多功能復合加工機床由于其能在一臺設備上完成多種加工要求的優(yōu)點,滿足當今社會對于機床高速度、高精度、高效率、高柔性的要求,吸引了眾多機床制造商研究開發(fā)。對于多軸聯(lián)動機床世界各國基本上都處于研究、試制和試用階段。在對多軸聯(lián)動機床的動力學分析及其對加工過程、加工精度以及控制策略的影響規(guī)律等方面的研究在國內(nèi)外還僅處于起步階段,許多富有挑戰(zhàn)性的關鍵技術有待于研究和探索。運動方案創(chuàng)新設計是實現(xiàn)機械創(chuàng)新設計的關鍵一步,在機械創(chuàng)新設計中占有極其重要的地位。基于功能分析的機械系統(tǒng)運動方案創(chuàng)新設計方法,是一種既便于設計者掌握、又行之有效的方案創(chuàng)新設計方法。

　西安理工大學機械自動化研究所充分認識到復合加工是機床發(fā)展的重要方向,在進行基礎技術和應用技術研究的同時,運用機械創(chuàng)新設計方法進行了如下多軸聯(lián)動復合數(shù)控機床的研究與開發(fā):六軸聯(lián)動混聯(lián)數(shù)控機床;六軸聯(lián)動臥式復合數(shù)控機床;六軸聯(lián)動立式復合數(shù)控機床;五軸聯(lián)動復合激光加工機床;五軸聯(lián)動電火花銑加工機床;五軸聯(lián)動精整加工數(shù)控機床。本文將針對其中三種典型的機床創(chuàng)新設計加以介紹。

1 六軸聯(lián)動混聯(lián)數(shù)控機床6PM2

　　傳統(tǒng)數(shù)控機床的運動功能是串聯(lián)形式,運動范圍大,特別是轉(zhuǎn)動范圍大。五軸、六軸數(shù)控機床的主軸頭擺動范圍大于90b,可實現(xiàn)立式、臥式加工,工作臺轉(zhuǎn)動范圍大于360b,因此可以實現(xiàn)除了工件安裝面之外的任何表面的加工。近年來出現(xiàn)了新型的并聯(lián)機床,具有完全自由度的六軸并聯(lián)機床原理上的高速、高剛度及高精度的特點,但其轉(zhuǎn)動作業(yè)范圍小,不能實現(xiàn)立式和臥式加工。采用串聯(lián)與少自由度的并聯(lián)方式相結合的混聯(lián)方式,巧妙地利用二者的優(yōu)點,避其缺點,是發(fā)展新型機床的有效途徑。開發(fā)的6PM 2就是一種六軸聯(lián)動混聯(lián)式新型數(shù)控機床。

　　串聯(lián)式數(shù)控機床可以采用創(chuàng)成方法進行運動功能方案的創(chuàng)新設計。混聯(lián)式數(shù)控機床可以在用創(chuàng)成方法生成的串聯(lián)運動功能方案的基礎上,用運動等效的方法將部分串聯(lián)運動轉(zhuǎn)換成并聯(lián)運動,從而生成混聯(lián)式數(shù)控機床的運動功能創(chuàng)新方案。這里僅以例子說明。例如,串聯(lián)式六軸加工中心的運動功能方案之一可以用下式表達W /C. X. Y /Z . B. A /T式中W及T分別表示工件和刀具。上式表示工件一側(cè)具有C, X及Y軸運動功能,刀具一側(cè)具有Z, B及A軸運動功能。若將刀具一側(cè)Z, B及A軸的實軸運動等效為并聯(lián)機構的虛擬軸Z, B及A軸運動,則變?yōu)橛蒀, X及Y串聯(lián)和虛擬軸Z, B及A軸并聯(lián)組成的六軸混聯(lián)式運動功能方案。由于用創(chuàng)成方法可以生成許多串聯(lián)運動功能方案,再通過等效置換,可以生成很多混聯(lián)式運動功能方案。經(jīng)過評價,選擇合適的運動功能方案作為整機結構方案設計的基礎。

