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1、毕业设计（论文）外文翻译题目五轴磨床加工工具运动链的设计和分析专 业 名 称 机械设计制造及其自动化班 级 学 号 学 生 姓 名 指 导 教 师 填 表 日 期 2010 年 5 月 18 日五轴磨床加工工具运动链的设计和分析E.L.J. Bohez，设计与制造工程部门，亚洲技术研究所摘要：五轴CNC加工中心现在应用得非常广泛。大多数机器的运动学原理都是以直角笛卡儿坐标系统为基础的。这篇文章对有可能的概念上的设计和基于理论上有可能的自由度的结合并且真实存在的器械进行了分类。本文还定义了一些有用的定量参数，例如：工作空间利用因素、机器加工工具的空间利用率、方位空间的指标和方位角。同时还分析了不
2、同概念的优缺点，给出了选择的标准和机器结构的设计。最近在工业中提出的一些基于斯图尔特平台的概念也将在这篇文章中进行简要的论述。关键词：五轴；机器加工工具；运动链；工作空间；CNC；旋转轴1.介绍机器加工工具的主要设计规范应该满足以下法则：1） 运动件在工具和零件的定位和安置上应该 有足够的弹性。2） 以可能的最快的速度进行定位和安置。 3） 以可能的最高的精确度进行定位和安置。 4） 加工工具和工件的快速切换。5） 保护环境。6） 可能的高速材料移动率。 一台机器的加工工具的轴的个数通常是由机器自由度数或者是在机器滑动过程中独立可控的运动数来决定的。随着加工工具轴对应Z坐标轴的产生，ISO轴命
3、名法推荐使用右手坐标法则。一个三轴磨床有三个方向的线性滑动：X、Y和Z，这使得机器能放置在相应轴向滑动范围内的任何一个位置。加工工具轴的方向在加工的时候保持不变。这就限制了与工件连接的加工工具的弹性，并最终导致很多不同的结构。为了增加在可能的加工工具、工件定位中的弹性而不用重新设计结构，我们将要在增加更多的机器的自由度。对于一个传统的三线性轴机器，能通过提供旋转滑动来实现。图1就展示了一个五轴磨床的例子。2.运动链接图制作一个机器的运动链接图对于分析机器是很有用的。从运动链接图中我们可以很快区别两组轴：图2展示了在图1中五轴磨床的运动链接图。从图中我们可以看到，工件由四根轴运载，而加工工具只由
4、一根轴运载。 五轴机器就像两个相互协作的机器人，一个机器人运载工件，另一个机器人则运载加工工具。为了得到工件和工具定位上最大的弹性，机器至少需要5个自由度，这意味着工具和工件能在任何角度下连接起来。从一个刚性的物体运动连接点的观点来说，我们也可以理解对轴的个数的最低要求。为了定位两个在空间上相互连接的刚体，每个刚体（工具和工件）需要6个自由度或者12个自由度。然而，任何不改变两者之间定位的共同的平移和旋转的存在将会使自由度数目减少6个。两个刚体之间的距离是由工具的加工路径来决定的，这个距离也将会允许减少一个多余自由度，这样就使得最小的自由度数为5。3.文化背景（略）4.五轴机器运动结构的分类按
5、照机器的旋转和平移轴分类，我们可以把机器运动结构分为四大类：（1）三个平移轴和两个旋转轴；（2）两个平移轴和三个旋转轴；（3）一个平移轴和四个旋转轴；（4）五个旋转轴。近乎所有存在的五轴机器设备都属于（1）类。很多的定位焊接机器人、圈丝机器和激光加工中心也属于这一类。只有有限的一些用来加工轮船推进器的五轴机器属于（2）类。（3）和（4）类只有在设计需要增加更多自由度的机器人的时候才会用到。五根轴可以分布在工具和工件之间的结合处。第一种分类是根据运载轴的工具和工件的数量和在运动链中各个轴的次序来划分的。另一种分类是根据旋转轴放置的位置（是在工具那边还是在工件那边）来划分的。基于笛卡儿坐标的机器中
6、的五个自由度是：三个平移运动X、Y、Z（一般表示为TTT）和两个旋转运动AB、AC、BC（一般表示为RR）。三个旋转轴（RRR）和两个直线运动轴（TT）的结合是很少见的。如果一根轴承载着工件，习惯上是用一个附加的标记来注释它。图1中的机器能以XYABZ。XYAB轴运载着工件，Z轴运载着工具。图3中展示的是XYZAB，三根直线运动轴运载工具,两根旋转轴运载着工件。4.1基于工件和工具运载轴次序的分类理论上，如果认为在工具和工件运载轴的两个运动链上的轴的次序有不同的结构，可能的结构的数目会非常大。同时只有两根直线运动轴和三根旋转轴结合也包括在内。在一个五轴机器中能以以下方式将一根工具运载轴和四根工
