香煙橫包機(jī)右支架工藝規(guī)程及夾具設(shè)計(jì)
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畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文翻譯
題目 五軸磨床加工工具運(yùn)動鏈的設(shè)計(jì)和分析
五軸磨床加工工具運(yùn)動鏈的設(shè)計(jì)和分析
E.L.J. Bohez,設(shè)計(jì)與制造工程部門,亞洲技術(shù)研究所
摘要:五軸CNC加工中心現(xiàn)在應(yīng)用得非常廣泛。大多數(shù)機(jī)器的運(yùn)動學(xué)原理都是以直角笛卡兒坐標(biāo)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的。這篇文章對有可能的概念上的設(shè)計(jì)和基于理論上有可能的自由度的結(jié)合并且真實(shí)存在的器械進(jìn)行了分類。本文還定義了一些有用的定量參數(shù),例如:工作空間利用因素、機(jī)器加工工具的空間利用率、方位空間的指標(biāo)和方位角。同時還分析了不同概念的優(yōu)缺點(diǎn),給出了選擇的標(biāo)準(zhǔn)和機(jī)器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。最近在工業(yè)中提出的一些基于斯圖爾特平臺的概念也將在這篇文章中進(jìn)行簡要的論述。
關(guān)鍵詞:五軸;機(jī)器加工工具;運(yùn)動鏈;工作空間;CNC;旋轉(zhuǎn)軸
1.介紹
機(jī)器加工工具的主要設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)該滿足以下法則:
1) 運(yùn)動件在工具和零件的定位和安置上應(yīng)該
有足夠的彈性。
2) 以可能的最快的速度進(jìn)行定位和安置。
3) 以可能的最高的精確度進(jìn)行定位和安置。
4) 加工工具和工件的快速切換。
5) 保護(hù)環(huán)境。
6) 可能的高速材料移動率。
一臺機(jī)器的加工工具的軸的個數(shù)通常是由機(jī)器自由度數(shù)或者是在機(jī)器滑動過程中獨(dú)立可控的運(yùn)動數(shù)來決定的。隨著加工工具軸對應(yīng)Z坐標(biāo)軸的產(chǎn)生,ISO軸命名法推薦使用右手坐標(biāo)法則。一個三軸磨床有三個方向的線性滑動:X、Y和Z,這使得機(jī)器能放置在相應(yīng)軸向滑動范圍內(nèi)的任何一個位置。加工工具軸的方向在加工的時候保持不變。這就限制了與工件連接的加工工具的彈性,并最終導(dǎo)致很多不同的結(jié)構(gòu)。為了增加在可能的加工工具、工件定位中的彈性而不用重新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),我們將要在增加更多的機(jī)器的自由度。對于一個傳統(tǒng)的三線性軸機(jī)器,能通過提供旋轉(zhuǎn)滑動來實(shí)現(xiàn)。圖1就展示了一個五軸磨床的例子。
2.運(yùn)動鏈接圖
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。從運(yùn)動鏈接圖中我們可以很快區(qū)別兩組軸:圖2展示了在圖1中五軸磨床的運(yùn)動鏈接圖。從圖中我們可以看到,工件由四根軸運(yùn)載,而加工工具只由一根軸運(yùn)載。
五軸機(jī)器就像兩個相互協(xié)作的機(jī)器人,一個機(jī)器人運(yùn)載工件,另一個機(jī)器人則運(yùn)載加工工具。
為了得到工件和工具定位上最大的彈性,機(jī)器至少需要5個自由度,這意味著工具和工件能在任何角度下連接起來。從一個剛性的物體運(yùn)動連接點(diǎn)的觀點(diǎn)來說,我們也可以理解對軸的個數(shù)的最低要求。為了定位兩個在空間上相互連接的剛體,每個剛體(工具和工件)需要6個自由度或者12個自由度。然而,任何不改變兩者之間定位的共同的平移和旋轉(zhuǎn)的存在將會使自由度數(shù)目減少6個。兩個剛體之間的距離是由工具的加工路徑來決定的,這個距離也將會允許減少一個多余自由度,這樣就使得最小的自由度數(shù)為5。
3.文化背景(略)
