

 

0

 

0

0

Радиус-вектор начала координат равен

 

 

 

 

(3.12)

e 0 0

 

0

1 T .

3.4. Преобразования декартовых систем координат

169

Единственная операция, которая преобразует один радиус-вектор в другой радиус-вектор – это умножение первого радиус-вектора на оператор преобразования координат.

По определению радиус-вектора его начало всегда совпадает с началом системы координат. Несобственный вектор a имеет однородные координаты a x , a y , a z и 0, т.е.

a a x a y a z 0

(3.13)

и не представляет никакую точку.

Несобственными векторами вида (13) являются скорость и ускорение точек, нормаль к поверхности, погрешности положения точек и др.

Несобственные векторы можно складывать один с другим и с собственными векторами. В результате получаются соответственно несобственный и собственный вектор, что легко установить, формально выполняя операции с векторами вида (11) и (13). Кроме того, несобственный вектор можно умножить на скаляр, получая в результате этой операции снова несобственный вектор. Координатная запись этих операций может быть представлена так

 

 

 

 

a x

ax2

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

a

1

a

2

a y1 a y2

;

 

 

az

az2

 

 

 

 

 

 

 

1

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где p – скаляр.

rx ax

 

pax

 

 

 

 

 

 

 

r a ry a y

;

p a pa y

,

rz az

 

 

paz

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

0

 

 

Эти операции имеют ясную геометрическую трактовку. Например, складывая собственный и несобственный векторы, по определению, получаем вектор, приложенный там же, где приложено первое слагаемое, т.е. получаем радиус-вектор.

Для двух несобственных векторов и пары, состоящей из собственного и несобственного векторов, определено скалярное a b и векторное a b произведения, например,

 

 

 

i

j

k

 

r a rxax rya y rzaz

и

r a

rx

ry

rz

.

 

 

 

ax

a y

az

 

Для трех векторов, из которых хотя бы один несобственный, определено смешанное произведение, например:

a1x

a1y

a1z

a1 a 2 a3 a2 x

a2 y

a2 z .

a3x a3 y a3z

3.4.4.Применение однородных координат. Рассмотрим две системы координат: исходную X1Y1Z1 и новую X2Y2 Z2 . Одна и та же точка M пространства имеет в этих системах разные координаты, за исключением тривиального случая, когда системы координат X1Y1Z1 и X2Y2 Z2 полностью совпадают одна с

другой. Обозначим через r1M и r 2M радиус-векторы вида (13) точки M в каждой из систем координат соответственно. Радиус-векторы r1M и r 2M связаны между собой соотношением

r 2M Rs 1 2 r1M ,

Соседние файлы в предмете Технология машиностроения