五軸銑床運(yùn)動鏈設(shè)計和分析工具

1、五軸銑床運(yùn)動鏈設(shè)計和分析工具 摘要：五軸數(shù)控加工中心今天已經(jīng)變得相當(dāng)普遍。大多數(shù)的機(jī)器的運(yùn)動學(xué)原理是基于一個矩形笛卡兒坐標(biāo)系統(tǒng)。本文將概念設(shè)計和實際現(xiàn)有的實現(xiàn)成為可能基于理論上可能的組合的自由度。一些有用的定量參數(shù),如工作區(qū)利用系數(shù)、機(jī)床空間效率取向空間索引和定位角索引定義。同時還分析了不同概念的優(yōu)缺點(diǎn)，給出了選擇標(biāo)準(zhǔn)和機(jī)器結(jié)構(gòu)的設(shè)計。新概念基于Stewart平臺介紹了最近在工業(yè)和也簡要地討論了。2002愛思唯爾的科學(xué)有限公司版權(quán)所有。關(guān)鍵詞：五軸；機(jī)床；運(yùn)動鏈；工作空間；CNC；旋轉(zhuǎn)軸1. 介紹設(shè)計一臺數(shù)控機(jī)床主要遵循以下規(guī)則：1） 運(yùn)動件在工具和零件的定位和安置上應(yīng)有足夠的靈活性；2） 以

2、可能最快的速度進(jìn)行定位和安置；3） 以最高的精度進(jìn)行定位和安置；4） 加工工具和工件的快速變化；5） 保護(hù)環(huán)境；6） 切削材料速度快。 一臺數(shù)控機(jī)床的軸的數(shù)目通常由機(jī)器自由度的數(shù)目或獨(dú)立控制運(yùn)動的導(dǎo)軌數(shù)來確定的。國際標(biāo)準(zhǔn)委員會推薦通過右手笛卡爾坐標(biāo)來命名坐標(biāo)軸，刀具方向為Z軸。一個三軸銑床有三條導(dǎo)軌，X；Y；Z方向，這使的機(jī)器能在相應(yīng)導(dǎo)軌的滑動范圍內(nèi)移動到任一位置。加工過程中刀具軸的位置保持不變。這就限制了刀具相對于工件在方向變化的靈活性，并導(dǎo)致出現(xiàn)許多偏差。為了盡可能的提高刀具相對于工件的靈活性，不需要重新設(shè)計結(jié)構(gòu),必須要加入多個自由度。對于傳統(tǒng)的三軸機(jī)床來說可以通過提供旋轉(zhuǎn)滑動來實現(xiàn)。圖1

3、給出了一個五軸銑床的例子。2. 運(yùn)動鏈圖表 通過制作一個機(jī)器的運(yùn)動鏈接圖對于分析機(jī)器是很有用的。通過運(yùn)動簡圖可知兩組軸可以快速區(qū)分為：工件裝夾軸和刀具圖。圖2給出了圖1五軸機(jī)床的運(yùn)動鏈簡圖。由圖2可以看出工件由4根軸承載，刀具僅在一根軸上。 五軸機(jī)器就相當(dāng)于兩個相互協(xié)作的機(jī)器人，一個夾住工件另一個控制刀具。 為了獲得刀具在工件方向上的最大自由，五個自由度是最低要求，這意味著工件和刀具可以在任何角度位置相對定位。所需的最低軸數(shù)也可通過剛體運(yùn)動學(xué)的方法來分析。為了確定兩個剛體在空間的相對位置每個剛體（工件和工具）需要6個自由度或者12個自由度。然而，任何不改變兩者定位的共同的平移和旋轉(zhuǎn)將會使自由度

4、減少6個。兩個剛體之間的距離通過刀具的軌跡來描述，并允許消除額外的自由度，這樣就使得最小自由度數(shù)目為5。3. 文獻(xiàn)綜述 最早的(1970年)到目前仍舊有參考價值的對五軸數(shù)控銑床的介紹之一是由Baughman提出并闡述了它的應(yīng)用（1）。APT語言然后成為了五軸輪廓線加工的唯一工具程序的應(yīng)用程序。后處理階段的問題也在數(shù)控發(fā)展的早期由Sim清楚地表達(dá)出來。Boyd（3）也是最早引進(jìn)數(shù)控機(jī)床之一。Beziers的書（4）也有非常有用的介紹。Heid（5）在他的小型銑削加工的書中對多組機(jī)床有非常簡單但啟發(fā)性的定義。最近的一份報告適用于五軸機(jī)床的工作空間計算的問題是多個大規(guī)模使用DenawitHarten

