多轴联动复合加工数控机床的创新开发

　　多功能复合加工机床由于其能在一台设备上完成多种加工要求的优点,满足当今社会对于机床高速度、高精度、高效率、高柔性的要求,吸引了众多机床制造商研究开发。对于多轴联动机床世界各国基本上都处于研究、试制和试用阶段。在对多轴联动机床的动力学分析及其对加工过程、加工精度以及控制策略的影响规律等方面的研究在国内外还仅处于起步阶段,许多富有挑战性的关键技术有待于研究和探索。运动方案创新设计是实现机械创新设计的关键一步,在机械创新设计中占有极其重要的地位。基于功能分析的机械系统运动方案创新设计方法,是一种既便于设计者掌握、又行之有效的方案创新设计方法。

　西安理工大学机械自动化研究所充分认识到复合加工是机床发展的重要方向,在进行基础技术和应用技术研究的同时,运用机械创新设计方法进行了如下多轴联动复合数控机床的研究与开发:六轴联动混联数控机床;六轴联动卧式复合数控机床;六轴联动立式复合数控机床;五轴联动复合激光加工机床;五轴联动电火花铣加工机床;五轴联动精整加工数控机床。本文将针对其中三种典型的机床创新设计加以介绍。

1 六轴联动混联数控机床6PM2

　　传统数控机床的运动功能是串联形式,运动范围大,特别是转动范围大。五轴、六轴数控机床的主轴头摆动范围大于90b,可实现立式、卧式加工,工作台转动范围大于360b,因此可以实现除了工件安装面之外的任何表面的加工。近年来出现了新型的并联机床,具有完全自由度的六轴并联机床原理上的高速、高刚度及高精度的特点,但其转动作业范围小,不能实现立式和卧式加工。采用串联与少自由度的并联方式相结合的混联方式,巧妙地利用二者的优点,避其缺点,是发展新型机床的有效途径。开发的6PM 2就是一种六轴联动混联式新型数控机床。

　　串联式数控机床可以采用创成方法进行运动功能方案的创新设计。混联式数控机床可以在用创成方法生成的串联运动功能方案的基础上,用运动等效的方法将部分串联运动转换成并联运动,从而生成混联式数控机床的运动功能创新方案。这里仅以例子说明。例如,串联式六轴加工中心的运动功能方案之一可以用下式表达W /C. X. Y /Z . B. A /T式中W及T分别表示工件和刀具。上式表示工件一侧具有C, X及Y轴运动功能,刀具一侧具有Z, B及A轴运动功能。若将刀具一侧Z, B及A轴的实轴运动等效为并联机构的虚拟轴Z, B及A轴运动,则变为由C, X及Y串联和虚拟轴Z, B及A轴并联组成的六轴混联式运动功能方案。由于用创成方法可以生成许多串联运动功能方案,再通过等效置换,可以生成很多混联式运动功能方案。经过评价,选择合适的运动功能方案作为整机结构方案设计的基础。

　　并联机构的关键是被动关节。被动关节的刚度和精度稳定性(与摩擦有关)是相互矛盾的。滑动副承载能力大,刚度高,但往往摩擦较大,滚动副的特性与滑动副相反,其承载能力和阻尼差,但摩擦特性好。根据被动关节转动速度低、结构要求非常紧凑的特点,为了同时满足结构紧凑、承载能力大、摩擦小的要求,提出了将滚动副和滑动副相结合的滚滑复合运动副被动关节的复合运动副原理与机构,其中滑动副采用摩擦因数小的贴塑滑动副。这种关节具有刚度高、摩擦小的特点,可以较好地解决被动关节的刚度与精度的矛盾。单自由度滚塑复合被动关节(R关节)的原理示意图如图1,坐标系取法如图所示。构件a和b之间有一个绕x6轴转动的单自由度运动副,滚动约束r约束了其余的x1、x2、x3、x4和x55自由度,滑动约束s为过约束。

　　由于单自由度的滚动被动关节抗弯刚度最弱,开发的滚滑复合被动关节目标主要是提高抗弯刚度,其原理的构思是:外载荷F1、F2和F3主要由滚动副承受,而M4和M5则由滚动副和滑动副共同承担,因此这种滚滑复合关节当M4和M5较小时与纯滚动关节相比摩擦力增加很小,只有M4和M5较大,关节产生较大的弯曲变形时,滑动摩擦力才有较大增加。

　　理论研究证明由滚动副和贴塑滑动副组成的复合被动关节,可以在保证摩擦力增加很少的情况下有效地减少关节的角位移变形。提高了关节的抗力矩能力。试验研究证明了理论解析的正确性。本研究的原理不仅适用于单自由度R关节,同样也可以应用于2自由度的T关节及3自由度的S关节。本研究开发的滚滑复合R关节和S关节经过装配调整试验后,已经装配到本研究所开发的6PM 2混联数控机床的并联机构上进行了实际应用。

