五轴联动（共9篇）
五轴联动 篇1
1 系统运行流程概述
设备状态监测系统运行包括传感器、数据采集卡、计算机、数据分析软件、实时状态监控系统等。传感器主要包括:振动、温度、位移、力、视觉和激光传感器等。传感器所测量的信号经实时监控算法进行处理后, 机床将据此采取正确的操作动作, 根据加工过程监控软件, 这些操作可能是改变或调整主轴速度、进给率[1]。
2 设备状态监测点的选取原则
本文以济南二机床集团生产的X KV 24系列的型号为X KV 2420A 11的五轴联动数控定梁龙门镗铣床为研究对象, 对其监控与传感器测点进行设计研究。该镗铣床由机械单元, 电气动力单元和C N C单元组成。
其监测位置主要在电机、联轴器和减速器部分。布置测点的原则为:能对设备的振动状态做出全面的描述;应该是设备振动的敏感点;离机械设备核心部位最近的关键点;易产生劣化现象的易损点。
3 测点的选取与布置
型号为X KV 2420A 11的五轴联动数控定梁龙门镗铣床的主轴结构简图及测点布置如图1。主轴传动系统共有10个测点, 在电机壳体、轴承径向和轴向共需要16个传感器。
4 进给伺服系统的测点布置
进给伺服传动系统包括两部分, 一个是驱动丝杠的直线进给系统, 一个是驱动蜗轮蜗杆的转动进给驱动。直线/转动进给系统的测点布置如图2。
如图2所示, 单个直线进给系统共有5个测点, 在伺服电机壳体、丝杠轴轴承径向和轴向共需要7个传感器。三个直线进给系统则有15个测点, 共需21个传感器。单个转动进给系统共有5个测点, 在伺服电机壳体、蜗杆轴轴承径向和轴向共需要7个传感器。两个旋转进给系统则有10个测点, 共需14个传感器。
5 传感器的选用
根据选取的监测部位, 系统配置的传感器类型应包括振动加速度、振动位移、压力传感器、温度传感器等。传感器对转子振动信号及其相关的压力、温度等信号进行不失真测量, 并将其模拟信号精确地转换为系统所需要的数字信号送入数据采集器进行采样。
加速度传感器反映了设备振动的冲击力, 由于压电式加速计的主要灵敏度在轴向, 横向的灵敏度较差, 因此安装时应保证轴向与要测量的方向一致, 其安装的原则是加速度传感器安装在振动传递的通道上, 尽量靠近振源。
传感器比较理想的安装方法是在磨光的测点上拧入双头螺栓, 在旋上加速度计之前在安装表面上涂一薄层油脂, 以改善安装刚度。测点上的螺栓孔要足够深, 以免螺栓顶到加速度计的基座而影响加速度计的灵敏度[2]。加速度传感器选用美国PC B公司的产品, 型号为608A 11, 灵敏度为10.2m v/ (m/s2) 。
电涡流位移传感器能测量被测体 (金属导体) 与探头端面的相对位置。其长期工作可靠性好、灵敏度高、抗干扰能力强、非接触测量、响应速度快、不受油水等介质的影响。安装时, 每个测点安装两个传感器探头, 两个探头安装在轴承两边同一水平面上相隔90°。
同时为了确定振动的相位角, 应在被测轴上设置一个凹槽或凸键作为键相标记。涡流传感器选用知名厂家美国本特利公司生产的3300X L8m m传感器。
温度传感器选用测量范围为-200℃~850℃的铂热电阻PT100。这是因为标准铂热电阻温度计具有灵敏度高、测温范围广、准确度高、稳定性好、无冷端误差等优点, 并且它是国际实际温标中630.755℃以下的标准温度计[3]。
压力传感器采用罗斯蒙特3051智能压力变送器, 两线制24供电, 输出4~20m A电流信号。
6结论
随着机械设备特别是数控机床的广泛使用, 设备可靠性和安全性日益显得重要, 设备状态监控及数据采集系统作为一个整体是保证设备可靠运行的重要手段。本文针对五轴联动加工中心所设计的监控测点, 经过实际应用收到了良好效果。
参考文献
[1]李超.五轴数控加工程序设计研究[J].机械设计与制造, 2009.
[2]张建育, 宋奇才, 王晓娟.基于DSP运动控制器的开放式数控系统关键技术研究[J].青海大学学报, 2008.
[3]陈雪姝, 林晓春.基于DSP的运动控制器的开发[J].电子科技, 2009.
五轴联动 篇2
几十年来，人们普遍认为五轴数控加工技术是加工连续、平滑、复杂曲面的惟一手段。一旦人们在设计、制造复杂曲面遇到无法解决的难题，就会求助五轴加工技术。早在20世纪60年代，国外航空工业生产中就开始采用五轴数控铣床。目前五轴数控机床的应用仍然局限于航空、航天及其相关工业。
五轴联动数控是数控技术中难度最大、应用范围最广的技术，它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工。国际上把五轴联动数控技术作为一个国家生产设备自动化水平的标志。由于其特殊的地位，特别是对于航空、航天、军事工业的重要影响，以及技术上的复杂性，西方工业发达国家一 直把五轴数控系统作为战略物资实行出口许可证制度，对我国实行禁运。因而，研究五轴数控加工技术对国家科技力量和综合国力的提高有重要意义。
符合数控机床发展的新方向
近几年国际、国内机床展表明，数控机床正朝着高速度、高精度、复合化的方向发展。复合化的目标是在一台机床上利用一次装夹完成大部分或全部切削加工，以保证工件的位置精度，提高加工效率。国外数控镗铣床、加工中心为适应多面体和曲面零件加工，均采用多轴加工技术，包括五轴联动功能。在加工中心上扩展五轴联动功能，可大大提高加工中心的加工能力，便于系统的进一步集成化。最近国际机床业出现了一个新概念，即万能加工，数控机床既能车削又能进行五轴铣削加工。五轴数控机床在国内外的实际应用表明，其加工效率相当于两台三轴机床，甚至可以完全省去某些大型自动化生产流水线的投资，大大节约了占地空间和工件在不同制造单元之间的周转运输的时间和花费。
发展和推广的难点及阻力何在
显然，人们早已认识到五轴数控技术的优越性和重要性。但到目前为止，五轴数控技术的应用仍然局限于少数资金雄厚的部门，并且仍然存在尚未解决的难题。五轴数控技术为何久久未能得以广泛普及？五轴数控加工由于干涉和刀具在加工空间的位姿控制，其数控编程、数控系统和机床结构远比三轴机床复杂得多。目前，五轴数控技术在全球范围 内普遍存在以下问题。
五轴数控编程抽象、操作困难
这是每一个传统数控编程人员都深感头疼的问题。三轴机床只有直线坐标轴，而五轴数控机床结构形式多样；同一段NC代码可以在不同的三轴数控机床上获得同样的加工效果，但某一种五轴机床的NC代码却不能适用于所有类型的五轴机床。数控编程除了直线运动之外，还要协调旋转运动的相关计算，如旋转角度行程检验、非线性误差校核、刀具旋转运动计算等，处理的信息量很大，数控编程极其抽象。
刀具半径补偿困难
在五轴联动NC程序中，刀具长度补偿功能仍然有效，而刀具半径补偿却失效了。以圆柱铣刀进行接触成形铣削时，需要对不同直径的刀具编制不同的程序。目前流行的CNC系统均无法完成刀具半径补偿，因为ISO文件中没有提供足够的数据对刀具位置进行重新计算。用户在进行数控加工时需要频繁换刀或调整刀具的确切尺寸，按照正常的处理程序，刀具轨迹应送回CAM系统重新进行计算。从而导致整个加工过程效率十分低下。
对这个问题的最终解决方案，有赖于引入新一代CNC控制系统，该系统能够识别通用格式的工件模型文件(如STEP等)或CAD系统文件。
购置机床需大量投资
以前五轴机床和三轴机床之间的价格悬殊很大。现在，三轴机床附加一个旋转轴基本上就是普通三轴机床的价格，这种机床可以实现多轴机床的功能。同时，五轴机床的价格也仅仅比三轴机床的价格高出30%～50%。
除了机床本身的投资之外，还必须对CAD/CAM系统软件和后置处理器进行升级，使之适应五轴加工的要求；必须对校验程序进行升级，使之能够对整个机床进行仿真处理。
国内五轴数控技术发展状况与市场分析
五轴联动数控机床，是电力、船舶、航空航天、高精密仪器等民用工业和军事工业等部门迫切需要的关键加工设备。西方发达国家长期对我国实行禁运。