5、berg發(fā)表并由Abdel-Malek和奧斯曼6改進(jìn)的算法。許多類型和設(shè)計機(jī)床的概念可以應(yīng)用于五軸機(jī)是在裁判討論。7但不是專門為五軸機(jī)。設(shè)置的參數(shù)和最優(yōu)取向上的部分機(jī)器是由Ref8中討論。關(guān)于對刀具路徑生成的技巧和新需求由B.K.Choi et al給出的(9).工件和刀具的圖形模擬也是研究的熱點(diǎn)并且在Ref的書中有一個好的介紹。4. 五軸機(jī)床運(yùn)動結(jié)構(gòu)的分類 從R軸(旋轉(zhuǎn)軸)和T軸（移動軸）大致可以劃分為四大部分：:(1)三個T軸和兩個R軸；(2)兩個T軸和三個R軸;(3)一個T軸和4 R軸和(iv)5 R軸。幾乎所有五軸機(jī)床都是1組.也有一些焊接機(jī)器人，彎折機(jī)器及激光機(jī)器屬于這一組。只有限距

6、五軸機(jī)床屬于第二組，可以用于船舶螺旋槳的制造。第三組和第四組用于機(jī)器人的制造，同城添加更多的自由度。五根軸可以分布在工具和工件之間的結(jié)合處。第一分類可以根據(jù)工件和工具所承載的軸數(shù)和運(yùn)動鏈中的每個軸的功能來劃分。另一種分法是根據(jù)旋轉(zhuǎn)軸在工件與工具之間的位置來劃分。五自由度在基于笛卡兒坐標(biāo)機(jī)有：三個平移運(yùn)動XYZ(一般表示為TTT)和兩個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動AB AC BC（一般表示為RR）。三個旋轉(zhuǎn)軸（RRR）和兩個直線運(yùn)動軸(TT)的結(jié)合很少見。如果一根軸承載工件，習(xí)慣上不另加?xùn)|西在他上面。圖1五軸機(jī)床可記為X Y A B Z.XYAB軸裝夾在工件上，Z軸裝刀具。圖3是XYZAB型機(jī)床，3個移動軸裝夾刀具

7、，2個旋轉(zhuǎn)軸裝工件。4.1基于工件和刀具運(yùn)載軸次序的分類理論上，如果認(rèn)為在刀具和工件運(yùn)載軸的2個運(yùn)動鏈上的軸次序有不同的結(jié)構(gòu)，可能會有相當(dāng)大的數(shù)目。也只有兩根直線運(yùn)動軸和三根旋轉(zhuǎn)軸結(jié)合在一起。在一個五軸機(jī)床中能以以下方式將一根工具運(yùn)載軸和四根工件運(yùn)轉(zhuǎn)軸結(jié)合：對于XYZABC中任意一個能作為刀具運(yùn)轉(zhuǎn)的軸，其他工件運(yùn)載軸可以在剩下的五根軸中任選。所以，對于任意可能作為刀具運(yùn)轉(zhuǎn)軸的選擇（6選1或者有6種可能），在剩下的五根軸中選四根進(jìn)行不同結(jié)構(gòu)的排列個數(shù)有5*4!=120。因此，理論上只有一根工具運(yùn)載軸的五軸機(jī)床就有6*120=720種可能。其他結(jié)合方式也可以用這種方法分析。假設(shè)t代表工具運(yùn)載軸的數(shù)

8、目，w代表工件運(yùn)載軸數(shù)目（w+t=5），那么全部可能結(jié)合數(shù)表示如下; 這個方程式的值恒等于6!或者當(dāng)w+t=5時這個值等于720.在這些720的結(jié)合中，有一些只包含兩根直線運(yùn)動軸。如果只考慮有三根軸的五軸機(jī)器，有3*5！=360種可能。這些組合的值由t的值決定。這個預(yù)設(shè)值和由w的值所決定的Gwde值是一樣的，其中w=5-t。運(yùn)用以上定義，可以把機(jī)器分為以下小群：（1）G0/G5組；（2）G1/G4組；（3）G2/G3組；（4）G3/G2組；（5）G4/G1組；（6）G5/G0組。4.1.1G0/G5組 所有軸攜帶工具和工件固定在一個固定的表。圖4顯示了一個用五軸機(jī)攜帶工具。運(yùn)動鏈XBYAZ(T