4.五軸機(jī)器運(yùn)動結(jié)構(gòu)的分類
按照機(jī)器的旋轉(zhuǎn)和平移軸分類,我們可以把機(jī)器運(yùn)動結(jié)構(gòu)分為四大類:(1)三個平移軸和兩個旋轉(zhuǎn)軸;(2)兩個平移軸和三個旋轉(zhuǎn)軸;(3)一個平移軸和四個旋轉(zhuǎn)軸;(4)五個旋轉(zhuǎn)軸。近乎所有存在的五軸機(jī)器設(shè)備都屬于(1)類。很多的定位焊接機(jī)器人、圈絲機(jī)器和激光加工中心也屬于這一類。只有有限的一些用來加工輪船推進(jìn)器的五軸機(jī)器屬于(2)類。(3)和(4)類只有在設(shè)計(jì)需要增加更多自由度的機(jī)器人的時候才會用到。
五根軸可以分布在工具和工件之間的結(jié)合處。第一種分類是根據(jù)運(yùn)載軸的工具和工件的數(shù)量和在運(yùn)動鏈中各個軸的次序來劃分的。另一種分類是根據(jù)旋轉(zhuǎn)軸放置的位置(是在工具那邊還是在工件那邊)來劃分的?;诘芽▋鹤鴺?biāo)的機(jī)器中的五個自由度是:三個平移運(yùn)動X、Y、Z(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)合是很少見的。如果一根軸承載著工件,習(xí)慣上是用一個附加的標(biāo)記來注釋它。圖1中的機(jī)器能以X’Y’A’B’Z。XYAB軸運(yùn)載著工件,Z軸運(yùn)載著工具。圖3中展示的是XYZA’B’,三根直線運(yùn)動軸運(yùn)載工具,兩根旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)載著工件。
4.1基于工件和工具運(yùn)載軸次序的分類
理論上,如果認(rèn)為在工具和工件運(yùn)載軸的兩個運(yùn)動鏈上的軸的次序有不同的結(jié)構(gòu),可能的結(jié)構(gòu)的數(shù)目會非常大。同時只有兩根直線運(yùn)動軸和三根旋轉(zhuǎn)軸結(jié)合也包括在內(nèi)。
在一個五軸機(jī)器中能以以下方式將一根工具運(yùn)載軸和四根工件運(yùn)載軸結(jié)合:對于X,Y,Z,A,B,C中任意一個可能作為工具運(yùn)載的軸,其他工件運(yùn)載軸可以在剩下的五根軸中選取。所以,對于任意可能的工具運(yùn)載軸選擇(六選一或者有六種可能),在剩下的五根軸中選取四根進(jìn)行不同結(jié)構(gòu)的排列個數(shù)為5*4!=120。所以,理論上只有一根工具運(yùn)載軸的五軸機(jī)器就有6*120=720種可能。其他的結(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)目,w表示工件運(yùn)載軸的數(shù)目(w+t=5),那么全部可能的結(jié)合數(shù)如下所示:
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。如果只考慮有三根直線運(yùn)動軸的五軸機(jī)器,只有3*5!=360的結(jié)合也是仍是有可能的。這些結(jié)合的預(yù)設(shè)值Gt主要是由t的預(yù)設(shè)值決定的。這個預(yù)設(shè)值和由w的預(yù)設(shè)值所決定的G`w 的預(yù)設(shè)值是一致的,其中w=5-t。運(yùn)用以上的定義,我們可以把五軸機(jī)器分為以下小群:(1)G0/G`5組;(2)G1/G`4組;(3)G2/G`3組;(4)G3/G`2組;(5)G4/G`1組;(6)G5/G`0組。
4.2基于旋轉(zhuǎn)軸的位置的分類
我們能根據(jù)旋轉(zhuǎn)軸裝配的位置對機(jī)器進(jìn)行分類。
只有那些有兩根旋轉(zhuǎn)軸和三根線性軸的機(jī)器我們才會進(jìn)一步考慮??赡艿慕Y(jié)構(gòu)如下:
(a)旋轉(zhuǎn)軸裝配在工具桿上;
(b)旋轉(zhuǎn)軸裝配在機(jī)器平臺;
(c)兩者的結(jié)合。
如果機(jī)器的軸的R或者T的類型一樣,那么在工具或者工件運(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)合的個數(shù)為[11]:
其中