从1999年开始，在CIMT、CCMT等国际、国内机床展览会上，首先是国内的五轴数控机床产品纷纷亮相，国内五轴数控机床的市场逐渐打开，随后国际机床巨头纷至沓来，五轴数控机床的品种和数量逐年上升：CIM T99、CCMT2000分别推出3台国产五轴联动机床；CIMT2001国际机床展览会上，北京第一机床厂和桂林机床股份有限公司分别展出了主轴转速10000r/min的五轴高速龙门加工中心，北京市机电院的主轴转速15 000r/min 的五轴高速立式加工中心；清华大学与昆明机床股份有限公司联合研制的XNZ63，采用标准Stewart平台结构，可实现六自由度联动；大连机床厂自行研制的串并联机床 DCB—510，其数控系统由清华大学开发，该机床通过并联机构实现X、Y、Z轴直线运动，由串联机构实现A、C轴旋转运动，从而实现五轴联动，其直线快速进给速度可达80m/min。这些机床均已达到国际先进水平，体现出我国机床工业为国防尖端工业发展提供装备的实力又有突破性提高。中国机床工业的发展，利用自己研制的高、精、尖产品参与国际竞争，打破了国际技术垄断，国际机床巨头们不愿失去中国这个大有潜力可挖的市场，于是蜂拥而来，把他们的产品“送上门来”：国外展团共展出五轴加工中心8台、五轴车铣加工中心1台、五轴数控刀具磨床5台。
我国数控技术及其设备在各工业部门中的应用整体水平仍然偏低，与工业发达国家相比差距很大。为了实现“十五”规划的发展目标，各部门迫切需要进一步大力发展数控加工技术，亟须配置大量的各类工艺设备，尤其是数控机床设备。对于数控机床设备的主要技术要求是多轴、高速、刚性好、功率大；对坐标数的需求，以三至五轴联动为主。对于关键零件形状复杂的行业，如航空、电力、船舶、模具制造业等，其生产部门对多轴机床要求比例较大，新增五轴数控机床大约占数控机床总数的70%～80%。
装备制造业是一国工业之基石，它为新技术、新产品的开发和现代工业生产提供重要的手段，是不可或缺的战略性产业。即使是发达工业化国家，也无不高度重视。近年来，随着我国国民经济迅速发展和国防建设的需要，对高档的数控机床提出了急迫的大量需求。机床是一个国家制造业水平的象征。而代表机床制造业最高境界的是五轴联动数控机床系统，从某种意义上说，反映了一个国家的工业发展水平状况。长期以来，以美国为首的西方工业发达国家，一直把五轴联动数控机床系统作为重要的战略物资，实行出口许可证制度。特别是冷战时期，对中国、前苏联等社会主义阵营实行封锁禁运。爱好军事的朋友可能知道著名的“东芝事件”：上世纪末，□□□东芝公司卖给前苏联几台五轴联动的数控铣床，结果让前苏联用于制造潜艇的推进螺旋桨，上了几个档次，使美国间蝶船的声纳监听不到潜艇的声音了，所以美国以东芝公司违反了战略物资禁运政策，要惩处东芝公司。由此可见，五轴联动数控机床系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等等行业，有着举足轻重的影响力。现在，大家普遍认为，五轴联动数控机床系统是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等等加工的唯一手段。所以，每当人们在设计、研制复杂曲面遇到无法解决的难题时，往往转向求助五轴数控系统。由于五轴联动数控机床系统价格十分昂贵，加之NC程序制作较难，使五轴系统难以“平民”化应用。但近年来，随着计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）系统取得了突破性发展，珊星公司等中国多家数控企业，纷纷推出五轴联动数控机床系统，打破了外国的技术封锁，占领了这一战略性产业的至高点，大大降低了其应用成本，从而使中国装备制造业迎来了一个崭新的时代！以信息技术为代表的现代科学的发展对装备制造业注入了强劲的动力，同时也对它提出更强要求，更加突出了机械装备制造业作为高新技术产业化载体在推动整个社会技术进步和产业升级中无可替代的基础作用。作为国民经济增长和技术升级的原动力，以五轴联动为标志的机械装备制造业将伴随着高新技术和新兴产业的发展而共同进步。中国不仅要做世界制造的大国，更要做世界制造强国！预计在不久的将来，随着五轴联动数控机床系统的普及推广，必将为中国成为世界最强国奠定坚实的基础！
五轴联动 篇3
一、引言
近年来，许多医疗设备，航空零部件，汽车零部件和模具都需要具有较高的精度和复杂的空间几何形状，使得五轴加工越来越重要，但是因为五轴机床具有自由度大，精度高且承受不了碰撞的特点，因此五轴机床在执行切削加工前，必须进行切削模拟测试。鉴于此，我们设计了一个五轴机床机构的运动仿真模型，并使用这个机构模型进行数控刀具路径的仿真模拟。首先，由Creo没计该五轴机床的机构模型和工件模型，通过CAM软件设计五轴加工NC代码，然后再通过VERICUT仿真模拟软件整合两者资料并构建刀具资料后，即可开始五轴加工仿真模拟，通过这样的方式将Creo、CAM软件和VERICUT软件三种软件中的五轴机床资料整合在一起，使用户可以看到五轴机床的运动仿真场景的结果，并切削模拟，还能让使用者在NC加工程序之后，可以更容易且更快地获得切削加工仿真的结果。
二、建模仿真用的机床各部件
1.机床结构
该机床型号UCP800，是双摆台五轴联动立式加工中心，本机床配备X、y、Z、A和C轴，是一款A轴绕X轴旋转，C轴绕Z轴旋转的五轴加工中心。各轴行程如下：X轴行程800mm，Y轴650mm，Z轴500mm，A轴-100°-120°，C轴0-360°，各轴相对初始位置关系，由于机床模型的复杂性，我们首先利用Creo三维软件构建三维机床，并且以组件形式逐个输出STL格式模型文件，需要注意输出组件模型时的参考基准坐标系，此参考坐标系相当于导入VERICUT中的坐标系原点，如图1所示。
2.机床结构的逻辑关系
在Cre02.0中将7个机构模型画出，如基座模型、y轴机构模型、X轴机构模型、Z轴机构模型、C轴机构模型、A轴机构模型和刀轴机构模型，导入机构模型必须转换成STL格式。由于五轴机床的结构为整合的基础，因此，有必要先建立五轴机床的结构，以Mikron_Ucp800五轴机床为例，其结构要分成X和Z两部分，如图2所示。
3.虚拟机床部件树的建立
当所有的机构模型与五轴机床结构整合完成后，即可得到如图3所示，每一个子结构中都包含了各自所代表的机构模型。
双摆动机型五轴立式加工中心的结构描述如图3所示，其中X和Z在机床本体上移动，所以在机床本体下面建立两个子结构X和Z，并且把该结构分为X和Z两部分来看。
（l）X部分：当X运动会带动Y一起运动并且X是一个移动滑块，其中夹具和工件都固定在回转工作平台C上，所以在X下面建立Y，并且使夹具和工件都依附于C回转工作平台下。
（2）Z部分：当X轴运动时将会带动A轴一起运动，而A轴运动会带着C轴一起运动，所以X轴下面建立A轴，在A轴下面建立C轴，我们把此模型称为双摆台机型，刀轴是建立在Z轴上，所以在Z轴下建立主轴并在主轴下建立刀具。
当有了五轴机床的结构后，即可开始进行五轴机床结构与其他资料的整合。
4.导入机构模型的STL资料
将机构模型的资料与导入五轴机床的结构中，并在视窗中显示五轴机床的各个机构模型。
本文将机构模型的资料导入五轴机床的结构方式说明如下，并以将基座模型导人为例。
（l）因为本研究是将外部资料与五轴机床的结构做整合，所以使用的方式为将外部资料导入至五轴机床的结构中，如图4所示，运用加入模型档案（Model File）的方式来将机构模型资料导入至结构中。
（2）将基座模型导入至结构后，模型会以模型设计时的坐标系原点为基准导入，如图5所示，坐标系原点与五轴机床结构的机械原点会重合，且当资料导入后，即可在视窗中看见五轴机床的基座模型。
当所有的机构模型与五轴机床结构整合完毕后，即可得到如图6所示，每一个子结构中皆包含了各自所代表的机构模型，并如图7所示，整合完成的机构模型皆会显示在视窗中。
5.机床初始化设置
在机床设定中设定行程（图8）及其他参数，检查机床运动结构是否符合真实运动情况，以此完成机床的构建。
三、调入控制系统、工件、夹具及NC程序
此机床采用TNC530控制系统，调入VERICUT控制系统文件hei530.ctl。
工件模型主要是提供使用者观察整个NC加工模拟完的结果，所以整合资料中包含了工件模型资料，而在VERICUT系统中要取得工件模型的资料有两种方式，第一种方式为由VERICUT系统本身建立工件模型，而另一种方式为由外部系统产生工件模型，然后将工件模型资料与五轴机床的结构整合。
夹具模型由外部系统产生，然后将夹具模型资料与五轴机床的结构整合。
NC程序的功能为驱动五轴机床的切削运动，所以在执行五轴机床的NC加工模拟前也需将此资料整合，当NC程序导入完成后，五轴机床才能按照NC程序中的内容来执行NC加工模拟。
四、刀具库建立