9、RTRT)。這臺機(jī)器是最早的模型之一五軸機(jī)的處理很重的工件。有很多鏈接的工具攜帶運(yùn)動鏈,可以有一個相當(dāng)大的錯誤由于彈性變形和反彈的幻燈片。4.2基于旋轉(zhuǎn)軸線位置的分類 可以根據(jù)旋轉(zhuǎn)軸的裝配位置進(jìn)行分類。 只進(jìn)一步考慮那些有兩根旋轉(zhuǎn)軸和三根線性軸的機(jī)器，可能結(jié)構(gòu)如下： （a）旋轉(zhuǎn)軸裝在工具件上； （b）旋轉(zhuǎn)軸裝在機(jī)器平臺上； （c）兩者結(jié)合。 如果機(jī)床的軸的R或T的類型一樣，那么在工具或工件運(yùn)載運(yùn)動鏈中軸的次序就不重要了。一般來說，如果在工件運(yùn)載運(yùn)動鏈中有根平移軸和根旋轉(zhuǎn)軸，在工具運(yùn)動鏈中有根平移軸和根旋轉(zhuǎn)軸，那么結(jié)合的數(shù)為; (3)每一組的結(jié)合的個數(shù)將在下面一個個給出。所有組的結(jié)合總數(shù)為60.

10、從設(shè)計角度來看，這是我們選擇中較為簡單處理的一個。5.五軸機(jī)床的工作空間在定義五軸機(jī)床設(shè)備的工作空間之前，要定義加工工具的空間和工件的工作空間。刀具的工作空間就是通過刀具參考點(diǎn)沿刀具軌跡生成軸（例如刀具尖端）而得到的。工件的工作空間也是同樣定義的（工作臺中心可以被選擇為工件參考點(diǎn)）。這些工作空間可以通過計算切削量來定義?；谝陨系亩x，我們可以定義一些對于不同類型的機(jī)床比較、選擇和設(shè)計有用的定量5.1工作空間利用系數(shù) 這個因素可定義為，工作空間和工具空間的交集與工具空間和工件空間的并集的比。公式為 (4)5.2可加工的數(shù)量一旦工件固定工件相對于參考點(diǎn),和一個特定的工具相對于參考點(diǎn)的工具,它可以

11、確定機(jī)器加工的體積?？杉庸さ捏w積是可以在工件上切除的全部體積和工件的一個特定的實例,并設(shè)置工具和工件。機(jī)床工作空間和工件的交集給出可以切除的材料的總量，或機(jī)器可加工的體積,為特定的工件和工具的設(shè)置。5.3機(jī)床空間效率MTS機(jī)床空間效率被定義為機(jī)床工作空間的比例(省了一部分）和最小的凸起體積。 （6）5.4五軸機(jī)床的定位空間指數(shù) 一個用來估計定位的最大范圍方法是為了決定能在機(jī)床上用兩根旋轉(zhuǎn)軸加工的球的最大部分。空間定位指數(shù)定義為能夠有用所有旋轉(zhuǎn)軸加工的機(jī)器來加工的最大體積除以機(jī)器工具空間。 （7） 圖11 G2/G3組中的R機(jī)床 如果這個指數(shù)接近1，就表示所有的旋轉(zhuǎn)軸能夠在整個機(jī)床工具空間內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)

12、。如果這個指數(shù)小于1，這意味著OSI百分比的工作空間可以使用各種旋轉(zhuǎn)的軸。上面的定義是一個理論的定義。真正的取向工作區(qū)指數(shù)將進(jìn)一步的限制需要避免碰撞的部分機(jī)器,工具和工件。能夠加工的球頂變小就說明了這一點(diǎn)。6. 選擇五軸機(jī)床的標(biāo)準(zhǔn)不是對五軸機(jī)器對于一項特定的運(yùn)用選擇或者設(shè)計進(jìn)行徹底研究。只能使用的主要標(biāo)準(zhǔn)為五軸機(jī)床的選擇進(jìn)行了討論。6.1五軸機(jī)器設(shè)備的應(yīng)用 應(yīng)用可以分為在位置和輪廓上。圖12和圖13展示了五軸位置機(jī)床和輪廓機(jī)床的區(qū)別。6.1.1五軸定位 圖12顯示了一個在不同角度有很多孔和平面的零件，僅僅用一臺三軸磨床來加工這個零件是不可能的。如果使用一臺五軸機(jī)床，那么工具可以在任何方向和工件

