混聯(lián)數(shù)控機(jī)床研究管理論文

導(dǎo)語(yǔ)：混聯(lián)數(shù)控機(jī)床研究管理論文一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

混聯(lián)機(jī)構(gòu)是并聯(lián)機(jī)構(gòu)與串聯(lián)機(jī)構(gòu)相結(jié)合的一種機(jī)械結(jié)構(gòu)形式。PRS-XY型混聯(lián)數(shù)控機(jī)床優(yōu)于其他普通機(jī)床的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是刀具姿態(tài)的變換,但刀具姿態(tài)變換時(shí)需要考慮三維刀具半徑補(bǔ)償問(wèn)題,三維(3D)刀具半徑補(bǔ)償(以下簡(jiǎn)稱“3D刀補(bǔ)”)可以完成刀具姿態(tài)變換后刀具半徑的自動(dòng)補(bǔ)償問(wèn)題。

1.PRS-XY型混聯(lián)數(shù)控機(jī)床機(jī)構(gòu)模型

該機(jī)構(gòu)(如圖1所示)由并聯(lián)機(jī)構(gòu)和串聯(lián)機(jī)構(gòu)兩部分構(gòu)成。其上半部為一個(gè)三自由度的PRS型并聯(lián)機(jī)構(gòu),包括固定平臺(tái)和動(dòng)平臺(tái),固定平臺(tái)和動(dòng)平臺(tái)之間通過(guò)3個(gè)定長(zhǎng)桿件連接,每一桿件鏈包含移動(dòng)副、轉(zhuǎn)動(dòng)副和球面副。移動(dòng)副水平120°均勻分布在固定平臺(tái)的立柱上,并由直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。該機(jī)構(gòu)的動(dòng)平臺(tái)具有1個(gè)平動(dòng)自由度(Z軸)和2個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度(A、B軸)。其下半部為X-Y工作臺(tái),具有2個(gè)平動(dòng)自由度(X、Y軸)。該混聯(lián)機(jī)構(gòu)為五軸聯(lián)動(dòng)加工機(jī)床,采用了串聯(lián)驅(qū)動(dòng)和并聯(lián)驅(qū)動(dòng)并用的混聯(lián)驅(qū)動(dòng)原理,兼有并聯(lián)機(jī)床和傳統(tǒng)機(jī)床的優(yōu)點(diǎn),克服了并聯(lián)機(jī)床工作空間小的缺點(diǎn),可應(yīng)用于復(fù)雜型面零件的加工[1]。

2.PRS-XY型混聯(lián)數(shù)控機(jī)床3D刀補(bǔ)原理

2.1硬件支持PRS-XY型混聯(lián)數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)采用PC+多軸運(yùn)動(dòng)控制器架構(gòu),多軸運(yùn)動(dòng)控制器采用美國(guó)DeltaTau公司生產(chǎn)的TurboPMAC。它既可單獨(dú)執(zhí)行存儲(chǔ)于控制器內(nèi)部的程序,也可執(zhí)行運(yùn)動(dòng)程序和PLC程序,并可以自動(dòng)對(duì)任務(wù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行判別,從而進(jìn)行實(shí)時(shí)多任務(wù)處理。對(duì)于混聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)床,更重要的是它不僅提供了強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制功能,如直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、樣條曲線插補(bǔ)和PVT插補(bǔ)等模式,還提供了正運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算能力,以及3D刀具半徑補(bǔ)償功能,并且可以很好地支持G代碼編程功能。

2.2逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

PRS-XY型數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)系的建立如圖1所示,動(dòng)平臺(tái)的球鉸點(diǎn)均勻分布在以r為半徑的動(dòng)平臺(tái)上。連桿、滑塊間用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接,、是三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線的單位方向矢量。X-Y工作臺(tái)上平面與三根豎直滑軌延長(zhǎng)線交于,這三點(diǎn)均勻分布在以R為半徑的圓上。固定坐標(biāo)系(絕對(duì)坐標(biāo)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(dòng)平臺(tái)上的動(dòng)坐標(biāo)系原點(diǎn)位于等邊的幾何中心,處,軸沿方向,軸向上垂直于動(dòng)平臺(tái)。設(shè)連桿長(zhǎng)均為L(zhǎng),轉(zhuǎn)動(dòng)副與平面的距離分別為,刀具長(zhǎng)度為。在X-Y工作臺(tái)上建立參考坐標(biāo)系,其初始位置與絕對(duì)坐標(biāo)系(或固定坐標(biāo)系)O-XYZ完全重合。其逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析就是已知刀尖位置和刀軸姿態(tài)參數(shù),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(bǔ)償原理

