混聯數控機床研究管理論文

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混聯機構是并聯機構與串聯機構相結合的一種機械結構形式。PRS-XY型混聯數控機床優于其他普通機床的一個顯著特點就是刀具姿態的變換,但刀具姿態變換時需要考慮三維刀具半徑補償問題,三維(3D)刀具半徑補償(以下簡稱“3D刀補”)可以完成刀具姿態變換后刀具半徑的自動補償問題。

1.PRS-XY型混聯數控機床機構模型

該機構(如圖1所示)由并聯機構和串聯機構兩部分構成。其上半部為一個三自由度的PRS型并聯機構,包括固定平臺和動平臺,固定平臺和動平臺之間通過3個定長桿件連接,每一桿件鏈包含移動副、轉動副和球面副。移動副水平120°均勻分布在固定平臺的立柱上,并由直線電動機驅動。該機構的動平臺具有1個平動自由度(Z軸)和2個旋轉自由度(A、B軸)。其下半部為X-Y工作臺,具有2個平動自由度(X、Y軸)。該混聯機構為五軸聯動加工機床,采用了串聯驅動和并聯驅動并用的混聯驅動原理,兼有并聯機床和傳統機床的優點,克服了并聯機床工作空間小的缺點,可應用于復雜型面零件的加工[1]。

2.PRS-XY型混聯數控機床3D刀補原理

2.1硬件支持PRS-XY型混聯數控機床控制系統采用PC+多軸運動控制器架構,多軸運動控制器采用美國DeltaTau公司生產的TurboPMAC。它既可單獨執行存儲于控制器內部的程序,也可執行運動程序和PLC程序,并可以自動對任務優先級進行判別,從而進行實時多任務處理。對于混聯結構機床,更重要的是它不僅提供了強大的運動控制功能,如直線插補、圓弧插補、樣條曲線插補和PVT插補等模式,還提供了正運動學和逆運動學計算能力,以及3D刀具半徑補償功能,并且可以很好地支持G代碼編程功能。

2.2逆運動學分析

PRS-XY型數控機床坐標系的建立如圖1所示,動平臺的球鉸點均勻分布在以r為半徑的動平臺上。連桿、滑塊間用轉動副連接,、是三個轉動副軸線的單位方向矢量。X-Y工作臺上平面與三根豎直滑軌延長線交于,這三點均勻分布在以R為半徑的圓上。固定坐標系(絕對坐標系)O-XYZ建立在等邊的幾何中心,為Y軸,Z軸豎直向上。固連于動平臺上的動坐標系原點位于等邊的幾何中心,處,軸沿方向,軸向上垂直于動平臺。設連桿長均為L,轉動副與平面的距離分別為,刀具長度為。在X-Y工作臺上建立參考坐標系,其初始位置與絕對坐標系(或固定坐標系)O-XYZ完全重合。其逆運動學分析就是已知刀尖位置和刀軸姿態參數,求。已知條件為刀尖位置為,刀尖位置在中為(,),刀軸的方向矢量。

2.33D刀具補償原理

2.3.1刀具補償數量級的確定

為了實現此功能首先要定義刀具補償的數量級,圖3所示為常用普通銑刀刀具剖面模型,TR為刀柄半徑,CCR為刀尖圓角半徑。

2.3.23D刀具半徑補償的方向

1)工件表面法向矢量。此矢量方向為垂直于所需加工工件的表面,并由表面指向刀具,在運動程序中用NX、NY、NZ來表示。由于它的絕對數量由CCR來決定,是用來表明所加工工件表面的位姿,所以可以用工件表面法線方向與機床坐標系中的X、Y、Z夾角的余弦來決定,即并且這3個方向余弦只能同時定義,不能只定義其中的1個或2個,這樣會導致刀具半徑補償方向出錯,發生不可預料的錯誤。在數控程序中此定義會一直保持到另外一個方向矢量被定義為止,所以在加工表面更換之前都需要重新定義新的加工表面的方向矢量。

2)向矢量。PRS-XY型混聯數控機床可以實現刀具姿態的變換,在進行3D刀具補償的過程中就需要通過刀具方向矢量對刀具的姿態進行描述,刀具方向矢量定義方式為:。

2.3.33D刀補執行過程

在實際加工中,一旦3D刀補被指令“CC3”激活,刀具從未加入刀具補償的點開始到已經加入3D刀具半徑補償的點為止,要分兩個階段進行刀具補償運動。首先,第一個偏移補償將沿著工件表面法向矢量所定義的方向進行運動,機床將CCR所對應的數值代入到逆運動學公式中進行計算,沿著工件表面法向矢量所定義的方向控制伺服電動機帶動刀具進行相應的運行,從而達到補償CCR的目的,如圖4所示。

實現方法為:,第二個偏移補償將在與第一個偏移運動相同的平面內,沿著垂直于刀具方向矢量并指向刀具中心的方向進行,偏移距離為Δl=TR-CCR,機床同樣根據逆運動學對偏移量進行計算,最后重新計算出相應補償后刀具中最后所處位置,從而控制刀具進行補償運動。運動程序具體執行如下:

偏移執行方向如圖4所示。圖中,PP為編程點;CP為補償后刀具中心位置;為工件表面法向向量;為刀具方向矢量;CCR為刀尖圓角半徑;TR為刀桿半徑。

3.加工實驗

實驗采用刀桿半徑為3mm的直柄立銑刀,故CCR=0,TR=3mm,工件水平裝夾在工作臺,令刀具繞X軸順時針偏轉20°,根據右手定則即a=-20°,如圖5a所示。其中點O為坐標原點,刀尖未補償位置為PP(0,0,5),點CP為補償后刀尖位置見圖5b。當刀具中心運動到點PP后,執行補償語句:CC3TR3CCR0NX0NY0NZ1TY(cos(70))TX0TZ(cos(20)),最后再執行“Z5”運動指令,表面上機床并不運動,但是實際上機床會按照前述原理控制刀具進行補償運動,即刀具中心由點PP運動到點CP,CP為補償后刀尖所在位置(0,-2.8191,6.0226)。圖5b為機床實際刀具中心實際位置示意圖,并且與幾何計算分析相一致,達到補償目的。

4.結論

本文通過對PRS-XY型混聯數控機床逆運動學及3D刀具半徑補償原理的分析與實驗,提出了一種可以在實際加工過程中應用的新型3D刀具補償方法,并通過編程加工實驗驗證了此補償方法的實用性。