刀具资料是由使用者在VERICUT系统中建立的，使用者也可以先行在VERICUT系统中建立一个刀具资料库档案，当需要使用时，可以直接呼叫刀具资料库档案进来，并且需定义刀具被夹持的位置点。
参考Creo系统中所设定的刀具资料来建立NC加工模拟所需使用的刀具，如图9及图10所示，在刀具资料库中建立刀具、其中刀具参数包括了刀具的型式、刀具的长度、刀刃的直径和刀刃的长度等。
五、设定工作坐标系及相关参数
因为NC程序都参照工作坐标系为基准，所以由图11中的G代码偏置来定义VERICUT系统的工作坐标系，并如图12所示，定义工作坐标系的参照位置为TooL至MCS，系统会根据参照位置自动为机器做刀具补偿的动作。
六、仿真结果
图13为某零件在五轴机床加工模拟完成后的结果，其仿真过程反映了真实的加工过程，通过自带比较功能，及时发现碰撞及干涉情况，有针对性的对刀具的走刀路径进行优化，减少空走刀。
当NC加工模拟测试完成后，Creo及PowerMILL及VERICUT三者的资料整合已完成，接下来可以让使用者直接使用此整合资料执行其他不同类型工件的NC加工模拟。
七、结语
五轴联动加工中心加工弧面凸轮 篇4
随着机械制造业的发展及自动化程度的提高, 弧面凸轮分度机构作为自动机械中实现高速、高精度间歇分度运动的新型传动装置, 需求量日益增大。弧面凸轮作为这种分度机构的核心零件, 由于其工作廓面具有空间不可展性, 且形状复杂, 使得设计与加工制造相对比较困难, 在一定程度上限制了它的发展。所以, 提高弧面凸轮的设计水平与加工品质是十分重要的, 而计算机技术的应用以及先进加工方法的出现为开展这项研究提供了条件。
目前弧面凸轮的加工多采用等价加工的方法, 等价加工理论上可以准确加工出弧面凸轮的复杂廓面, 但因不可避免的刀具磨损而出现误差, 只能进入修形、研磨工序, 凸轮廓面的不可展性给修形造成了极大的难度, 并造成了凸轮的不可互换性。圆柱滚子从动件对误差十分敏感, 误差使机构的啮合在边缘接触、点接触与线接触之间交替进行, 机构的动态性能很差, 寿命难以保证, 同时也满足不了机构高速、高精度的要求。在实际加工中经常遇到等价加工无法解决的情况:1) 刀库中刀具有限, 不一定有等价刀具可选;2) 加工时不可避免的磨损, 造成刀具半径发生变化;3) 对于从动件滚子半径较大的空间凸轮, 制造等价刀具不现实。由于弧面凸轮分度机构属于非标准机械产品, 一般是单件小批量生产, 制造等价刀具就意味着延长生产周期, 提高生产成本。这与现代制造快速响应市场需要、低成本制造的特点是不相适应的。
基于以上对弧面凸轮国内外研究现状的分析, 以弧面凸轮为对象, 对弧面凸轮分度机构的几何结构设计和动力学进行了研究, 根据空间啮合理论, 建立了弧面凸轮的廓面模型。以Unigraphics NX 4.0为平台, 建立了弧面凸轮啮合单体的三维CAD模型, 同时进行了装配和运动仿真, 提出了一种利用五轴联动加工中心加工弧面凸轮的方法, 并进行了凸轮的加工试验。
1 弧面凸轮CAD模型的建立
1.1 基本设计参数
文中作为实例所用的弧面凸轮根据企业的要求进行设计, 其主要运动参数如表1所示:
弧面凸轮的曲线型式为A型, 滚子直径为14mm, 中心距C=80mm, 凸轮分度圆半径为40mm, 分度盘分度圆半径为40mm, 滚子宽度b=13.7mm, 滚子与凸轮根部间隙e=6mm , 凸轮弧顶圆半径为40mm, 许用压力角[α]=50°, 分度机构具体几何尺寸如图1所示。
凸轮压力角的验算:
根据公式undefined可得:
undefined
凸轮的压力角小于许用压力角, 所以凸轮结构尺寸符合条件。
1.2 理论廓面的建模
自由曲面造型是现代产品设计的重要实现手段, 同时, 曲面造型也是三维造型中的难点。UG NX4.0软件提供了十分强大的曲面造型功能, 常用的曲面命令主要有直纹、通过曲线组、通过曲线网格以及扫略。
由于理论廓面属于直纹面, 将直纹面参数化, 可以较为方便和深入地讨论其几何属性由直线运动所产生的曲面。并且在数控加工中, 直纹面可用于控制加工刀具轴的方向, 在误差允许的范围内, 侧铣可以大大提高加工效率。所以在本文中采用直纹方式建立弧面凸轮的理论廓面模型。
表达式是一个功能强大的工具, 可以使UG实现参数化设计。运用表达式, 可十分简便地对模型进行编辑;同时, 通过更改控制某一特定参数的表达式, 可以改变一实体模型的特征尺寸或对其重新定位。表达式可分为3种类型:数学表达式、条件表达式、几何表达式。
在创建表达式时必须注意以下几点:
1) 表达式左侧必须是一个简单变量, 等式右侧是一个数学语句或一条件语句。
2) 所有表达式均有一个值 (实数或整数) , 该值被赋给表达式的左侧变量。
3) 表达式等式的右侧可认是含有变量、数字、运算符和符号的组合或常数。
4) 用于表达式等式右侧中的每一个变量, 必须作为一个表达式名字出现在某处。
根据滚子基准曲面的解析表达式, 设定表达式的变量, 并进行边界约束, 其分度段的约束表达式如下:
Pi=pi ()
t=1
x4t=38* (cos (-15+30/7.14159265359* (3.14159265359*0.125*t-0.25* (sin (0.5*180*t) ) ) ) ) * (cos (9*t) ) -80* (cos (9*t) )
x5t=38* (cos (-15+30/7.14159265359* (2+3.14159265359* (6*t+1) *0.125-2.25* (sin (180* (1+2*t) /2) ) ) ) ) * (cos (54*t+9) ) -80* (cos (54*t+9) )
x6t=38* (cos (-15+30/7.14159265359* (4+3.14159265359*0.125* (t+7) -0.25* (sin (180* (7+t) /2) ) ) ) ) * (cos (9*t+63) ) -80* (cos (9*t+63) )
x44t=60* (cos (-15+30/7.14159265359* (3.14159265359*0.125*t-0.25* (sin (0.5*180*t) ) ) ) ) * (cos (9*t) ) -80* (cos (9*t) )
x55t=60* (cos (-15+30/7.14159265359* (2+3.14159265359* (6*t+1) *0.125-2.25* (sin (180* (1+2*t) /2) ) ) ) ) * (cos (54*t+9) ) -80* (cos (54*t+9) )
x66t=60* (cos (-15+30/7.14159265359* (4+3.14159265359*0.125* (t+7) -0.25* (sin (180* (7+t) /2) ) ) ) ) * (cos (9*t+63) ) -80* (cos (9*t+63) )
y4t=-38* (cos (-15+30/7.14159265359* (3.14159265359*0.125*t-0.25* (sin (0.5*180*t) ) ) ) ) * (sin (9*t) ) +80* (sin (9*t) )
y5t=-38* (cos (-15+30/7.14159265359* (2+3.14159265359* (6*t+1) *0.125-2.25* (sin (180* (1+2*t) /2) ) ) ) ) * (sin (54*t+9) ) +80* (sin (54*t+9) )
y6t=-38* (cos (-15+30/7.14159265359* (4+3.14159265359*0.125* (t+7) -0.25* (sin (180* (7+t) /2) ) ) ) ) * (sin (9*t+63) ) +80* (sin (9*t+63) )
y44t=-60* (cos (-15+30/7.14159265359* (3.14159265359*0.125*t-0.25* (sin (0.5*180*t) ) ) ) ) * (sin (9*t) ) +80* (sin (9*t) )