2.3.1刀具補(bǔ)償數(shù)量級(jí)的確定

為了實(shí)現(xiàn)此功能首先要定義刀具補(bǔ)償?shù)臄?shù)量級(jí),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(bǔ)償?shù)姆较?/p>

1)工件表面法向矢量。此矢量方向?yàn)榇怪庇谒杓庸すぜ谋砻?并由表面指向刀具,在運(yùn)動(dòng)程序中用NX、NY、NZ來(lái)表示。由于它的絕對(duì)數(shù)量由CCR來(lái)決定,是用來(lái)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(jī)床坐標(biāo)系中的X、Y、Z夾角的余弦來(lái)決定,即并且這3個(gè)方向余弦只能同時(shí)定義,不能只定義其中的1個(gè)或2個(gè),這樣會(huì)導(dǎo)致刀具半徑補(bǔ)償方向出錯(cuò),發(fā)生不可預(yù)料的錯(cuò)誤。在數(shù)控程序中此定義會(huì)一直保持到另外一個(gè)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(lián)數(shù)控機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)刀具姿態(tài)的變換,在進(jìn)行3D刀具補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程中就需要通過(guò)刀具方向矢量對(duì)刀具的姿態(tài)進(jìn)行描述,刀具方向矢量定義方式為:。

2.3.33D刀補(bǔ)執(zhí)行過(guò)程

在實(shí)際加工中,一旦3D刀補(bǔ)被指令“CC3”激活,刀具從未加入刀具補(bǔ)償?shù)狞c(diǎn)開(kāi)始到已經(jīng)加入3D刀具半徑補(bǔ)償?shù)狞c(diǎn)為止,要分兩個(gè)階段進(jìn)行刀具補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)。首先,第一個(gè)偏移補(bǔ)償將沿著工件表面法向矢量所定義的方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng),機(jī)床將CCR所對(duì)應(yīng)的數(shù)值代入到逆運(yùn)動(dòng)學(xué)公式中進(jìn)行計(jì)算,沿著工件表面法向矢量所定義的方向控制伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)刀具進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)行,從而達(dá)到補(bǔ)償CCR的目的,如圖4所示。

實(shí)現(xiàn)方法為:,第二個(gè)偏移補(bǔ)償將在與第一個(gè)偏移運(yùn)動(dòng)相同的平面內(nèi),沿著垂直于刀具方向矢量并指向刀具中心的方向進(jìn)行,偏移距離為Δl=TR-CCR,機(jī)床同樣根據(jù)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)對(duì)偏移量進(jìn)行計(jì)算,最后重新計(jì)算出相應(yīng)補(bǔ)償后刀具中最后所處位置,從而控制刀具進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)程序具體執(zhí)行如下:

偏移執(zhí)行方向如圖4所示。圖中,PP為編程點(diǎn);CP為補(bǔ)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(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)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(tái),令刀具繞X軸順時(shí)針偏轉(zhuǎn)20°,根據(jù)右手定則即a=-20°,如圖5a所示。其中點(diǎn)O為坐標(biāo)原點(diǎn),刀尖未補(bǔ)償位置為PP(0,0,5),點(diǎn)CP為補(bǔ)償后刀尖位置見(jiàn)圖5b。當(dāng)?shù)毒咧行倪\(yùn)動(dòng)到點(diǎn)PP后,執(zhí)行補(bǔ)償語(yǔ)句:CC3TR3CCR0NX0NY0NZ1TY(cos(70))TX0TZ(cos(20)),最后再執(zhí)行“Z5”運(yùn)動(dòng)指令,表面上機(jī)床并不運(yùn)動(dòng),但是實(shí)際上機(jī)床會(huì)按照前述原理控制刀具進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)動(dòng),即刀具中心由點(diǎn)PP運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)CP,CP為補(bǔ)償后刀尖所在位置(0,-2.8191,6.0226)。圖5b為機(jī)床實(shí)際刀具中心實(shí)際位置示意圖,并且與幾何計(jì)算分析相一致,達(dá)到補(bǔ)償目的。

4.結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)PRS-XY型混聯(lián)數(shù)控機(jī)床逆運(yùn)動(dòng)學(xué)及3D刀具半徑補(bǔ)償原理的分析與實(shí)驗(yàn),提出了一種可以在實(shí)際加工過(guò)程中應(yīng)用的新型3D刀具補(bǔ)償方法,并通過(guò)編程加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此補(bǔ)償方法的實(shí)用性。