每一組的結(jié)合的個數(shù)在下面中將會一個個給出。所有組的結(jié)合總數(shù)為60。從設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)來說,這是我們所考慮的選擇的數(shù)量中較為容易處理的一個。
5.五軸機(jī)器的工作空間
在定義五軸機(jī)器設(shè)備的工作空間之前,要適當(dāng)?shù)亩x加工工具的工作空間和工件的工作空間。加工工具的工作空間就是通過沿著工具運(yùn)載軸路線描繪出工具掃過參考點(diǎn)(例如工具尖端)而得到的。工件運(yùn)載軸的工作空間也是用同樣方法定義的(把機(jī)器平臺的中心選擇作為參考點(diǎn))。這些工作空間能由計(jì)算掃過過的體積決定[6]。
基于以上的定義,我們能定義一些對于不同類型機(jī)器比較、選擇和設(shè)計(jì)有用的定量參數(shù)。
5.1.工作空間利用因素
這個因素可以定義為,工件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
5.2.可加工的體積大小
一旦工件相對于工件參考點(diǎn)是固定的,并且一個特殊的工具相對于工具參考點(diǎn)也是固定的,那么我們就有可能確定可加工的體積的大小。可加工的體積就是能夠在工件上切除的全部體積。機(jī)器工具空間和工件的交集給出了可以切除的材料的總量,或者說是可加工的體積(這是對于特殊的工件和工具機(jī)構(gòu)來說的)。
5.3.機(jī)器工具空間效率
機(jī)器工具空間效率的定義為:機(jī)器工具空間(省略了一部分)和包含著機(jī)器的最小凸起體積。
5.4.五軸機(jī)器的定位空間指數(shù)
一個我們用來估計(jì)定位的最大范圍的方法是為了決定能在機(jī)器上用兩根旋轉(zhuǎn)軸加工的球的最大部分??臻g定位指數(shù)定義為能夠由用所有旋轉(zhuǎn)軸加工的機(jī)器來加工的最大的球頂體積除以機(jī)器工具空間。
如果這個指數(shù)趨近于1,這就意味著所有的旋轉(zhuǎn)軸能夠在整個機(jī)器工具空間中運(yùn)用。如果這個指數(shù)比1小,這就意味著大概百分之的工作空間能運(yùn)用所有的旋轉(zhuǎn)軸。
以上的定義都是理論上的定義。實(shí)際上的定位空間指數(shù)會因?yàn)楸苊饬慵蜋C(jī)器、工具和工件之間的碰撞而進(jìn)一步受到限制。能夠加工的球頂變小就說明了這一點(diǎn)。
6.五軸機(jī)器的選擇標(biāo)準(zhǔn)
我們的目的不是對五軸機(jī)器對于某一項(xiàng)特定的運(yùn)用的選擇或者設(shè)計(jì)進(jìn)行一個徹底的研究。我們只是論述能用來判斷五軸機(jī)器的選擇的主要的標(biāo)準(zhǔn)。
6.1.五軸機(jī)器設(shè)備的應(yīng)用
應(yīng)用能在布置和造型上進(jìn)行區(qū)分。圖12和圖13說明了五軸的布置和五軸造型上的區(qū)別。
6.1.1.五軸布置
如圖12所示,一個在不同角度有著很多孔和平面板的零件,僅僅用一臺三軸磨床來加工這個零件是不可能的。如果我們在用一臺五軸機(jī)器,那么工具能在任何方向和工件定位連接起來。一旦達(dá)到了正確的位置,在大多數(shù)軸固定的情況下,我們就可以對孔和平面板進(jìn)行加工了。平面板中能包括獨(dú)立結(jié)構(gòu)的2D平面。如果我們僅僅是要鉆孔,那么理論上一軸CNC同步控制就足夠了,而加工2D平面時兩軸同步控制就夠了。然而,三軸同步現(xiàn)在也很普遍了。當(dāng)我們把工件和工具放置在連接在一起的時候,這就增加了在開始切削前的快進(jìn)的速度。
6.1.2.五軸造型
圖13所示為一個五軸造型的例子,為了加工這個形狀復(fù)雜的表面,我們需要在切削時控制好與零件接觸的刀具的位置。刀具工件的位置在每一步工序中都會改變。CNC控制器需要在材料切除過程中同步控制五軸。更多關(guān)于造型的細(xì)節(jié)能在參考文獻(xiàn)[13]中找到。五軸的機(jī)器有如下的應(yīng)用:(1)生產(chǎn)刀刃,如: 壓縮機(jī)和渦輪的漿;(2)燃料泵的注射器;(3)頭飾的外形;(4)醫(yī)學(xué)器官例如人造心臟閥;(5)復(fù)雜表面的鑄型。
6.2.軸結(jié)構(gòu)的選擇