　　应用上述运动功能方案创新设计方法所开发的6PM2六轴数控机床,采用了C, X及Y轴串联和3-RPS并联机构的3个虚拟轴Z, B, A轴的混联运动功能方案。该方案的X, Y及C轴的运动范围大,这正是六轴数控机床所需要的;而A, B轴运动范围较小,但已超过90°,可以实现立式、卧式加工。

　　开发的6PM2六轴联动混联机床样机,经过几年来的运动考核,证明其创新方案是成功的。由于该机床实现了六轴联动,所以特别适合复杂轮廓加工。图2至图4为用立铣刀加工的叶轮的仿真图、刀具路径规划图以及加工实物图。6PM2六轴混联数控机床的成功开发,证明将混联机床的方案创新设计与虚拟样机仿真、预测技术相结合,是数控机床创新产品开发的一条有效途径。

2 六轴联动卧式复合数控机床HC-80

　　车铣复合加工中心以先进的设计理念,强大的切削功能,广泛的适用性吸引了越来越多的使用者。它是一次装夹,完成加工范围内的绝大部分工序,尤其是有相对位置要求的工序。这种设计概念解决了以下几个问题:缩减物流长度;减少基准转换;减少工装夹具数量;减少占地面积;缩短新产品试验周期。

　　新型车铣复合加工中心HC-80选用卧式结构,方案创新设计在于粗、精加工机构分开,因此共有三个刀架。如图5所示。精加工刀架3通过垂直、横、纵移动并通过滑板与小龙门架8用导轨副连接,可以实现自身在小龙门架8上的x、y、z、A轴独立运动。刀架3上可采用不同的主轴头进行精铣、精车铣、磨削等加工;其刀库可配置在主轴头的上方,可配置在侧门架上,也可以采用落地式刀库。

图5 混联车铣复合加工中

　　在运动过程中,由于具有三个刀架和两个龙门架,该机最少具有9个伺服轴,最多可有12个伺服轴(为了描述方便,相同坐标方向不同的坐标运动轴用下标区分,即刀架1具有Z1、X1两个伺服轴;刀架2本身有X2、Y2、B2三个伺服轴或X2、B2二个伺服轴,刀架3本身具有X3、Y3、Z3、A3四个伺服轴),最多联动轴数为5(即X3、Y3、Z3、A3、C或X2、Y2、Z1、B2、C),可以进行车、铣及齿轮加工,部件3采用不同的可选主轴头,还可以进行精铣、精车铣、磨削加工。

　　精加工机构具有如图5中坐标系所示的Z3、X3、Y3、A34个运动轴功能,该4个运动是独立设置的,由放置在小龙门架8上的拖板及精加工机构3实现。精加工所需的刀具进给运动功能全部由精加工机构的Z3、X3、Y3、A34个运动轴完成; X、Y、A坐标方向的辅助运动也是由精加工机构的X3、Y3、A33个运动轴完成; Z坐标方向的辅助运动一般也是由精加工机构的Z3运动轴完成,仅当超出Z3轴的行程范围时, Z坐标方向的辅助运动由粗加工机构的Z1运动轴完成,以扩大精加工机构的位置使用范围。

　　混联机床精加工所用的3-PRS并联铣削机构如图6所示。由呈120°分布的3个分支构成,各分支均由移动关节P、回转关节R、定长杆L (杆长L1=L2= L3= L)及球关节S组成,其中P关节为主动关节, R及S关节为被动关节。定、动平台的坐标系分别如图6中ΣOO和ΣOC,ΣOC在ΣOO中的表示为OTM。定平台半径为R(即正三角形B1B2B3外接圆半径),动平台半径为r(即正三角形S1S2S3外接圆半径)。

图6 3-PRS并联铣削机构

　　为了对3-PRS并联机构进行控制,给出了其运动学逆解。

　　动平台三个顶点坐标SOi(即三个S关节中心)在EOO中的表示为:

　　分析可以得到其位形奇异位置以及其与机构奇异的关系。3-PRS机构的奇异位置与S关节的布置有很大的关系,与末端执行器的安装方式也有着密切的关系,通过运动学逆解来指导安排安装方式的角度,当末端执行器的要求运动范围大时,进一步分析产生奇异形位的姿态,合理地分配末端执行器在实体动平台上的安装角,既能避开奇异形位,又可以完成工作要求。

　　根据工作空间分类(可达工作空间和灵活工作空间)的定义,采用虚拟样机技术分析可知3-PRS并联机构本身没有灵活工作空间,因此,若需要末端执行器完成复杂灵活的动作任务,有必要在3-PRS并联机构外部附加上X-Y串联机构以扩大不同姿态的运动范围。当将其安装在混联机床精加工刀架的位置上时,由于附加了相应的串联机构,其工作空间完全能够满足机床精加工要求。