　　并聯(lián)機構的關鍵是被動關節(jié)。被動關節(jié)的剛度和精度穩(wěn)定性(與摩擦有關)是相互矛盾的。滑動副承載能力大,剛度高,但往往摩擦較大,滾動副的特性與滑動副相反,其承載能力和阻尼差,但摩擦特性好。根據(jù)被動關節(jié)轉(zhuǎn)動速度低、結構要求非常緊湊的特點,為了同時滿足結構緊湊、承載能力大、摩擦小的要求,提出了將滾動副和滑動副相結合的滾滑復合運動副被動關節(jié)的復合運動副原理與機構,其中滑動副采用摩擦因數(shù)小的貼塑滑動副。這種關節(jié)具有剛度高、摩擦小的特點,可以較好地解決被動關節(jié)的剛度與精度的矛盾。單自由度滾塑復合被動關節(jié)(R關節(jié))的原理示意圖如圖1,坐標系取法如圖所示。構件a和b之間有一個繞x6軸轉(zhuǎn)動的單自由度運動副,滾動約束r約束了其余的x1、x2、x3、x4和x55自由度,滑動約束s為過約束。

　　由于單自由度的滾動被動關節(jié)抗彎剛度最弱,開發(fā)的滾滑復合被動關節(jié)目標主要是提高抗彎剛度,其原理的構思是:外載荷F1、F2和F3主要由滾動副承受,而M4和M5則由滾動副和滑動副共同承擔,因此這種滾滑復合關節(jié)當M4和M5較小時與純滾動關節(jié)相比摩擦力增加很小,只有M4和M5較大,關節(jié)產(chǎn)生較大的彎曲變形時,滑動摩擦力才有較大增加。

　　理論研究證明由滾動副和貼塑滑動副組成的復合被動關節(jié),可以在保證摩擦力增加很少的情況下有效地減少關節(jié)的角位移變形。提高了關節(jié)的抗力矩能力。試驗研究證明了理論解析的正確性。本研究的原理不僅適用于單自由度R關節(jié),同樣也可以應用于2自由度的T關節(jié)及3自由度的S關節(jié)。本研究開發(fā)的滾滑復合R關節(jié)和S關節(jié)經(jīng)過裝配調(diào)整試驗后,已經(jīng)裝配到本研究所開發(fā)的6PM 2混聯(lián)數(shù)控機床的并聯(lián)機構上進行了實際應用。

　　應用上述運動功能方案創(chuàng)新設計方法所開發(fā)的6PM2六軸數(shù)控機床,采用了C, X及Y軸串聯(lián)和3-RPS并聯(lián)機構的3個虛擬軸Z, B, A軸的混聯(lián)運動功能方案。該方案的X, Y及C軸的運動范圍大,這正是六軸數(shù)控機床所需要的;而A, B軸運動范圍較小,但已超過90°,可以實現(xiàn)立式、臥式加工。

　　開發(fā)的6PM2六軸聯(lián)動混聯(lián)機床樣機,經(jīng)過幾年來的運動考核,證明其創(chuàng)新方案是成功的。由于該機床實現(xiàn)了六軸聯(lián)動,所以特別適合復雜輪廓加工。圖2至圖4為用立銑刀加工的葉輪的仿真圖、刀具路徑規(guī)劃圖以及加工實物圖。6PM2六軸混聯(lián)數(shù)控機床的成功開發(fā),證明將混聯(lián)機床的方案創(chuàng)新設計與虛擬樣機仿真、預測技術相結合,是數(shù)控機床創(chuàng)新產(chǎn)品開發(fā)的一條有效途徑。

2 六軸聯(lián)動臥式復合數(shù)控機床HC-80

　　車銑復合加工中心以先進的設計理念,強大的切削功能,廣泛的適用性吸引了越來越多的使用者。它是一次裝夾,完成加工范圍內(nèi)的絕大部分工序,尤其是有相對位置要求的工序。這種設計概念解決了以下幾個問題:縮減物流長度;減少基準轉(zhuǎn)換;減少工裝夾具數(shù)量;減少占地面積;縮短新產(chǎn)品試驗周期。

　　新型車銑復合加工中心HC-80選用臥式結構,方案創(chuàng)新設計在于粗、精加工機構分開,因此共有三個刀架。如圖5所示。精加工刀架3通過垂直、橫、縱移動并通過滑板與小龍門架8用導軌副連接,可以實現(xiàn)自身在小龍門架8上的x、y、z、A軸獨立運動。刀架3上可采用不同的主軸頭進行精銑、精車銑、磨削等加工;其刀庫可配置在主軸頭的上方,可配置在側(cè)門架上,也可以采用落地式刀庫。