13、定位連接。一旦到達(dá)正確位置，在大多數(shù)軸固定下，就可以對孔和平面進(jìn)行加工。平面版中能包括獨(dú)立結(jié)構(gòu)的2D平面。如果只需要鉆洞，那么理論上一個軸數(shù)控就夠了，而加工2d平面時需要2軸同步控制就夠了。然而,同時控制三軸現(xiàn)在是常見的。當(dāng)把工具和工件連接在一起時，能增加開始切削前的進(jìn)給速度。 圖12五軸加工多孔復(fù)雜零件 圖13五軸加工復(fù)雜輪廓零件6.1.2五軸輪廓 圖13顯示了一個五軸輪廓例子，機(jī)器的的表面形狀復(fù)雜，我們需要在切削時控制好與零件接觸的道具的位置。該工具工件定位每一步工序中都會變化。CNC控制器在切除時同時需要控制所有五軸。更多的關(guān)于輪廓細(xì)節(jié)在參考文獻(xiàn)（13）中。五軸輪廓機(jī)器應(yīng)用如下：（1）葉

14、片的生產(chǎn)，如壓縮機(jī)和渦輪葉片；（2）燃料泵的噴油器；（3）輪胎外形；（4）醫(yī)學(xué)假體如人工心臟瓣膜;（5）模具鑄造復(fù)雜的表面。6.2軸配置選擇 軸配置選擇的大小和重量是非常重要的一部分作為第一準(zhǔn)則來設(shè)計或選擇的一個配置。很重的工件需要短工件運(yùn)動鏈。也有偏愛臥式機(jī)表使它更方便解決和處理工件。把一個重型工件在一個旋轉(zhuǎn)軸線運(yùn)動鏈將增加取向非常靈活。可以觀察到圖4，提供一個單一的水平旋轉(zhuǎn)軸線進(jìn)行工件會使機(jī)器更加靈活。在大多數(shù)情況下,該工具攜帶運(yùn)動鏈會盡可能保持簡短,因為toolspindle驅(qū)動器必須同時執(zhí)行。6.3示例1 - 五軸加工首飾 五軸加工首飾1的可能是花形圖14的一部分作為研究。這個應(yīng)用程序

15、是清楚的輪廓線。將部分相比對較小的工具組裝。小直徑工具也需要高速主軸。一個水平旋轉(zhuǎn)面將作為經(jīng)營者一個非常好的選擇將有一個好的視圖部分(范圍360°)。所有軸工件承載軸將是一個不錯的選擇,因為toolspindle可以固定,并且非常嚴(yán)格。有20個方法在工件軸可以組合運(yùn)動鏈(部分4.2.1)準(zhǔn)備。這里只有兩個運(yùn)動鏈將被考慮。案例1將是一個TTTRR運(yùn)動鏈圖15所示。案例2將RRTTT運(yùn)動鏈圖16所示。我的模型與機(jī)器的尺寸X=300毫米Y = 250毫米,Z = 200毫米,C = n 360°和= 360°,和100毫米直徑的機(jī)床表將被考慮。對于這個運(yùn)動鏈工具工作空間

16、是一個單點(diǎn)。選定一套工具，參考點(diǎn)選擇也小。與上面的范圍工件的工作區(qū)將空間被機(jī)器的中心表。如果中心線相交兩個旋轉(zhuǎn)軸的參考點(diǎn),一個柱狀工件的工作區(qū)將得到大小XYZ或300×250×200立方毫米。如果中心線不相交的兩個旋轉(zhuǎn)軸的工件參考點(diǎn)然后工件的工作空間將會更大。這將是一個圓邊棱柱形。這個圓的半徑邊緣的偏心距工件參考點(diǎn)相對于每個中心線。 模型二在圖15的回轉(zhuǎn)軸線的運(yùn)動鏈(RRTTT)。這里還轉(zhuǎn)動軸偏心距的兩種不同的值將被考慮。我認(rèn)為同樣的模式范圍軸線在第五節(jié)中定義的參數(shù)計算為每個模型和偏心率和總結(jié)在表1。可以看出與扶輪軸末端的運(yùn)動鏈(模型),機(jī)床工作空間要小得多。有兩個主要原因

17、。工具和工件的波及體積WSTOOLWSWORK是模型要小得多。第二個原因是由于機(jī)床工作空間的很大一部分不能用我的模型,由于干擾的線性軸。然而工作區(qū)利用系數(shù)較大的模型我沒有偏心距,因為工具的工作空間和工件的工作區(qū)相比還是相對較小的偏心率。與模型我e=50毫米。取向空間索引是相同的這兩種情況下,如果表直徑保持不變。模型II可以處理更大的工件范圍的線性軸相同的模型即扶輪軸在運(yùn)動鏈的開始,導(dǎo)致一個更大的機(jī)床工作空間模型，然后也少了很多干擾機(jī)床工作空間的幻燈片。其他18可能的選擇將索引值在上述情況下有所不同。6.4。例子2 -轉(zhuǎn)盤選擇轉(zhuǎn)盤選擇兩臺機(jī)器相同的運(yùn)動圖(TTRRT)線性旅行和相同范圍的相比,線

