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一种六轴混合驱动数控机床的方案设计

http://www.b2b.hc360.com 中国金属加工网 信息来源:互联网发布时间:2018年08月09日浏览:58

  近年来并联驱动原理机床,虚拟轴机床*的研究开发非常活跃。1994年在芝加哥国际机床博览会上,美国Giddings&Lewis,HEXEL。公司和英国Geode。ic公司首次展出了称为“变异型”,VARIAX。和“六足虫”,hexapods。的数控机床和加工中心并引起轰动,同时被多家媒体称誉为“机床结构的重大革命”,“21世纪的新一代数控加工设备”。这种机床通过改变并联驱动杆长度改变带有刀具的活动平台的位置,不用任何导轨与滑板,因而被称为并联机床,也称虚拟轴机床,被誉为本世纪机床结构的最大变革。1997年在汉诺威国际机床博览会上,参展的并联驱动原理机床已多达十几台。近年来,国内亦有许多单位对这种并联机构进行研究。清华大学制造工程研究所的VAMT1Y型并联机床原型样机于1997年12月完成。但完全并联驱动机床的作业空间较小,回转运动范围小,对物流系统的开放性也受到限制,并且控制算法也较复杂。本文研究一种将并联和串联的优点有机结合起来的混合驱动数控机床。


  1 运动方案及总体布局

  一般来说,五轴五联动的机床就能进行各种复杂形状零件的加工,但有时为了适应特殊形状加工需要,或者为了适应新型加工方法的需要,或者为了提高加工效率,需要有六轴六联动的机床。本文研究具有3个回转运动和3个直线运动的六轴六联动机床。

  1.1运动方案

  在具有3个回转运动和3个直线运动的六轴机床加工过程中,并不是每个运动都需要较大的运动范围。串联驱动的特点是运动范围大,特别是回转角可大于360°;并联驱动则恰恰相反。因此,运动范围要求大的宜采用串联驱动方式,运动范围要求相对较小宜采用并联驱动机构来实现。本文由此研究设计了3个串联运动和3个并联运动相结合的六轴混合式驱动的运动方案,其中并联部分采用如图1a所示的并联机构,实现绕X、Y轴的回转运动和沿Z轴的直线运动;串联部分如图2所示,置于底座上的串联驱动机构可实现沿X、Y轴的两个直线运动和绕=轴的一个回转运动,以满足作业范围大的运动要求。由于采用了串并联混合驱动方式,虽然为六轴联动机床,但其控制算法仍比较简单。

一种六轴混合驱动数控机床-01.jpg

  下面就并联驱动机构的工作原理及其运动学的逆解和正解的解析进行分析。本研究采用如图1所示的三自由度并联机构。

  由图1b可求出并联机构的逆解:

2.png

  式中[oTc]为定平台坐标系0-XYZ和动平台坐标oc-xcyczc之间的齐次坐标变换;aic、ai分别为杆i的两个上端点在动平台坐标系和定平台坐标系中的坐标矢量;Ai杆i的下端点在定平台中的坐标矢量;li为杆@的长度矢量,通过解式(1);式(2)求得。

  并联机构的正解的求法如下:

  1.png

  其中ψi如图1b所示:[oTi1]为坐标系O-XYZ与第i分支关节1的坐标系oi1-xi1yi1zi1之间的坐标变换;lij为第i分支和第j分支在动平台上端点间的距离;R为定平台的外接圆半径。通过式(4)(5)(6)即可求出被动关节角θi1、然后再由式(1)(4)求出动平台的位姿矩阵[oTc]

  1.2总体布局

  总体方案的结构布局采用了龙门式布局型式。将图1所示的并联机构的定平台固定在龙门的顶盖板上;主轴箱倾斜45°,斜置固定在并联机构的动平台上,串联部分置于机床的底座上。机床的总体方案外观图如图2所示。由于采用了龙门式布局型式,克服了六自由度虚拟轴机床与物流可亲近性差的缺点。

一种六轴混合驱动数控机床-02.jpg

  2 被动关节转角的运动解析

  虽然被动关节的转角一般对驱动无影响、但对动平台的摆动范围的实现至关重要、特别是对动平台上的球铰影响较大。被动关节转角的求解方法如下:

  1)根据运动方案的研究可知,根据杆长,由运动学正解求出各分支的被动关节的转角和动平台的位姿矩阵[oTc]。

  2)动平台的位姿可由各分支的主动关节和被动关节的运动矩阵[To,c]&来表示,即:

1.png

  由于θi1利用前述的方法已求出,li为已知、故式(6)中只有θi3、θi4、θi5为未知数。令:

2.png

  解式(7)即可求出被动关节的转角θi3、θi4、θi5。

一种六轴混合驱动数控机床-03.jpg

  3 动平台的摆动范围

  并联机构的动平台摆角范围较小、因此虚拟轴机床实现立]卧两用比较困难、现有的虚拟轴机床大多是立式机床。动平台摆角范围比较小、主要是受动平台上被动关节转角的限制。图1所示的三轴并联机构动平台的摆角受图5中的被动关节转角θi3、θi4、θi5的限制。

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  为了扩大动平台的摆动范围、使机床的主轴达到立]卧两用、本研究采用将机床主轴斜置45°的布局型式、如图4所示、图中S为主轴、当动平台摆动45°时为立式主轴、当动平台摆动-45°时为卧式主轴。同时合理设计动平台上被动关节球铰的初始安装角,可以保证当动平台摆动±45°时不受被动关节转角的限制是能够实现的。例如,本文所研究的数控机床方案,当z=1000mm初始安装角为30°时,计算结果列于表1中。

1.png

  4 结语

  1)采用串联:并联混合驱动方式的数控机床,作业范围大,特别是转动范围比完全并联原理机床大大扩展,C轴可超过360°,B轴可超过90°可实现立、卧两用。

  2)被动关节的运动解析对动平台摆动范围的设计至关重要。通过合理设计被动关节球铰的初始安装角,可以保证当动平台摆动±45°时,不受被动关节转角的限制。

  3)并联运动各关节的刚度,对六轴串并联混合式驱动数控机床的性能影响很大,这还需要在以后的工作中继续研究。


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