圖5 混聯(lián)車銑復合加工中

　　在運動過程中,由于具有三個刀架和兩個龍門架,該機最少具有9個伺服軸,最多可有12個伺服軸(為了描述方便,相同坐標方向不同的坐標運動軸用下標區(qū)分,即刀架1具有Z1、X1兩個伺服軸;刀架2本身有X2、Y2、B2三個伺服軸或X2、B2二個伺服軸,刀架3本身具有X3、Y3、Z3、A3四個伺服軸),最多聯(lián)動軸數(shù)為5(即X3、Y3、Z3、A3、C或X2、Y2、Z1、B2、C),可以進行車、銑及齒輪加工,部件3采用不同的可選主軸頭,還可以進行精銑、精車銑、磨削加工。

　　精加工機構具有如圖5中坐標系所示的Z3、X3、Y3、A34個運動軸功能,該4個運動是獨立設置的,由放置在小龍門架8上的拖板及精加工機構3實現(xiàn)。精加工所需的刀具進給運動功能全部由精加工機構的Z3、X3、Y3、A34個運動軸完成; X、Y、A坐標方向的輔助運動也是由精加工機構的X3、Y3、A33個運動軸完成; Z坐標方向的輔助運動一般也是由精加工機構的Z3運動軸完成,僅當超出Z3軸的行程范圍時, Z坐標方向的輔助運動由粗加工機構的Z1運動軸完成,以擴大精加工機構的位置使用范圍。

　　混聯(lián)機床精加工所用的3-PRS并聯(lián)銑削機構如圖6所示。由呈120°分布的3個分支構成,各分支均由移動關節(jié)P、回轉(zhuǎn)關節(jié)R、定長桿L (桿長L1=L2= L3= L)及球關節(jié)S組成,其中P關節(jié)為主動關節(jié), R及S關節(jié)為被動關節(jié)。定、動平臺的坐標系分別如圖6中ΣOO和ΣOC,ΣOC在ΣOO中的表示為OTM。定平臺半徑為R(即正三角形B1B2B3外接圓半徑),動平臺半徑為r(即正三角形S1S2S3外接圓半徑)。

圖6 3-PRS并聯(lián)銑削機構

　　為了對3-PRS并聯(lián)機構進行控制,給出了其運動學逆解。

　　動平臺三個頂點坐標SOi(即三個S關節(jié)中心)在EOO中的表示為:

　　分析可以得到其位形奇異位置以及其與機構奇異的關系。3-PRS機構的奇異位置與S關節(jié)的布置有很大的關系,與末端執(zhí)行器的安裝方式也有著密切的關系,通過運動學逆解來指導安排安裝方式的角度,當末端執(zhí)行器的要求運動范圍大時,進一步分析產(chǎn)生奇異形位的姿態(tài),合理地分配末端執(zhí)行器在實體動平臺上的安裝角,既能避開奇異形位,又可以完成工作要求。

　　根據(jù)工作空間分類(可達工作空間和靈活工作空間)的定義,采用虛擬樣機技術分析可知3-PRS并聯(lián)機構本身沒有靈活工作空間,因此,若需要末端執(zhí)行器完成復雜靈活的動作任務,有必要在3-PRS并聯(lián)機構外部附加上X-Y串聯(lián)機構以擴大不同姿態(tài)的運動范圍。當將其安裝在混聯(lián)機床精加工刀架的位置上時,由于附加了相應的串聯(lián)機構,其工作空間完全能夠滿足機床精加工要求。

　　這種粗精加工機構復合技術的方案創(chuàng)新點為:

　　1)粗精加工機構復合與獨立使用的機構模式。粗精加工刀架并存于本加工中心,但又獨立工作。這種粗、精加工由機構進行保證的模式提高了精加工的精度保持性。

　　2)在車削或者粗銑加工時原本由床鞍與床身間的導軌獨立承受的顛覆力矩,變?yōu)橛纱采韺к壓妄堥T架的輔助的導軌共同承受,提高了粗加工機構抗顛覆力矩的能力。

3 五軸聯(lián)動復合激光加工機床5LC-1

　　激光加工作為一種特種加工方法,已經(jīng)廣泛地得到了認可。激光加工的用途很廣,其不但可以用于切割,而且還可以用于焊接、熱處理等。五軸多功能激光加工機床的研究無疑對于推廣激光加工能夠起到更好的作用。

　　本研究所承接陜西省教育廳科技開發(fā)項目-多功能激光加工機床的研制,在3軸復合激光加工機床的基礎上,使用功能創(chuàng)新設計方法,進一步研究開發(fā)了5軸聯(lián)動復合激光加工機床5LC-1,可實現(xiàn)5軸聯(lián)動;可進行空間復雜曲面激光淬火、激光切割、激光焊接等激光加工。數(shù)控系統(tǒng)為自主開發(fā)的開放式數(shù)控系統(tǒng)。

