多轴联动复合加工数控机床的创新开发

　　多功能复合加工机床由于其能在一台设备上完成多种加工要求的优点,满足当今社会对于机床高速度、高精度、高效率、高柔性的要求,吸引了众多机床制造商研究开发。对于多轴联动机床世界各国基本上都处于研究、试制和试用阶段。在对多轴联动机床的动力学分析及其对加工过程、加工精度以及控制策略的影响规律等方面的研究在国内外还仅处于起步阶段,许多富有挑战性的关键技术有待于研究和探索。运动方案创新设计是实现机械创新设计的关键一步,在机械创新设计中占有极其重要的地位。基于功能分析的机械系统运动方案创新设计方法,是一种既便于设计者掌握、又行之有效的方案创新设计方法。

　西安理工大学机械自动化研究所充分认识到复合加工是机床发展的重要方向,在进行基础技术和应用技术研究的同时,运用机械创新设计方法进行了如下多轴联动复合数控机床的研究与开发:六轴联动混联数控机床;六轴联动卧式复合数控机床;六轴联动立式复合数控机床;五轴联动复合激光加工机床;五轴联动电火花铣加工机床;五轴联动精整加工数控机床。本文将针对其中三种典型的机床创新设计加以介绍。

1 六轴联动混联数控机床6PM2

　　传统数控机床的运动功能是串联形式,运动范围大,特别是转动范围大。五轴、六轴数控机床的主轴头摆动范围大于90b,可实现立式、卧式加工,工作台转动范围大于360b,因此可以实现除了工件安装面之外的任何表面的加工。近年来出现了新型的并联机床,具有完全自由度的六轴并联机床原理上的高速、高刚度及高精度的特点,但其转动作业范围小,不能实现立式和卧式加工。采用串联与少自由度的并联方式相结合的混联方式,巧妙地利用二者的优点,避其缺点,是发展新型机床的有效途径。开发的6PM 2就是一种六轴联动混联式新型数控机床。

　　串联式数控机床可以采用创成方法进行运动功能方案的创新设计。混联式数控机床可以在用创成方法生成的串联运动功能方案的基础上,用运动等效的方法将部分串联运动转换成并联运动,从而生成混联式数控机床的运动功能创新方案。这里仅以例子说明。例如,串联式六轴加工中心的运动功能方案之一可以用下式表达W /C. X. Y /Z . B. A /T式中W及T分别表示工件和刀具。上式表示工件一侧具有C, X及Y轴运动功能,刀具一侧具有Z, B及A轴运动功能。若将刀具一侧Z, B及A轴的实轴运动等效为并联机构的虚拟轴Z, B及A轴运动,则变为由C, X及Y串联和虚拟轴Z, B及A轴并联组成的六轴混联式运动功能方案。由于用创成方法可以生成许多串联运动功能方案,再通过等效置换,可以生成很多混联式运动功能方案。经过评价,选择合适的运动功能方案作为整机结构方案设计的基础。

　　并联机构的关键是被动关节。被动关节的刚度和精度稳定性(与摩擦有关)是相互矛盾的。滑动副承载能力大,刚度高,但往往摩擦较大,滚动副的特性与滑动副相反,其承载能力和阻尼差,但摩擦特性好。根据被动关节转动速度低、结构要求非常紧凑的特点,为了同时满足结构紧凑、承载能力大、摩擦小的要求,提出了将滚动副和滑动副相结合的滚滑复合运动副被动关节的复合运动副原理与机构,其中滑动副采用摩擦因数小的贴塑滑动副。这种关节具有刚度高、摩擦小的特点,可以较好地解决被动关节的刚度与精度的矛盾。单自由度滚塑复合被动关节(R关节)的原理示意图如图1,坐标系取法如图所示。构件a和b之间有一个绕x6轴转动的单自由度运动副,滚动约束r约束了其余的x1、x2、x3、x4和x55自由度,滑动约束s为过约束。

　　由于单自由度的滚动被动关节抗弯刚度最弱,开发的滚滑复合被动关节目标主要是提高抗弯刚度,其原理的构思是:外载荷F1、F2和F3主要由滚动副承受,而M4和M5则由滚动副和滑动副共同承担,因此这种滚滑复合关节当M4和M5较小时与纯滚动关节相比摩擦力增加很小,只有M4和M5较大,关节产生较大的弯曲变形时,滑动摩擦力才有较大增加。

　　理论研究证明由滚动副和贴塑滑动副组成的复合被动关节,可以在保证摩擦力增加很少的情况下有效地减少关节的角位移变形。提高了关节的抗力矩能力。试验研究证明了理论解析的正确性。本研究的原理不仅适用于单自由度R关节,同样也可以应用于2自由度的T关节及3自由度的S关节。本研究开发的滚滑复合R关节和S关节经过装配调整试验后,已经装配到本研究所开发的6PM 2混联数控机床的并联机构上进行了实际应用。

　　应用上述运动功能方案创新设计方法所开发的6PM2六轴数控机床,采用了C, X及Y轴串联和3-RPS并联机构的3个虚拟轴Z, B, A轴的混联运动功能方案。该方案的X, Y及C轴的运动范围大,这正是六轴数控机床所需要的;而A, B轴运动范围较小,但已超过90°,可以实现立式、卧式加工。

　　开发的6PM2六轴联动混联机床样机,经过几年来的运动考核,证明其创新方案是成功的。由于该机床实现了六轴联动,所以特别适合复杂轮廓加工。图2至图4为用立铣刀加工的叶轮的仿真图、刀具路径规划图以及加工实物图。6PM2六轴混联数控机床的成功开发,证明将混联机床的方案创新设计与虚拟样机仿真、预测技术相结合,是数控机床创新产品开发的一条有效途径。