7、件运载轴结合：对于X，Y，Z，A，B，C中任意一个可能作为工具运载的轴，其他工件运载轴可以在剩下的五根轴中选取。所以，对于任意可能的工具运载轴选择（六选一或者有六种可能），在剩下的五根轴中选取四根进行不同结构的排列个数为5*4！=120。所以，理论上只有一根工具运载轴的五轴机器就有6*120=720种可能。其他的结合方式也可以用这种方法分析。假设t代表工具运载轴的数目，w表示工件运载轴的数目（w+t=5），那么全部可能的结合数如下所示：这个方程式的值恒等于6！或者当w+t=5时这个值等于720。在这些720的结合中，有一些只包含两根直线运动轴。如果只考虑有三根直线运动轴的五轴机器，只有3*5！
8、=360的结合也是仍是有可能的。这些结合的预设值Gt主要是由t的预设值决定的。这个预设值和由w的预设值所决定的Gw 的预设值是一致的，其中w=5-t。运用以上的定义，我们可以把五轴机器分为以下小群：（1）G0/G5组；（2）G1/G4组；（3）G2/G3组；（4）G3/G2组；（5）G4/G1组；（6）G5/G0组。4.2基于旋转轴的位置的分类我们能根据旋转轴装配的位置对机器进行分类。只有那些有两根旋转轴和三根线性轴的机器我们才会进一步考虑。可能的结构如下：（a）旋转轴装配在工具杆上；（b）旋转轴装配在机器平台；（c）两者的结合。如果机器的轴的R或者T的类型一样，那么在工具或者工件运载运动链中
9、轴的次序就不重要了。一般来说，如果在工件运载运动链中有根平移轴和根旋转轴，在工具运动链中有根平移轴和根旋转轴，那么结合的个数为11：其中每一组的结合的个数在下面中将会一个个给出。所有组的结合总数为60。从设计的观点来说，这是我们所考虑的选择的数量中较为容易处理的一个。5.五轴机器的工作空间在定义五轴机器设备的工作空间之前，要适当的定义加工工具的工作空间和工件的工作空间。加工工具的工作空间就是通过沿着工具运载轴路线描绘出工具扫过参考点（例如工具尖端）而得到的。工件运载轴的工作空间也是用同样方法定义的（把机器平台的中心选择作为参考点）。这些工作空间能由计算扫过过的体积决定6。基于以上的定义，我们能
10、定义一些对于不同类型机器比较、选择和设计有用的定量参数。5.1.工作空间利用因素 这个因素可以定义为，工件空间和工具空间的交集与工具空间和工件空间的并集的比。公式为5.2.可加工的体积大小一旦工件相对于工件参考点是固定的，并且一个特殊的工具相对于工具参考点也是固定的，那么我们就有可能确定可加工的体积的大小。可加工的体积就是能够在工件上切除的全部体积。机器工具空间和工件的交集给出了可以切除的材料的总量，或者说是可加工的体积（这是对于特殊的工件和工具机构来说的）。5.3.机器工具空间效率机器工具空间效率的定义为：机器工具空间（省略了一部分）和包含着机器的最小凸起体积。5.4.五轴机器的定位空间指数
11、一个我们用来估计定位的最大范围的方法是为了决定能在机器上用两根旋转轴加工的球的最大部分。空间定位指数定义为能够由用所有旋转轴加工的机器来加工的最大的球顶体积除以机器工具空间。如果这个指数趋近于1，这就意味着所有的旋转轴能够在整个机器工具空间中运用。如果这个指数比1小，这就意味着大概百分之的工作空间能运用所有的旋转轴。以上的定义都是理论上的定义。实际上的定位空间指数会因为避免零件和机器、工具和工件之间的碰撞而进一步受到限制。能够加工的球顶变小就说明了这一点。6.五轴机器的选择标准我们的目的不是对五轴机器对于某一项特定的运用的选择或者设计进行一个彻底的研究。我们只是论述能用来判断五轴机器的选择的主
