多轴联动复合加工数控机床的创新开发

　　根据工作空间分类(可达工作空间和灵活工作空间)的定义,采用虚拟样机技术分析可知3-PRS并联机构本身没有灵活工作空间,因此,若需要末端执行器完成复杂灵活的动作任务,有必要在3-PRS并联机构外部附加上X-Y串联机构以扩大不同姿态的运动范围。当将其安装在混联机床精加工刀架的位置上时,由于附加了相应的串联机构,其工作空间完全能够满足机床精加工要求。

　　这种粗精加工机构复合技术的方案创新点为:

　　1)粗精加工机构复合与独立使用的机构模式。粗精加工刀架并存于本加工中心,但又独立工作。这种粗、精加工由机构进行保证的模式提高了精加工的精度保持性。

　　2)在车削或者粗铣加工时原本由床鞍与床身间的导轨独立承受的颠覆力矩,变为由床身导轨和龙门架的辅助的导轨共同承受,提高了粗加工机构抗颠覆力矩的能力。

3 五轴联动复合激光加工机床5LC-1

　　激光加工作为一种特种加工方法,已经广泛地得到了认可。激光加工的用途很广,其不但可以用于切割,而且还可以用于焊接、热处理等。五轴多功能激光加工机床的研究无疑对于推广激光加工能够起到更好的作用。

　　本研究所承接陕西省教育厅科技开发项目-多功能激光加工机床的研制,在3轴复合激光加工机床的基础上,使用功能创新设计方法,进一步研究开发了5轴联动复合激光加工机床5LC-1,可实现5轴联动;可进行空间复杂曲面激光淬火、激光切割、激光焊接等激光加工。数控系统为自主开发的开放式数控系统。

　　三轴立式加工中心最有效的加工而仅为工件的顶面,三轴卧式加工中心借助回转工作台,也只能完成工件的4面加工。目前高档的加工中心正朝着五轴控制的方向发展,工件一次装夹就可完成5面的加工。配置五轴联动的高档数控系统,还可以对复杂的空间曲面进行高精度加工。

　　五轴联动激光加工机的创新设计在于工作台的回转轴,设置在床身上的工作台可以绕X轴回转,定义为A轴。A轴一般工作范围为+ 30°~ -120°。工作台的中间还有一个绕Z轴回转的回转台,定义为C轴。C轴都是360°回转。这样通过A轴与C轴的组合,固定在工作台上的工件除了安装底面之外,其余的5个面都可以由激光头进行加工。A轴和C轴最小分度值一般为0. 001°,这样可以把工件按任意角度进行细分,加工出倾斜面、倾斜孔等。A轴和C轴如与X , Y, Z三个直线轴实现联动,就可加工出复杂的空间曲面,当然这需要高档的数控系统、伺服系统以及软件的支持。而本机床的数控系统为自主研发的开放式数控系统,最大程度上满足了系统的需要。这种配置方式的优点是主轴的结构比较简单,主轴刚性非常好,制造成本比较低。

　　在进行5LC-1创新设计过程中,重点考虑了五轴加工和三轴加工的本质区别,在三轴加工情况下,刀具轴线在工件坐标系中是固定的,总是平行于Z坐标轴;而五轴加工的情况下,刀具轴线一般是变化的。刀具轴线的控制原则是兼顾高的加工质量和切削效率,同时避免加工中可能存在的刀具与工件、夹具的干涉。因此三轴加工的研究关键在于加工特征的识别和刀具路径的规划,五轴加工的研究关键在于刀具姿态的优化。

　　常见的刀具轴线控制方式:垂直于加工表面,平行于加工表面,倾斜于加工表面。倾斜方向是五轴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为其特殊形式。复杂曲面加工过程中往往通过改变角度来避免刀具、工件、夹具、机床间的干涉和优化数控程序。

　　通过功能创新设计出的该机床具有三大加工功能-激光切割、激光焊接和激光淬火,并且利用示教法解决了激光切割过程中存在的焦点偏离工件表面的问题,从而保证了激光切割工件的切口质量。利用CCD视觉传感器,解决焊接过程中存在的重要难题-焊缝跟踪问题,从而保证了焊接质量。

4 结 论

　　复合加工技术发展促进了加工效率的不断提高。己经出现了各种机械加工方法组合的复合机床,能在一次装夹情况下,完成工件的大部甚至全部工序,减少安装定位误差,提高加工精度(质量);减少工序装卸辅助时间和物流时间,提高生产效率(成本、周期);减少了夹具及物流装备,降低成本及准备时间(成本、周期)。

　　在使用机械创新设计方法进行设计时,首先对机械系统的预期功能进行分析,并对总功能进行分解,在此基础上尽可能多地寻找实现各分功能的机构,或以各分功能为目标进行机构创新,然后对实现各分功能的机构进行组合,并对各种可能的方案进行综合评价,从中选择最佳方案以满足预期的功能要求。

　　本研究所成功的将基于功能分析的机械系统运动方案创新设计方法应用于多轴联动复合机床的开发设计中,开发出的多轴联动复合加工机床,经过实践的检验运行良好,均满足了预期的功能要求。实践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。