y55t=-60* (cos (-15+30/7.14159265359* (2+3.14159265359* (6*t+1) *0.125-2.25* (sin (180* (1+2*t) /2) ) ) ) ) * (sin (54*t+9) ) +80* (sin (54*t+9) )
y66t=-60* (cos (-15+30/7.14159265359* (4+3.14159265359*0.125* (t+7) -0.25* (sin (180* (7+t) /2) ) ) ) ) * (sin (9*t+63) ) +80* (sin (9*t+63) )
z4t=-38* (sin (-15+30/7.14159265359* (3.14159265359*0.125*t-0.25* (sin (0.5*180*t) ) ) ) )
z5t=-38* (sin (-15+30/7.14159265359* (2+3.14159265359* (6*t+1) *0.125-2.25* (sin (180* (1+2*t) /2) ) ) ) )
z6t=-38* (sin (-15+30/7.14159265359* (4+3.14159265359*0.125* (t+7) -0.25* (sin (180* (7+t) /2) ) ) ) )
z44t=-60* (sin (-15+30/7.14159265359* (3.14159265359*0.125*t-0.25* (sin (0.5*180*t) ) ) ) )
z55t=-60* (sin (-15+30/7.14159265359* (2+3.14159265359* (6*t+1) *0.125-2.25* (sin (180* (1+2*t) /2) ) ) ) )
z66t=-60* (sin (-15+30/7.14159265359* (4+3.14159265359*0.125* (t+7) -0.25* (sin (180* t) /2) ) ) ) )
同理可得理论廓面各段的约束表达式, 利用UG NX的规律曲线命令绘制滚子两端点在空间的运动轨迹曲线, 如图2所示为等直径刀具刀尖轨迹, 也就是分度盘滚子加上安全间隙后中心点的轨迹, 同样可以得到滚子中心线上另外一点的轨迹。最后以滚子中心线为母线, 以轨迹线为引导线建立理论廓面的直纹面。
1.3 弧面凸轮实体建模
根据前述的弧面凸轮实体建模的设计思路, 在进行弧面凸轮实体模型的建立前, 应首先根据凸轮的结构尺寸 (图1) 建立凸轮毛坯, 在UG环境下建立如图3所示的毛坯。
在理论廓面上建立等距偏置面, 可以采用偏置面命令, 也可用片体加厚命令增厚片体, 从而直接建立实体, 不管是哪一种建模方式, 偏置面和增厚片体与原基础曲面相关联, 当原始曲面编辑修改后, 实体模型自动更新。
最后, 用获得的廓面实体与毛坯实体作布尔运算, 便可以得到精确的弧面凸轮实体模型 (图4) 。
2 弧面凸轮的装配与运动仿真
2.1 装配与运动仿真
利用UG提供的自底向上的装配建模方法建立装配模型。在进行弧面凸轮分度机构啮合单体的装配前, 需要对分度盘进行建模 (图5) 。打开分度盘的几何模型, 进入装配环境, 添加一个新组件弧面凸轮, 建立二者之间的一种链接关系, 利用配对组件命令将两个组件之间的位置关系进行约束, 在进行约束关系后的组件之间存在关联关系, 当一个组件移动时, 有约束关系的组件随之移动, 部件之间始终保持相对位置, 而且约束的尺寸值还可以灵活修改, 真正实现装配级的参数化。装配图如图5所示。
2.2 运动分析方案的创建
1) 创建连杆:UG可在运动机构中创建代表运动件的连杆。
2) 创建运动副:UG可创建约束连杆运动的运动副。在某些情况下, 可同时创建其他的运动约束特征, 如弹簧、阻尼、弹性衬套和接触。
3) 定义运动驱动:运动驱动驱动机构的运动。每个运动副可包含下列5种可能的运动驱动中的一种:无运动驱动、运动函数、恒定驱动、简谐运动驱动和关节运动驱动。
按照上述步骤创建弧面凸轮分度机构的运动分析, 其运动仿真如图6所示。
图6表明弧面凸轮分度机构可以正常运行, 说明凸轮与滚子之间不存在干涉, 从另一方面也说明了模型的精度是可靠的, 建模的方法是正确的。
运动导航器用于创建和管理分析方案的部件文件。
在本例中导航器窗口只显示一个节点, 该节点代表进入运动分析模块前的装配主模型, 当有多个运动分析方案时, 导航器窗口会显示多个节点。图7为本例的运动导航器。
3 弧面凸轮的加工工艺及过程
3.1 加工设备
本文采用的加工设备即为德国DMG公司生产的高速五轴联动加工中心 (DMU 70 eVolution) , 该设备的突出优点是可以实现一次装夹, 5面加工、5轴定位、5轴联动加工, 不仅减少了夹具成本, 而且提高了加工精度。另外, 该设备还可以进行高速切削加工。
3.2 毛坯准备及装夹方案
弧面凸轮的毛坯为凹鼓形, 在加工凸轮廓面之前加工弧顶面, 减小廓面加工量, 有利于提高精度;加工时的定位面为凸轮的轴孔和端面, 必须预先精加工。毛坯的外轮廓半径即为凸轮的顶圆弧半径, 凸轮毛坯的宽度等于凸轮的宽度, 凸轮的轴孔直径根据凸轮尺寸选取, 毛坯的具体尺寸可由图1得出, 图3所示为弧面凸轮毛坯。
图8所示为在五轴联动加工中心上加工凸轮的装夹示意图。加工时, 将工作台置为垂直方向, 凸轮用芯轴固定在工作台上, 芯轴与工作台回转中心同轴。
3.3 加工方案
1) 弧面凸轮参数:
右旋凸轮, 分度角72°, A型凸轮, 滚子直径r=14mm, 中心距C=80mm, 凸轮分度圆半径40mm, 分度盘分度圆半径40mm, 分度盘运动规律为修正正弦加速度规律:
undefined
2) 加工参数:
粗加工时去除大部分余量, 选用直径为12mm的四齿端铣刀, 切削速度v=150m/min, 主轴转速n=3980r/min, 每齿进给量f=0.04mm, 进给量vf=318mm/min, 刀具总是以5°倾角, 以螺旋或倾斜方式进入工件材料, 径向进给量为7%刀具直径, 深度进给量为4%刀具直径。半精加工、精加工时必须采用球头铣刀, 否则在加工中会产生干涉, 切除已加工表面, 选用r=5.949mm的四齿球头铣刀, 切削速度v=200m/min, 主轴转速n=5307r/min, 每齿进给量f=0.02mm, 进给量vf=424mm/min。
3) 刀具控制方法:
凸轮毛坯以φ做匀速回转运动;
刀具中心联动坐标为:
加工槽的上表面时,
undefined
加工槽的下表面时,
undefined
式中:f (t) 为曲线方程。
4) 加工过程:
本试验凸轮材料选用40Cr, 采用高速加工工艺, 整个过程为:车顶圆—粗铣槽—半精铣槽—精铣槽—渗氮—抛光—检验。
将事先编制好的数控程序导入数控系统, 即可对弧面凸轮进行加工, 精铣后的工件进行渗氮处理、抛光加工, 即可检验、装配。现场加工如图9所示。
图10所示为在五轴联动加工中心上加工出的弧面凸轮。由于采用球头刀加工, 在槽的底部会形成一个刀具半径的圆弧底, 该缺陷不会影响凸轮的正常使用。弧面凸轮作为分度机构最为关键的部件, 其工作廓面加工品质的好坏直接影响着分度机构的分度精度、运转的平稳性、结构的紧凑性、噪声的高低及使用寿命, 所以弧面凸轮廓面品质的检测是对其加工品质进行评定的一个重要环节, 但是由于弧面凸轮的工作廓面具有不可展性, 无法采用常规仪器进行检测, 缺少有效的检测方法和误差计算方法, 目前还是一个薄弱环节。一般的做法是将弧面凸轮分度机构装配起来, 通过跑合检验分度箱是否能达到相应的要求, 并进行相应的调整。
图11所示为将加工后的弧面凸轮与其他部件装配起来的弧面凸轮分度箱, 实践证明, 利用五轴联动加工中心, 改进走刀方式, 采用高速铣削, 精加工凸轮廓面, 加工后的弧面凸轮经过检验装配, 分度箱能够达到相应的技术要求。该工艺的主要特点是加工的适应性强, 适用范围广, 可以加工各种尺寸参数的凸轮, 并且能够进一步提高加工精度和零件的互换性。
摘要：利弧面凸轮分度机构作为自动机械中实现高速、高精度间歇分度运动的新型传动装置, 被公认为目前最理想的分度机构, 需求量日益增大。但是由于弧面凸轮廓面形状复杂, 且为空间不可展曲面, 使得其设计与加工比较困难。借助Un igraph ics NX 4.0软件实现了弧面凸轮的参数化设计, 简化了设计过程, 并提出了一种利用五轴联动加工中心加工弧面凸轮的方法。结合实验室的五轴联动加工中心, 对弧面凸轮进行加工试验, 验证了加工方法的正确性。