　　三軸立式加工中心最有效的加工而僅為工件的頂面,三軸臥式加工中心借助回轉(zhuǎn)工作臺,也只能完成工件的4面加工。目前高檔的加工中心正朝著五軸控制的方向發(fā)展,工件一次裝夾就可完成5面的加工。配置五軸聯(lián)動的高檔數(shù)控系統(tǒng),還可以對復雜的空間曲面進行高精度加工。

　　五軸聯(lián)動激光加工機的創(chuàng)新設計在于工作臺的回轉(zhuǎn)軸,設置在床身上的工作臺可以繞X軸回轉(zhuǎn),定義為A軸。A軸一般工作范圍為+ 30°~ -120°。工作臺的中間還有一個繞Z軸回轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)臺,定義為C軸。C軸都是360°回轉(zhuǎn)。這樣通過A軸與C軸的組合,固定在工作臺上的工件除了安裝底面之外,其余的5個面都可以由激光頭進行加工。A軸和C軸最小分度值一般為0. 001°,這樣可以把工件按任意角度進行細分,加工出傾斜面、傾斜孔等。A軸和C軸如與X , Y, Z三個直線軸實現(xiàn)聯(lián)動,就可加工出復雜的空間曲面,當然這需要高檔的數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)以及軟件的支持。而本機床的數(shù)控系統(tǒng)為自主研發(fā)的開放式數(shù)控系統(tǒng),最大程度上滿足了系統(tǒng)的需要。這種配置方式的優(yōu)點是主軸的結構比較簡單,主軸剛性非常好,制造成本比較低。

　　在進行5LC-1創(chuàng)新設計過程中,重點考慮了五軸加工和三軸加工的本質(zhì)區(qū)別,在三軸加工情況下,刀具軸線在工件坐標系中是固定的,總是平行于Z坐標軸;而五軸加工的情況下,刀具軸線一般是變化的。刀具軸線的控制原則是兼顧高的加工質(zhì)量和切削效率,同時避免加工中可能存在的刀具與工件、夾具的干涉。因此三軸加工的研究關鍵在于加工特征的識別和刀具路徑的規(guī)劃,五軸加工的研究關鍵在于刀具姿態(tài)的優(yōu)化。

　　常見的刀具軸線控制方式:垂直于加工表面,平行于加工表面,傾斜于加工表面。傾斜方向是五軸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為其特殊形式。復雜曲面加工過程中往往通過改變角度來避免刀具、工件、夾具、機床間的干涉和優(yōu)化數(shù)控程序。

　　通過功能創(chuàng)新設計出的該機床具有三大加工功能-激光切割、激光焊接和激光淬火,并且利用示教法解決了激光切割過程中存在的焦點偏離工件表面的問題,從而保證了激光切割工件的切口質(zhì)量。利用CCD視覺傳感器,解決焊接過程中存在的重要難題-焊縫跟蹤問題,從而保證了焊接質(zhì)量。

4 結 論

　　復合加工技術發(fā)展促進了加工效率的不斷提高。己經(jīng)出現(xiàn)了各種機械加工方法組合的復合機床,能在一次裝夾情況下,完成工件的大部甚至全部工序,減少安裝定位誤差,提高加工精度(質(zhì)量);減少工序裝卸輔助時間和物流時間,提高生產(chǎn)效率(成本、周期);減少了夾具及物流裝備,降低成本及準備時間(成本、周期)。

　　在使用機械創(chuàng)新設計方法進行設計時,首先對機械系統(tǒng)的預期功能進行分析,并對總功能進行分解,在此基礎上盡可能多地尋找實現(xiàn)各分功能的機構,或以各分功能為目標進行機構創(chuàng)新,然后對實現(xiàn)各分功能的機構進行組合,并對各種可能的方案進行綜合評價,從中選擇最佳方案以滿足預期的功能要求。

　　本研究所成功的將基于功能分析的機械系統(tǒng)運動方案創(chuàng)新設計方法應用于多軸聯(lián)動復合機床的開發(fā)設計中,開發(fā)出的多軸聯(lián)動復合加工機床,經(jīng)過實踐的檢驗運行良好,均滿足了預期的功能要求。實踐證明將混聯(lián)機床的方案創(chuàng)新設計與虛擬樣機仿真、預測技術相結合,是數(shù)控機床創(chuàng)新產(chǎn)品開發(fā)的一條有效途徑。