在設(shè)計(jì)和選擇一個結(jié)構(gòu)時,零件的尺寸和重量是首要的標(biāo)準(zhǔn)。重型工件要求工件運(yùn)動鏈短。同時,水平加工平面又是較好的一種設(shè)計(jì),這種設(shè)計(jì)會使定位和處理工件變得很便利。把一個重型工件放在一個單獨(dú)旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動鏈上將會很大程度上增加定位的彈性。從圖4中我們可以看出,用一個單獨(dú)水平旋轉(zhuǎn)軸來運(yùn)載工件會使得機(jī)器更加具有彈性。
在很多情況下,我們應(yīng)該把工具運(yùn)動鏈保持得盡量短,因?yàn)槲覀冞€必須運(yùn)載工具軸驅(qū)動裝置。
7.基于斯圖爾特平臺的新的機(jī)器概念(略)
8.結(jié)論
理論上,五軸機(jī)器有很多構(gòu)成方式。近乎所有經(jīng)典的笛卡兒坐標(biāo)五軸機(jī)器都屬于由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系列。這個系列又可以細(xì)分為有著720種情況的六組。就算只考慮三根線性軸的情況,在每個系列中仍然有360種組合。這些不同的組合是根據(jù)在工具和工件運(yùn)載運(yùn)動鏈中軸的次序來區(qū)分的。
如果在對由三根線性軸和兩根旋轉(zhuǎn)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)動鏈中旋轉(zhuǎn)軸的位置,那么我們能五軸機(jī)器分為三組。在第一組中,兩根旋轉(zhuǎn)軸安置在工件運(yùn)動鏈。在第二組中,兩根旋轉(zhuǎn)軸安置在工具運(yùn)動鏈。在第三組中,每個運(yùn)動鏈都安置一根旋轉(zhuǎn)軸。每一組仍然有20種可能的情況。對于一個特定的應(yīng)用領(lǐng)域,要從這些組合中選出一組最好的是一項(xiàng)很復(fù)雜的工作。為了使這項(xiàng)工作變得容易些,我們定義了一些用于比較的指數(shù),例如:機(jī)器刀具空間、空間利用因素、定位空間指數(shù)、定位角度指數(shù)和機(jī)器刀具空間效率。列出了用來計(jì)算機(jī)器刀具空間和在機(jī)器上能加工的最大球頂?shù)闹睆降乃惴?。詳?xì)論述了兩個運(yùn)用這些指數(shù)的例子。第一個例子論述的是加工珠寶的五軸機(jī)器的設(shè)計(jì)。第二個例子則闡明了一臺機(jī)器在線性軸中有著相同范圍,在這種情況下,旋轉(zhuǎn)軸選項(xiàng)的選擇(略)。
運(yùn)用得最廣泛的五軸機(jī)器的兩根旋轉(zhuǎn)軸安置在運(yùn)動鏈末端處的工件一側(cè)。這種結(jié)構(gòu)給出了一種對于機(jī)器刀具結(jié)構(gòu)的模塊設(shè)計(jì)。然而,從應(yīng)用的觀點(diǎn)來說,這種模塊設(shè)計(jì)并不總是最理想的。因?yàn)槔碚撋洗嬖诤芏嗫赡艿慕Y(jié)構(gòu),很明顯的是,對于一個特殊的工件裝置需要一個合適的特定的五軸機(jī)器。模塊設(shè)計(jì)應(yīng)該以在所有的五軸結(jié)合中的模塊性為基礎(chǔ)。當(dāng)前在設(shè)計(jì)中的模塊性是以三線性軸機(jī)器為基礎(chǔ)的。
五軸磨床使得機(jī)器結(jié)構(gòu)的數(shù)量變小。這對增加精確度和減小大部分尺寸是有幫助的。然而,它也有一些缺點(diǎn):(1)五軸機(jī)器的高價;(2)增加的旋轉(zhuǎn)軸的同時也增加了定位誤差;(3)在同等的進(jìn)給下,在機(jī)器軸上的切削速度更高。
在購買五軸機(jī)器之前必須要對需要加工的產(chǎn)品的范圍進(jìn)行深入的研究。那些零件也應(yīng)該分為五軸定位或者是五軸造型,或者兩者都是。例如,有著旋轉(zhuǎn)平臺的機(jī)器對于生產(chǎn)諸如壓縮機(jī)的旋轉(zhuǎn)工件是很好的。一根旋轉(zhuǎn)軸在刀具側(cè),一根旋轉(zhuǎn)軸在工件側(cè),這樣的布置將會提供更大的工作空間利用因素。
最近所介紹的虛擬軸機(jī)器有著一個主要的優(yōu)點(diǎn):潛在的更高的動力響應(yīng)和更高的硬度。然而,它的工作空間利用因素比經(jīng)典的五軸機(jī)器要低。這些機(jī)器的更高強(qiáng)度使得他們非常適于高速磨所需要的高速桿[19]的設(shè)計(jì)。
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