五轴联动 篇5
在金属切削加工领域, 普通高速钢刀具和焊接式硬质合金刀具将逐渐被整体硬质合金刀具和各种可转位刀片所替代。与传统高速钢刀具相比, 硬质合金刀具具有硬度高、脆性大等特点, 因而对于工作曲面形状较为复杂的硬质合金刀具, 利用传统加工方法一般难以满足要求, 需要采用数控工具磨床来进行加工[1]。
数控工具磨床, 特别是多轴联动数控工具磨床是高效、高质量磨削制造精密、复杂形状刀具的关键设备, 与数控铣削和车削相比, 多轴工具磨削加工对编程系统的要求更高, 特别是需要控制砂轮与工件接触和所要求的工件精度标准参数。数控工具磨床也是各类数控机床中结构较复杂、自动化程度高、精度和可靠性要求高的机电一体化高技术产品, 其研究开发具有相当的技术难度。
五轴联动数控工具磨床是目前业界公认的精度和可靠度要求极高的工具机, 目前全球也只有为数不多的厂商有此研发生产能力。厦门金鹭特种合金有限公司在引进消化国外先进数控工具磨床生产技术的基础上, 突破了关键核心技术, 实现了该种设备的国产化, 所研制的样机的加工性能经测试达到了国外同类先进机床的水平。
1 工具磨床主要机械结构设计
1.1 磨床工作台结构方案
通过对国内外机床工作台的典型结构分析后发现, 一般层叠式工作台的优点是结构紧凑, 而立柱式工作台可以使刚度得到较好的保证。图1为三坐标工作台结构方案, 它综合了两者的优点[2]。该方案布局合理, 占用空间小, 是比较合理的工具磨床工作台结构。其中X轴、Y轴和Z轴的运动方向相互垂直, 带动砂轮的联动进给和砂轮的更换和对刀;C轴是旋转轴, 控制工作头的摆动;A轴是工作头, 控制刀具的旋转角度;U轴是辅助轴, 用于X/Y轴的运动补充;其中X轴、Y轴、Z轴、C轴和A轴是联动轴, 用程序控制砂轮组和刀具的相互运动位置, 从而实现刀具的一次性磨削加工。各轴的位置关系如图1所示。
1.2 砂轮主轴结构设计
砂轮主轴采用电主轴结构, 电主轴将机床主轴与主轴电机融为一体, 主轴由内装式电机直接驱动, 省去了皮带、齿轮、联轴器等中间变速和传动装置, 其主轴部件结构紧凑, 重量轻, 惯量小, 可提高起动、停止的响应特性, 有利于控制振动和噪声;利用交流变频技术, 电主轴可以在额定转速范围内实现无级变速。
1.3 棒料辅助支撑机构
采用自动上料机构时, 棒料的前端跳动量会较大, 经常不能满足刀具的加工要求。而且砂轮对棒料进行磨削时, 在磨削力的作用下, 棒料会有较大的挠曲变形, 影响刀具的加工精度。通过增加辅助支撑后, 挠曲变形减小了, 刀具棒料的跳动值下降, 磨削系统刚性也得到了较大的提升。利用三维建模软件Solid Works工具磨床进行详细设计后, 其装配模型外观如图3所示。
2 磨床数控系统设计
2.1 数控硬件系统
数控系统采用基于瑞士NUM AG集团出品的高阶控制器Flexium68系列产品。Flexium系统应用先进的处理器来装备了最新的NC内核, 因此拥有更多的MIPS指令;更多的内存空间, NC内存可达60MB以上, PLC内存可达1 000 MB以上;采用标准化的通讯如CAN、以太网等总线控制方式;可控制多轴 (多于200轴) 、灵活扩展I/O点数以及使用IEC 61131-3标准编程[3]。
电气部分采用CANopen总线控制, 其系统图、主操作面板和控制功能面板如图4所示, 拥有CAN协议的手轮, 63个按钮, 2个倍率开关, 1个三位钥匙开关, 急停按钮等。
2.2 数控软件系统
磨床数控软件系统采用NUMROTOplus专业刀具加工软件进行开发。简化的编程系统使标准刀具的生产和修磨更加简便, 可为标准刀具设置默认参数, 适用于Windows系统的编程环境, 所有参数均配有辅助图片并按真实刀具尺寸显示图像 (如图5所示) , 可提前计算加工时间并可以根据经验对磨削余量、进给率等参数进行调整, 进给率的设置不用考虑轴设置, 并可以在磨削点进行计算, 精度可达0.01μm。
软件主要功能还包括有2D刀具模拟、3D刀具模拟加工、砂轮参数设置、机床碰撞干涉模拟、加工过程测量和磨削去除率计算等。在软件系统中可根据加工刀具的类型选择砂轮, 设置砂轮参数、加工工艺过程及加工步骤等操作, 实现对球头立铣刀、圆弧刃立铣刀、直角头立铣刀、锥形立铣刀、铰刀、端铣刀等各类切削刀具的磨削加工。即使是最好的软件和最佳的磨具有时也不能够避免磨削时的碰撞。一个空转的砂轮、砂轮芯轴或者安装好的附加设备 (尾座、支柱) 都有可能是造成碰撞的原因 (如图6所示) 。为了避免这种情况发生, NUMROTO和NUMROTO-3D软件相互结合, 可以提供一项集成的、全自动的碰撞检测。
在下命令或者在传输CNC文档的同时, 整个磨削过程将受到碰撞检测。如果系统认出一个碰撞, 磨削过程将被终止, 然后将出现相应的操作提示。此碰撞检测也可以同加载器一起使用, 这样每一个工件都可以在测量后 (探头检测) , 在磨削前进行碰撞的检测。除了生产和修磨标准刀具的“普通”应用之外, 软件也涵盖了许多特殊应用。可以在基于砂轮技术参数的基础上选择最优化的加工速率。
用于加工硬质合金刀具的砂轮制造商通常会说明砂轮的最大比磨削去除率Qw′, 它是在砂轮缘厚为1 mm的宽度上, 以mm/s为单位详细说明了砂轮磨削部位上每一个点的最大材料磨削去除率。实际上, 有类似公式通过Qw′数值来计算加工速率。然而这些类似值并不总是正确的, 最终用户在大多数情况下往往通过“直觉”来选择加工速率。一个不恰当的选择将会导致不必要的较长加工时间 (速率太低) 或砂轮的较高磨损 (速率太高) 。
这些加工过程中的不确定因素可以通过加强的NUMROTO三维模拟功能来进行避免。在模拟中的每一个时间点和砂轮上的每一个磨削点都可以准确地确定有多少材料正在被磨削掉。该磨削余量可与Qw′数值对比, 而Qw′数值通常记录在每个砂轮的参数栏中。基于这个对比, 砂轮的边缘受力部位激活以不同颜色显示功能, 还可对受力颜色进行调整。在图7中, 磨削余量比例超过编程峰值的区域以红色动态显示, 而从绿色到蓝色区域表示材料磨削去除率从较小到正常。
NUMROTO能发现任何诸如此类的过载问题。从而使每一个步骤可在砂轮最大峰值线以下合理选择最佳速率, 编程人员能十分容易地进行调整。因此, 砂轮不会超过磨削余量比率的最大峰值。从而保证了砂轮在最低磨损的状态下达到最佳加工时间。
3 自制工具磨床的主要性能参数
所研制的五轴联动数控工具磨床样机的主要性能参数和技术指标如下:1) 可加工刀具柄径为2~20 mm;刀具长度为50~200mm;刀具直径为2~20 mm;2) 电主轴为额定转速6 000 r/min, 额定功率4 410 W;3) 工件旋转轴为回转精度达到±10″, 重复精度达到±2″;4) X轴、Y轴和Z轴的灵敏度和重复定位精度<2μm;各轴导轨平行度<3μm/100 mm以内;5) 砂轮主轴径向跳动<2μm;轴向跳动<5μm。
4 数控磨床加工性能评价
采用本自制的五轴联动数控工具磨床试生产了几种规格的平头立铣刀、圆角头立铣刀和钻头。通过ZOLLER刀具检测机、工具显微镜和投影仪对刀具进行抽检, 从8种刀具中随机各抽取5个样品进行检测, 从结果数据可以看出, 各个主要的参数都在规定值的上下限之间。由此可见, 所研制的工具磨床完全能符合刀具的生产要求。
如图8所示的试加工钻头的抽检数据表, 如表1所示。
5 结语
在引进消化国外先进数控工具磨床生产技术的基础上, 采用三维建模软件对五轴联动数控工具磨床的机械结构部分进行建模、仿真分析和优化设计。借助Flexium68高阶控制器系列产品和NUMROTOplus专业刀具开发软件, 研制了带有友好人机界面、便携手持单元, 具有刀具参数化编程、刀具模拟加工、机床碰撞干涉检验、加工工艺规划、加工过程测量和磨削去除率优化等功能的五轴联动数控工具磨床。可实现对球头立铣刀、圆弧刃立铣刀、直角头立铣刀、锥形立铣刀、铰刀、端铣刀等各类切削刀具的磨削加工。试加工结果表明, 所研制的工具磨床完全能符合刀具的生产要求。
参考文献
[1]崔建昆, 范灏, 奚伟辰, 等.五轴联动数控工具磨床工作台运动方案与结构设计[J].机械工程与自动化, 2011 (4) :209-211.