　　这种粗精加工机构复合技术的方案创新点为:

　　1)粗精加工机构复合与独立使用的机构模式。粗精加工刀架并存于本加工中心,但又独立工作。这种粗、精加工由机构进行保证的模式提高了精加工的精度保持性。

　　2)在车削或者粗铣加工时原本由床鞍与床身间的导轨独立承受的颠覆力矩,变为由床身导轨和龙门架的辅助的导轨共同承受,提高了粗加工机构抗颠覆力矩的能力。

3 五轴联动复合激光加工机床5LC-1

　　激光加工作为一种特种加工方法,已经广泛地得到了认可。激光加工的用途很广,其不但可以用于切割,而且还可以用于焊接、热处理等。五轴多功能激光加工机床的研究无疑对于推广激光加工能够起到更好的作用。

　　本研究所承接陕西省教育厅科技开发项目-多功能激光加工机床的研制,在3轴复合激光加工机床的基础上,使用功能创新设计方法,进一步研究开发了5轴联动复合激光加工机床5LC-1,可实现5轴联动;可进行空间复杂曲面激光淬火、激光切割、激光焊接等激光加工。数控系统为自主开发的开放式数控系统。

　　三轴立式加工中心最有效的加工而仅为工件的顶面,三轴卧式加工中心借助回转工作台,也只能完成工件的4面加工。目前高档的加工中心正朝着五轴控制的方向发展,工件一次装夹就可完成5面的加工。配置五轴联动的高档数控系统,还可以对复杂的空间曲面进行高精度加工。

　　五轴联动激光加工机的创新设计在于工作台的回转轴,设置在床身上的工作台可以绕X轴回转,定义为A轴。A轴一般工作范围为+ 30°~ -120°。工作台的中间还有一个绕Z轴回转的回转台,定义为C轴。C轴都是360°回转。这样通过A轴与C轴的组合,固定在工作台上的工件除了安装底面之外,其余的5个面都可以由激光头进行加工。A轴和C轴最小分度值一般为0. 001°,这样可以把工件按任意角度进行细分,加工出倾斜面、倾斜孔等。A轴和C轴如与X , Y, Z三个直线轴实现联动,就可加工出复杂的空间曲面,当然这需要高档的数控系统、伺服系统以及软件的支持。而本机床的数控系统为自主研发的开放式数控系统,最大程度上满足了系统的需要。这种配置方式的优点是主轴的结构比较简单,主轴刚性非常好,制造成本比较低。

　　在进行5LC-1创新设计过程中,重点考虑了五轴加工和三轴加工的本质区别,在三轴加工情况下,刀具轴线在工件坐标系中是固定的,总是平行于Z坐标轴;而五轴加工的情况下,刀具轴线一般是变化的。刀具轴线的控制原则是兼顾高的加工质量和切削效率,同时避免加工中可能存在的刀具与工件、夹具的干涉。因此三轴加工的研究关键在于加工特征的识别和刀具路径的规划,五轴加工的研究关键在于刀具姿态的优化。

　　常见的刀具轴线控制方式:垂直于加工表面,平行于加工表面,倾斜于加工表面。倾斜方向是五轴加工的一般控制方法,垂直于加工表面和平行于加工表面均为其特殊形式。复杂曲面加工过程中往往通过改变角度来避免刀具、工件、夹具、机床间的干涉和优化数控程序。

　　通过功能创新设计出的该机床具有三大加工功能-激光切割、激光焊接和激光淬火,并且利用示教法解决了激光切割过程中存在的焦点偏离工件表面的问题,从而保证了激光切割工件的切口质量。利用CCD视觉传感器,解决焊接过程中存在的重要难题-焊缝跟踪问题,从而保证了焊接质量。

4 结 论

　　复合加工技术发展促进了加工效率的不断提高。己经出现了各种机械加工方法组合的复合机床,能在一次装夹情况下,完成工件的大部甚至全部工序,减少安装定位误差,提高加工精度(质量);减少工序装卸辅助时间和物流时间,提高生产效率(成本、周期);减少了夹具及物流装备,降低成本及准备时间(成本、周期)。

　　在使用机械创新设计方法进行设计时,首先对机械系统的预期功能进行分析,并对总功能进行分解,在此基础上尽可能多地寻找实现各分功能的机构,或以各分功能为目标进行机构创新,然后对实现各分功能的机构进行组合,并对各种可能的方案进行综合评价,从中选择最佳方案以满足预期的功能要求。

　　本研究所成功的将基于功能分析的机械系统运动方案创新设计方法应用于多轴联动复合机床的开发设计中,开发出的多轴联动复合加工机床,经过实践的检验运行良好,均满足了预期的功能要求。实践证明将混联机床的方案创新设计与虚拟样机仿真、预测技术相结合,是数控机床创新产品开发的一条有效途径。