12、要的标准。6.1.五轴机器设备的应用 应用能在布置和造型上进行区分。图12和图13说明了五轴的布置和五轴造型上的区别。6.1.1.五轴布置 如图12所示，一个在不同角度有着很多孔和平面板的零件，仅仅用一台三轴磨床来加工这个零件是不可能的。如果我们在用一台五轴机器，那么工具能在任何方向和工件定位连接起来。一旦达到了正确的位置，在大多数轴固定的情况下，我们就可以对孔和平面板进行加工了。平面板中能包括独立结构的2D平面。如果我们仅仅是要钻孔，那么理论上一轴CNC同步控制就足够了，而加工2D平面时两轴同步控制就够了。然而，三轴同步现在也很普遍了。当我们把工件和工具放置在连接在一起的时候，这就增加了在开
13、始切削前的快进的速度。6.1.2.五轴造型 图13所示为一个五轴造型的例子，为了加工这个形状复杂的表面，我们需要在切削时控制好与零件接触的刀具的位置。刀具工件的位置在每一步工序中都会改变。CNC控制器需要在材料切除过程中同步控制五轴。更多关于造型的细节能在参考文献13中找到。五轴的机器有如下的应用：（1）生产刀刃，如： 压缩机和涡轮的浆；（2）燃料泵的注射器；（3）头饰的外形；（4）医学器官例如人造心脏阀；（5）复杂表面的铸型。6.2.轴结构的选择在设计和选择一个结构时，零件的尺寸和重量是首要的标准。重型工件要求工件运动链短。同时，水平加工平面又是较好的一种设计，这种设计会使定位和处理工件变得
14、很便利。把一个重型工件放在一个单独旋转轴运动链上将会很大程度上增加定位的弹性。从图4中我们可以看出，用一个单独水平旋转轴来运载工件会使得机器更加具有弹性。在很多情况下，我们应该把工具运动链保持得尽量短，因为我们还必须运载工具轴驱动装置。7.基于斯图尔特平台的新的机器概念（略）8.结论理论上，五轴机器有很多构成方式。近乎所有经典的笛卡儿坐标五轴机器都属于由三根线性轴和两根旋转轴，或者三根旋转轴和两根线性轴组成的系列。这个系列又可以细分为有着720种情况的六组。就算只考虑三根线性轴的情况，在每个系列中仍然有360种组合。这些不同的组合是根据在工具和工件运载运动链中轴的次序来区分的。如果在对由三根线
15、性轴和两根旋转轴组成的五轴机械进行分组时，只考虑在工具和工件运动链中旋转轴的位置，那么我们能五轴机器分为三组。在第一组中，两根旋转轴安置在工件运动链。在第二组中，两根旋转轴安置在工具运动链。在第三组中，每个运动链都安置一根旋转轴。每一组仍然有20种可能的情况。对于一个特定的应用领域，要从这些组合中选出一组最好的是一项很复杂的工作。为了使这项工作变得容易些，我们定义了一些用于比较的指数，例如：机器刀具空间、空间利用因素、定位空间指数、定位角度指数和机器刀具空间效率。列出了用来计算机器刀具空间和在机器上能加工的最大球顶的直径的算法。详细论述了两个运用这些指数的例子。第一个例子论述的是加工珠宝的五轴
16、机器的设计。第二个例子则阐明了一台机器在线性轴中有着相同范围，在这种情况下，旋转轴选项的选择（略）。运用得最广泛的五轴机器的两根旋转轴安置在运动链末端处的工件一侧。这种结构给出了一种对于机器刀具结构的模块设计。然而，从应用的观点来说，这种模块设计并不总是最理想的。因为理论上存在很多可能的结构，很明显的是，对于一个特殊的工件装置需要一个合适的特定的五轴机器。模块设计应该以在所有的五轴结合中的模块性为基础。当前在设计中的模块性是以三线性轴机器为基础的。五轴磨床使得机器结构的数量变小。这对增加精确度和减小大部分尺寸是有帮助的。然而，它也有一些缺点：（1）五轴机器的高价；（2）增加的旋转轴的同时也增加了定位误差；（3）在同等的进给下，在机器轴上的切削速度更高。在购买五轴机器之前必须要对需要加工的产品的范围进行深入的研究。那些零件也应该分为五轴定位或者是五轴造型，或者两者都是。例如，有着旋转平台的机器对于生产诸如压缩机的旋转工件是很好的。一根旋转轴在刀具侧，一根旋转轴在工件侧，这样的布置将会提供更大的工作空间利用因素。最近所介绍的虚拟轴机器有着一个主要的优点：潜在的更高的动力响应和更高的硬度。然而，它的工作空间利用因素比经典的五轴机器要低。这些机器的更高强度使得他们非常适于高速磨所需要的高速杆19的设计。7
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