五轴联动 篇6
关键词：CAD/CAM软件,五轴联动,叶轮
1 CAD/CAM软件
CAD/CAM技术是制造工程技术与计算机技术紧密结合、相互渗透而发展起来的一项综合性应用技术，具有知识密集、学科交叉、综合性强、应用范围广等特点。CAD (ComputerAided Design)是一个过程：由设计人员进行产品概念设计的基础上，完成产品几何模型的建立，抽取模型中的有关数据进行工程分析、计算和修改，最后编辑全部设计文档，输出工程图。计算机辅助工艺设计CAPP (Computer Aide dProce s s Planning)是根据产品设计结果进行产品的加工方法设计和制造过程设计。CAPP系统的功能包括毛坯设计、加工方法选择、工序设计、工艺路线制定和工时定额计算等。工序设计包括加工设备和工装的选用、加工余量的分配、切削用量选择以及机床、刀具的选择、必要的工序图生成等内容。工艺设计是产品制造过程中技术准备工作的一项重要内容，是产品设计与实际生产的纽带，是一个经验性很强且随制造环境的变化而多变的决策过程。随着现代制造技术的发展，传统的工艺设计方法已经远远不能满足自动化和集成化的要求。CAPP在CAD、CAM中起到桥梁和纽带作用：CAPP接受来自CAD的产品几何拓扑信息、材料信息及精度、粗糙度等工艺信息，并向CAD反馈产品的结构工艺性评价信息;CAPP向CAM提供零件加工所需的设备、工装、切削参数、装夹参数以及刀具轨迹文件，同时接受CAM反馈的工艺修改意见。狭义CAM (Computer AidedManufacture)：指计算机辅助编制数控机床加工指令。包括刀具路径规划、刀位文件生成、刀具轨迹仿真、NC代码生成以及与数控装置的软件接口等。广义CAM：指利用计算机辅助完成从生产准备到产品制造整个过程的活动，其中包括直接制造过程和间接制造过程。主要包括工艺过程设计、工装设计、NC自动编程、生产作业计划、生产控制、质量控制等。凡涉及零件加工与检验、产品装配与检验的环节都属于广义CAM的范畴。任何功能强大的计算机硬件和软件均只是辅助设计工具，CAD/CAM系统的运行离不开人的创造性思维活动。因此，人在系统中起着关键的作用。目前CAD/CAM系统基本都采用人机交互的工作方式，这种方式要求人与计算机密切合作，发挥各自所长：计算机在信息的存储与检索、分析与计算、图形与文字处理等方面具有特有的功能;人则在创造性思维、综合分析、经验判断等方面占有主导地位。
2 五四轴联动机床
五轴联动加工中心有高效率、高精度的特点，工件一次装夹就可完成五面体的加工。若配以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，更能够适应像汽车零部件、飞机结构件等现代模具的加工。五轴加工中心的回转轴有三种构成方式，一种是双摆台形式，工作台回转轴，设置在床身上的工作台可以环绕X轴回转，定义为A轴，A轴一般工作范围+30度至-120度。工作台的中间还设有一个回转台，在图示的位置上环绕Z轴回转，定义为C轴，C轴都是360度回转。这样通过A轴与C轴的组合，固定在工作台上的工件除了底面之外，其余的五个面都可以由立式主轴进行加工。A轴和C轴最小分度值一般为0.001度，这样又可以把工件细分成任意角度，加工出倾斜面、倾斜孔等。A轴和C轴如与XYZ三直线轴实现联动，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。这种设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。但一般工作台不能设计太大，承重也较小，特别是当A轴回转大于等于90度时，工件切削时会对工作台带来很大的承载力矩。另一种是双摆头形式，依靠立式主轴头的回转。主轴前端是一个回转头，能自行环绕Z轴360度，成为C轴，回转头上还有带可环绕X轴旋转的A轴，一般可达±90度以上，实现上述同样的功能。这种设置方式的优点是主轴加工非常灵活，工作台也可以设计的非常大，客机庞大的机身、巨大的发动机壳都可以在这类加工中心上加工。这种设计还有一大优点：我们在使用球面铣刀加工曲面时，当刀具中心线垂直于加工面时，由于球面铣刀的顶点线速度为零，顶点切出的工件表面质量会很差，采用主轴回转的设计，令主轴相对工件转过一个角度，使球面铣刀避开顶点切削，保证有一定的线速度，可提高表面加工质量。这种结构非常受模具高精度曲面加工的欢迎，这是工作台回转式加工中心难以做到的。为了达到回转的高精度，高档的回转轴还配置了圆光栅尺反馈，分度精度都在几秒以内，当然这类主轴的回转结构比较复杂，制造成本也较高。还有一种是一摆头一摆台方式。
3 叶轮在CAXA制造工程师中的应用
叶轮既指装有动叶的轮盘，是冲动式汽轮机转子的组成部分。又指轮盘与安装其上的转动叶片的总称，还指轮盘与安装其上的转动叶片的总称。叶轮的叶片形状有单板型、圆弧型和机翼型等几种。机翼型叶片具有良好的空气动力学特性，效率高、强度好、刚度大。其缺点是，制造工艺复杂，并且当输送含尘浓度高的气体时，叶片容易磨损，叶片磨穿后，杂质进入叶片内部，使叶轮失去平衡而产生振动。平板型直叶片制造简单，但流动特性较差，而平板曲线后向叶片与翼型叶片相比，除高最效率点附近效率低些外，其它工况点的效率是相当接近的。前向叶轮一般都采用圆弧型叶片，后向叶轮中，大型风机多采用翼型叶片，对于除尘效率较低的燃煤锅炉引风机可采用圆弧型或平板型叶片。对叶轮的要求是：1)能给出较大的能量头;2)气体流过叶轮的损失要小，即气体流经叶轮的效率要高;3)气体流出叶轮时各参数合宜，使气体流过后面固定元件时的流动损失较小;4)叶轮型式能使级或整机性能曲线的稳定工况区及高效区范围较宽。常分为闭式、半开式和开式叶轮。在风力里发电机组中，叶轮由轮毂和叶片组成。风经过叶轮，带动叶轮转动，从而带动发电机转动，将风能转化为电能。此时，要求叶轮转动时有足够大的迎风面，以从风中提取足够多的能量;同时，在风速过大时，要能够自动调整叶片迎风角度，避免因受力过大而损坏机械。叶轮加工风机叶轮的磨损与磨料的成分、粒度、浓度、形状、冲击速度、冲击角度、气体的化学成分、性质、温度及湿度等因素有关。而叶轮内部气体流动的不均匀性又加速了磨损。作为防止叶轮磨损的措施，一是减少进入风机的粉尘和腐蚀性气体，为此必须得对风机运行系统进行改造;二是设法使局部磨损趋于均匀磨损，这就需要提高叶轮的耐磨性。所以叶轮加工质量的高低直接影响了其使用效果和寿命。
五轴联动 篇7
关键词：超精密加工,微型机床,五轴联动
0引言
超精密加工技术在航空航天、国防科工、电子信息、生物工程等产业以及相关民用产业中都有广泛应用也发挥着重要作用。微型机械制造加工系统作为超精密加工的一部分,是由一般制造加工系统向超精密制造加工系统过渡的关键技术。我国一直非常重视,其中微型机床作为其中一个重点发展方向。桌面式微型机床体积小巧,可以使用先进的制造加工方法,对微小零件进行精密加工,广泛用于航空航天、微电子、现代医学和国防工业等。
本文重点介绍微型五轴联动精密数控机床系统,该机床可进行立铣和卧铣切削,可用于加工平面轮廓、曲面轮廓和其他复杂型面类轮廓。
1微型机床系统设计
1.1微型机床结构组成
微型机床应当具有良好的静态和动态特性、较小的热变形、进给机构具有良好的低速性能和结构布局具有良好的人机关系。根据以上要求,对五轴微型数控机床进行总体结构方案的设计:该机床一共包括五个运动轴:X轴、Y轴、Z轴、B轴和C轴;床身使用人造大理石材料,热涨系数较小,基本上消除热变形对床身的影响,硬度高,耐磨性好;直线进给轴采用直线电机直接进给方式,回转轴采用直驱马达,没有中间传动机构, 负载可直接安装在DD马达的安装面上,没有精度损失, 机械效率高;直线反馈元件分辨率为50nm,定位精度高;主轴为空气主轴,使用气源驱动,转速可达120000转/分,切削力小,为获得好的切削质量提供保障。
直线电机使用玻璃光栅尺,内置有内插形线性编码器,可实现全闭环高精度定位控制,具有流畅的驱动性、较大的线速度和加速度,响应速度快。机构上使用高效的线性导轨,保证对负载具有充足的刚性,驱动器采用I-PD控制方法,可通过串行接口,简单地进行定位操作,不需要复杂的调整。
主轴是微型机床的关键部件,主轴转速越高,切削力越小,加工质量越好,同时对主轴的动平衡和振动噪声提出较高的要求。本文所选用空气主轴的轴承为气动轴承,主轴转速通过改变涡轮气源压强进行调速,解决了以往带传动和齿轮传动等方式转速低和振动噪声大的难题,保证机床的加工精度和加工表面的粗糙度。