18、性(圖17)。旋轉(zhuǎn)式軸有兩個選項:雙軸表與垂直表(我),用臥式雙軸表表(模型II)。表2和3的比較重要的特性。它可以觀察到,減少回轉(zhuǎn)軸線的范圍增加了機(jī)床工作空間。所以我模型更適合較小的工件需要面向大范圍開展業(yè)務(wù),通常輪廓線的應(yīng)用程序。模型二將適合大變化較小的工件工具取向或需要兩個設(shè)置。這種額外的設(shè)置要求可能沒有那么重要那么大。水平表可以使用托盤,轉(zhuǎn)換內(nèi)部設(shè)置外部設(shè)置。乙軸角范圍較大的-105至+105中，圖17.模型1和模型2TTRRT機(jī)器.相比45到20，使其更多適合于復(fù)雜的雕刻模型表面，還因為更高的垂直角度表的角速度范圍。選擇最高的主軸轉(zhuǎn)速，應(yīng)選擇和他將允許使用較小的刀具直徑導(dǎo)致更少的削弱

19、和較小的切削力。最高的選項應(yīng)該選擇和它高主軸轉(zhuǎn)速會降低銅電極的電火花刻模機(jī)更容易。垂直表也是更好地為芯片去除。大范圍的角定位,然而,減少了工件的最大尺寸300毫米和100公斤左右。模型二世與相同的線性軸范圍模型我,但是更小范圍輪換,可以很容易地處理工件的尺寸和重量的兩倍。模型二世將有利于定位的應(yīng)用。模型不能提供自動工件交換,使它不適合大規(guī)模生產(chǎn)。模型II工件自動交換和適用于的位置是大規(guī)模生產(chǎn)。模型,然而,選擇定位應(yīng)用液壓閥等部件外殼都很小,需要大量角范圍。7。新機(jī)器的概念基于Stewart平臺傳統(tǒng)的機(jī)床結(jié)構(gòu)是基于笛卡爾坐標(biāo)。許多表面輪廓線的應(yīng)用只有通過五軸數(shù)控機(jī)床加工，是最合適的。這個五軸機(jī)床

20、結(jié)構(gòu)需要兩個額外的旋轉(zhuǎn)軸線。為了加工準(zhǔn)確，達(dá)到加工硬度，能夠裝夾大型工件，,非常沉重和大型機(jī)器是必需的。 從經(jīng)典的運(yùn)動鏈圖五軸機(jī)械設(shè)計中的第一個軸鏈攜帶所有隨后的軸。因此,結(jié)合慣性動態(tài)響應(yīng)將是有限的。有這樣一個想法，如果有一種機(jī)制，它能夠移動工件時不帶動其他軸。一個新的設(shè)計理念是基于對HEXAPOD的利用。Stewart在1995年描述了hexapod的理論。這是第一次由高夫和白廳20,1954年擔(dān)任輪胎試驗機(jī)。許多可能的使用提出了但只是應(yīng)用到飛行模擬器平臺。原因是六個致動器的控制的復(fù)雜性。最近的驚人的增長速度和減少成本的計算,兩家美國公司使用的斯圖爾特平臺是新機(jī)器的設(shè)計工具。第一臺機(jī)器是VA

21、RIAX機(jī)器從公司吉丁斯和劉易斯,美國。第二個機(jī)器是美國的英格索爾的HEXAPOD公司。Hexapods和其他類似系統(tǒng)設(shè)計討論在參考文獻(xiàn)17.虛擬軸機(jī)床的工件定義以及定位問題在參考文獻(xiàn)18中有討論。從機(jī)構(gòu)設(shè)計可以看出一旦裝刀平臺有點(diǎn)到點(diǎn)矢量唯一的確定后，裝刀平臺仍可以繞刀具軸旋轉(zhuǎn)。這就極大可能的擴(kuò)展伸縮制動器對同種編程語言的結(jié)合。8. 總結(jié)理論上，五軸機(jī)床有很多構(gòu)成方式。幾乎所有經(jīng)典的笛卡爾坐標(biāo)五軸機(jī)床都屬于有三根線性軸和兩根旋轉(zhuǎn)軸，或者三根旋轉(zhuǎn)軸和兩根線性軸組成的。這個系列又可以細(xì)分為有720種情況的六組。如果只有實例三線性軸被認(rèn)為仍有每組360例。分化是基于實例的順序在工具和工件軸運(yùn)動鏈。如果對由三根線性軸和兩個轉(zhuǎn)動軸組成的五軸機(jī)械進(jìn)行分組時，只考慮在工具和工件運(yùn)動連中旋轉(zhuǎn)軸的位置，