Z轴采用直线电机驱动,需对Z轴全部负载进行配重,否则将出现Z轴坠落等危险情况。本文采用气缸配重的方法,对Z轴全部重量进行平衡,运动起来平稳,结构紧凑,解决了重力不平衡和配重机构的非线性特性。
机床切削加工时,除抑制机床自身驱动电机、导轨及其他部件的振动外,还要对外界振动干扰进行隔离。 采用隔振台支承的措施将外界振动干扰隔离,气浮隔振台的固有频率特别低,能够对高频振动干扰很好的隔离,且可通过调整气缸压强大小,进行台面水平及高度的调整,操作方便简单。选用的气浮隔振台的固有频率只有2Hz,完全满足微型机床的隔振和承载要求。
该微型机床的主要技术参数如表1所示,外观如图1所示。
1.2微型机床电气系统组成
本系统以工控机为平台,采用美国泰道公司生产的UMAC作为运动控制器,构成数控系统的硬件结构体系。UMAC完成插补、运动前瞻、I/O口输入输出和联动控制等,工控机实现对控制系统实时监控管理。工控机通过以太网与UMAC实现通讯,工控机和UMAC具有自己独立的IP地址,构成一个局域网,UMAC通过双端口存储器(DPRAM)与电机进行通信,电机状态、位移、速度和跟随误差等实时数据不断高速读取和写入。 限位开关信号和状态指示信号经光隔电路送至UMAC的I/O口,被PLC程序利用。直线电机直接驱动工作台, 工作台的位移通过高分辨率的光栅尺反馈给UMAC控制器,构成全闭环控制,此方案从根本上克服了非线性因素对机床运动的影响,提高了伺服系统的定位精度。
2微型机床伺服控制算法和调试
本系统对电机采用速度控制方式,由光栅尺对电机实时位置、实时速度和加速度进行反馈,伺服控制算法采用UMAC和电机驱动器内部自带伺服算法。通过对驱动器参数和UMAC控制器PID参数进行调试,将UMAC与电机驱动器很好的整合匹配,获取响应速度快、稳定性好的系统。
2.1微型机床伺服控制算法
微型机床伺服控制系统结构如图2所示。
伺服控制器由UMAC运动控制器实现,其内部自带有PID控制、速度/加速度前馈控制和NOTCH滤波控制,伺服算法原理如图3所示。其中Kp为系统比例增益,决定系统刚性和系统的响应速度,Kp越大,系统的响应速度越快,但Kp值过大会引起超调量过大,甚至系统会产生震荡;Ki是系统积分增益,用于消除系统稳态误差,提高系统稳定性;Kd为系统微分增益,为系统提供一个阻尼项,改善系统的动态特性;Kvff为系统速度前馈增益,用于减小正常运动中的跟随误差,Kaff为系统加速度前馈增益,用于减小系统加速和减速过程的跟随误差。UMAC内部伺服算法原理如图3所示。
2.2控制系统调试
控制系统的调试按照从电机到控制器的顺序,首先使用自动调节功能调试电机驱动器速度控制环参数, 然后进行驱动器试运行。如无异常情况,将电机驱动器接入UMAC控制器,打开PMAC Tuning Pro2软件,首先进行开环测试,确保开环特性正确,指令与反馈方向一致,如果速度反馈的线性度不好,有其他频率波动成分,需对驱动器的PID参数进行调整;然后使用阶跃响应对系统稳态特性进行调整,最后调整系统动态响应特性,观察正弦运动跟踪曲线,通过调节统速度前馈增益值、系统加速度前馈值和摩擦前馈值,尽可能的减小系统跟随误差。
在以上系统调试的基础上,对各轴进行坐标系定义,并编写运动程序,对各轴进行精度检测。图4给出X轴的定位精度检测数据。
3微型机床加工实验
本加工实验通过在PMAC数控系统对所要加工零件进行程序编制,实现微型机床的数控加工。所用刀具为 Φ1mm的硬质合金平头立铣刀,零件材料为硬铝,进行微小图案的加工实验,切削深度为1mm。加工实例如图5所示。
4结束语
本文介绍了微型五轴联动数控系统的结构及电气系统的设计,并对控制系统进行了调试和设置,对各轴的几何精度进行检测,获得了较好的定位精度。在以上调试基础上进行加工实验,切削质量较好。
参考文献
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五轴联动 篇8
五轴联动数控机床结构主要有TTTRR、RTTTR和RRTTT三种形式, 由3个直线轴和2个旋转轴组成。它具有许多普通机床无法比拟的优点, 但其加工精度往往低于普通机床, 主要由于2个旋转轴存在许多几何误差没有补偿。补偿的关键是对旋转轴误差进行检定。
五轴联动数控机床旋转轴误差的检定一直是国内外学者研究的热点和难点。文献[1~5]采用激光干涉仪、旋转坐标校准仪等专用检定装置, 测试快速、便捷、准确, 但价格过于昂贵;若采用基于价格低廉的球杆仪[6~8], 在旋转轴几何误差检定中则采用与直线轴联动的测试方式, 引入了直线轴的几何和运动误差, 使得结果不理想。
针对上述问题, 本文提出一种新颖、快速的五轴数控机床旋转轴几何误差测量与分离方法, 它基于球杆仪, 选择合适的测试路径, 采用单旋转轴运动或1个旋转轴和2个直线轴联动方式, 进行圆周误差测试;并对测试结果进行解耦, 实现了旋转轴几何误差的辨识和精确测量。
2 旋转轴几何误差测量与辨识
2.1 旋转轴几何误差
本文以TTTRR结构五轴联动数控机床为研究对象。文献[6]指出影响五轴联动数控机床精度的几何误差主要有13个, 其中5个是直线轴误差, 可以借助直线尺或千分尺等传统测量装置获取;另外8个与旋转轴关联, 如图1所示, 旋转轴A的6自由度几何误差δx、δy、δz、εx、εy、εz以及旋转轴A与C的在XZ平面上的垂直度误差Sxy和在Y方向上的轴心线误差δd。
2.2 球杆仪圆周测试运动路径规划及误差测试分析
如图2所示, 旋转轴A和旋转轴C的误差测试过程中, 球杆仪都采用轴向和径向安装的方式。图2 (a) 和图2 (b) 中, 工作台绕A轴从0度等速度运转到90度, 工作台面上的球杆仪一端通过机床主轴、Y轴以及Z轴在YZ平面上做同步运动, 球杆仪测得值将反映旋转轴A的误差值。图2 (c) 中, 球杆仪安装时, 使主轴安装一端与C轴中心线重合, 当球杆仪作360度圆周运动时, 只需绕C轴旋转即可, 消除了机床X、Y线性轴耦合误差。图2 (d) 中, 球杆仪和工作台相对静止, 绕C轴作360度圆度测试。
在安装球杆仪时, 只有直线轴配合运动, 旋转轴几何误差不对球杆仪初始状态造成影响。测试运动时, 误差使中心轴线物理状态发生变化如产生偏角和位移, 而球杆仪主轴一端仍然按照预定的轨迹运行, 两者之间形成偏差, 此偏差值即是旋转轴几何误差综合作用的结果。
表1给出旋转轴几何误差与球杆仪各测试路径的关联图, 其中R为球杆仪的测试半径, H为球杆仪安装磁座球心到旋转轴A或C中心轴线的距离, 虚线为球杆仪理想测试轨迹, 实线为球杆仪实际工作轨迹。
2.3 球杆仪虚拟安装偏心误差
在圆周运动测试中, 在过象限点的测试值是极值, 即是反映旋转轴误差, 如表1轴A轴向εz测试所示, 当A轴在XZ平面偏差时, 球杆仪虚拟运行测试值在Y过象限处最大, 其大小为Hsinεz。此偏差可等效于球杆仪安装原点在Y直线轴负向偏移Hsinεz作用的结果, 笔者把这种偏移称之为球杆仪虚拟安装偏心。球杆仪虚拟安装偏心值很易准确的计算, 因此对于旋转轴几何误差的分离方便、快捷。
球杆仪虚拟偏心误差与实际安装偏心求解原理相似。球杆仪测试过程如图3所示。其中OM (0, 0) 为理论插补圆周轨迹中心, OB (a, b) 为球杆仪实际工作原点, 即球杆仪安装偏心;θρi为球杆仪i时刻位置点对应的角度;Pi为 (xi, yi) 球杆仪i时刻位置点;ρi球杆仪i时刻的长度;λi为位置点Pi (xi, yi) 对应于轨迹中心的实际半径。由于球杆仪只能测得圆周插补的径向误差, 所以实际角度是根据圆弧插补进给速度和插补半径理论计算得来。球杆仪偏心误差模型建立过程如下:
对球杆仪i时刻位置点Pi (xi, yi) 有:
而e2=a2+b2, a=ecosφ, b=esinφ, xi=λicosθρi, yi=λisinθρi, 所以式 (1) 可得:
求解方程:
其中:θρi、ρi已知, 偏心点坐标OB (a, b) 可以通过最小二乘法获得:
其中, xi=λicosθρi, yi=λisinθρi, 可以通过联立式 (3) ~ (5) , 进行迭代, 便可求出a、b值。
则球杆仪虚拟安装偏心与旋转轴几何误差的数学关联模型为:
其中, sj——误差源, λj——误差系数, kj——误差系数。
2.4 旋转轴几何误差测量影响因素
旋转轴几何误差测量影响因素主要有2个:
(1) 测试过程中, 为保证球杆仪对工作台的相对静止, 直线轴拟合与旋转轴运动的同步圆, 必然会存在不同步误差。主要表现为两种形式:轴A或轴C径向测试时, 其拟合圆不同步误差产生原理如图4 (a) 所示, 其中R为球杆仪测试半径, α为直线轴拟合圆相对于旋转轴圆周滞后或超前角度, H为拟合圆半径, 则不同步误差为:
同理, 当轴A轴向测试时, 拟合圆不同步误差如图4 (b) 所示, 则不同步误差为:
由式 (8) ~ (9) 可得, 拟合圆超前或滞后一定角度, 对球杆仪测试值作用比较小。
(2) 由于测试路径采用旋转轴和直线轴联动方式, 直线轴误差耦合到测试结果中。直线轴耦合误差分为两种:一是切向作用误差 (图4 (c) ) :对测试结果影响很小;二是轴向作用误差 (图4 (d) ) :e=ΔT, 对球杆仪测得值影响很大, 在测试后必须进行误差解耦。因此, 为最大程度地降低耦合误差的影响, 在测试之前, 要对直线轴的几何误差和运动误差优化调整, 并采用球杆仪二次测量的方式 (直线轴联动) 获取耦合误差e (1) 、e (2) 、e (3) 、e (4) …e (N) 进行误差解耦, 解耦误差为λ (i) =r (i) -e (i) , 其中γ (1) 、γ (2) 、γ (3) 、γ (4) …γ (N) 是测试误差值, i=1, 2, 3, 4…N。
2.5 旋转轴误差分离
(1) 旋转轴A轴向测试
(2) 旋转轴A径向测试
(3) 旋转轴C轴向测试
(4) 旋转轴C径向测试
Eaax——轴A轴向测试球杆仪Z方向虚拟安装偏心;Eaay——轴A轴向测试球杆仪Y方向虚拟安装偏心;Earx——轴A径向测试球杆仪X方向虚拟安装偏心;Ecax——轴C轴向测试球杆仪X方向虚拟安装偏心;Ecay——轴C轴向测试球杆仪Y方向虚拟安装偏心;Ecrx——轴C径向测试球杆仪X方向虚拟安装偏心;Ecry——轴C径向测试球杆仪Y方向虚拟安装偏心。
在轴A径向测试时, 采用精准量块调整H值, 连续两次测试, 然后联立式 (8) ~ (15) , 即可精确分离旋转轴8个误差。
3 结论
(1) 提出一种基于球杆仪的新颖、快速、经济、准确的五轴联动数控机床旋转轴几何误差测量与分离方法, 它对于国产五轴联动数控机床的精密化和工作中的机床精度保优, 提高产品的加工质量, 具有重要的科学理论意义和工程应用价值。
(2) 结合五轴联动数控机床的控制特性和球杆仪工作原理, 给出4种球杆仪测试路径, 并建立了测试路径与待测几何误差的关联。
(3) 深入研究了球杆仪虚拟安装偏心技术, 简化了球杆仪测试值与旋转轴几何误差的数学关联模型;并考察了影响旋转轴几何误差测量结果的主要因素, 采用球杆仪二次测量方法, 对直线轴联动引起的耦合误差进行解耦, 提高测试值的准确度。
(4) 给出了旋转轴误差的分离公式, 通过5次球杆仪安装测试, 实现了8个几何误差的准确测量。
(5) 在本文研究的基础之上, 下一阶段将展开实验, 并深入研究五轴联动数控机床运动下的伺服进给不匹配、失步、爬行、螺距累积、反向间隙等运动误差和几何误差圆度图谱, 为五轴联动数控机床误差快速溯源以及故障快速诊断提供可靠手段。
参考文献
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五轴联动 篇9
用于加工大型工件的车载式五轴联动机床就是以并联技术作为核心而开发的新型机床。该机床可围绕加工对象实现铣削、制孔等加工, 装上相应的装置, 还可以实现曲面五轴激光焊接和搅拌摩擦焊等工艺方法, 可广泛用于飞机制造、大型装备制造、飞机及大型装备维修等一些特殊领域。
1 车载式五轴联动机床的总体方案及主要技术参数
图1为该机床总体设计方案外观图, 其主要技术参数如下:
(1) 加工范围:X轴2000mm;Y轴1500mm;Z轴500mm;
(2) 机床移动速度:X/Y/Z 45m/min;
(3) 精度:定位精度:0.02mm, 重复定位精度:0.01mm;
(4) 电主轴功率32kW, 最大转速18000r/min, 刀柄为HSK 63A;
(5) 刀库容量:40把;
(6) 机床自身重量:13t;
(7) 运载车参数:载重量:20t;液压抬起、升降高度:200mm;电瓶驱动, 线控操作, 运行速度:8km/h。
2 采用LINKS-EXE700R核心模块实现五轴联动
LINKS-EXE700R核心模块见图2, 其特点如下:
(1) 并联机构仅有6个关节, 10个自由度, 相对前一代并联机床的关节数及自由度数大为减少, 故其刚性、动态性能及高速性能大幅提高。
(2) 该机床核心模块下平台主轴无论处于加工范围的任何位置, 其动态特性都保持高度一致, 为最佳切削参数的选择提供了保证, 用于飞机大型铝合金薄壁件的加工, 性能优于传统的龙门铣床。
(3) 该模块加工范围大, 其范围形状近似一球冠, 直径达3m, 球冠高度为0.6m, 突破了传统并联机构工作空间小的局限性。
(4) 该模块在有效工作空间内可实现5～6面及全部复合角度的位置加工, 适合用于敏捷加工, 需一次装夹即可完成5～6面的复杂异型件及复合角度孔和曲面的加工等。
(5) 由该模块构建的机床可实现高速、高精度加工。可广泛用于航天航空、船舶、国防、汽车、模具、发电设备等大型复杂零件的自由曲面、5面甚至6面加工。用该模块构建的机床组成的生产线, 可大幅度地减少机床台数、降低用户设备投资、提高可靠性、提高加工质量、减少辅助时间。
3 利用校准装置及红外线测头确定机床与加工区域的相对位置
由于该机床固定位置不确定, 每移动一次需重新建立工件坐标系, 而生产现场需要快捷和准确, 为此, 该机床采用了校准工具及无线测头 (也可以用带电缆的测头, 但比较麻烦) 共同实现建立坐标系的过程。具体步骤为:
(1) 在校准装置 (见图3) 上安装6个测量球, 各球之间的空间位置事先测得, 将该装置置于被加工区域的某一位置固定, 其位置应满足两点: (a) 机床移动到规定的位置时, 保证装在机床主轴上的测头应检测到校准装置至少3个定位球的位置, (b) 应注意在此区域机床主轴可以加工到工件的范围, 特别要注意的是, 当机床移到下一个位置时, 应覆盖两个区域的分界部位。
(2) 用激光跟踪仪或关节臂三坐标测量机找出被加工工件和校准装置之间的位置关系;
(3) 将机床移动到第一个检测校准装置及可加工到第一加工区域的位置上, 用红外线无线测头找出机床相对于校准装置之间的坐标关系, 通过坐标变换, 就可以得到机床与工件之间的位置关系, 从而实现建立工件坐标系。
建立工件坐标系的方法有两种: (a) 在机床上装3个定位点, 可以是孔, 也可以是凸出的。在向用户供货时, 给出这3点的绝对坐标。工作时, 将机床移动到一个指定位置后, 用激光跟踪仪直接测量出工件定位点及机床本身3个定位点的空间位置, 进而得到机床与工件的相对位置关系, 方便地建立起工件坐标系。 (b) 在机床主轴前端装一个十字激光瞄准装置, 可瞄准工件本身的参考特征点, 如:棱边、孔中心、表面法向等来建立工件坐标系。这个方法很方便, 但是具有一定的局限性, 而且精度较低。
上述3种方法, 用户完全可以根据自己的需求选择。
4 用运载车移动机床
如图4, 运载车具有如下功能: (1) 具备升降功能, 升降距离为200mm, 需要移动机床时, 运载车的托起平板处在最低高度, 驶进机床下方后, 托起平板升起, 将机床整体托起。该功能是采用高压液压系统实现, 可托起最大重量20t。 (2) 运载车的行进与转向:该运载车可实现直行、横行、斜行、纵横八字行、摇头摆尾及中心回转等多种行进方式, 采用手控操作, 电瓶驱动, 可以随心所欲地行走及调整机床位置 (见图5) 。
5 用ILP软件实现在线实时仿真功能
该机床的加工对象一般都是大型复杂、价格昂贵的制件或产品, 在加工过程中不允许因失误而碰撞划伤工件, 特别是在设计刀具进刀及退刀路径时, 程序员与操作者都非常担心出现事故。而ILP软件可以解决这个问题。
ILP软件称为在线生产验证软件。这个软件包不是传统的CAD/CAM软件中的虚拟仿真, 而是通过数控系统而执行的软件。该仿真软件所执行的是数控系统的指令, 而且还可以仿真手动控制的指令, 例如:当操作者用手持单元控制机床沿某轴移动或旋转时, 在屏幕上就可以看到三维仿真的机床移动的真实情况, 在这种状态下的仿真, 可以准确地观察到机床运行过程是否出现工装的干涉和与工件相撞的现象, 一旦这种情况出现, 会显示出闪亮的标志, 同时, 将所执行的指令覆盖一层黄色, 以便于程序员很容易找到该指令, 进行修改。
摘要：基于并联技术, 设计了高速加工大型工件的车载式五轴联动机床, 采用核心模块的并联机构仅有6个关节、10个自由度, 相对前一代并联机床的关节数及自由度数大为减少, 刚性、动态性能及高速性能大幅提高。