并联机床中工件安装位置决定数控系统开发

　　5) 检查点的插补

　　从上述内容知道，除工件与周边器械的干涉检查外，其他的干涉检查都是在检查点处计算是否存在干涉。因此，如果检查点之间的距离过大，则存在着在检查点没有干涉，而在检查点之间会发生干涉，而这样的干涉又没有被发现的可能。这在实际加工时是绝对不允许的。

　　要解决检查点之间可能存在的干涉问题，主要有两种方法：一是简单函数与多面体求交的方法;二是将检查点之间的距离缩小。第1种方法对于检查机床与工件的干涉特别有效，但不能用来解决自己干涉;第2种方法对于各种干涉的检查都适用，但如果检查点之间的距离过小，则检查点的数量巨大，检查干涉的计算时间会很长。所以，本文中设定一个安全距离，根据这个安全距离来缩短检查点之间的距离，以便达到检查结果既要可靠，检查时间又要短的目的。具体方法如下。

　　在进行判断两个物体是否干涉时，首先将其中一个物体扩大5mm。如果扩大后两个物体有交点，则判定为两个物体有干涉。如果交点在距物体表面5mm以内，实际上还是没有发生干涉。即如果判定两个物体不存在干涉，那么，两个物体的距离应在5mm以上。在此，将这5mm称为安全距离。

　　对于由CAM系统输出的查询点和刀具轨迹，如果相邻的查询点的距离或刀具轨迹的距离大于安全距离，则在查询点之间或刀具轨迹间插补一些点。即经过插补后的查询点间及刀具轨迹间的距离均小于安全距离。所以，当在两个检查点上不发生干涉时，则在它们之间也不会发生干涉。因此，用安全距离判断是否需要插补，既可以防止漏检干涉，又不过多地增加计算时间。

2 工件安装位置的计算方法

　　1) 工件的最佳安装位置

　　本文将“垫块高度最低;距工作台中心距离最短”作为衡量工件最佳安装位置的标准。具体地说，就是首先以工件底面放置在工作台上(此时，垫块的高度为0)、刀具轨迹在xy 平面上的投影中心与工作台中心重合时(距工作台中心距离为0) ，作为工件的最佳安装位置。如果在该位置存在干涉不能安装时，为保证垫块高度最低，则将工件在同一水平内由内向外移动，寻找不会出现干涉的安装位置。如果在同一水平面内找不到不发生干涉的安装位置，则将工件逐渐向上(加大垫块高度) 移动后，再在同一水平面内继续寻找，直到找到安装位置或者得出在本机床上不能加工的结论为止。

　　2) 最佳安装位置的计算方法

　　基于工件最佳安装位置的概念，本文提出了加工时工件安装位置计算步骤如下：

　　a. 读取基本数据。包括有：刀具、夹头的半径和伸出长度;查询点;刀具轨迹;周边器械的位置和在xy平面上的投影等。

　　b. 判断能否在本机床上进行加工。根据工件的查询点和刀具轨迹，计算工件在xyz方向的外形尺寸和刀具的移动距离。当工件的外形尺寸或刀具的移动距离过大，给出该工件在机床上不能加工的警告后，结束系统的运行。

　　c. 生成检查各类干涉的检查点文件。其中有：检查自己干涉、机床与工件的第1类和第2类干涉、机床与周边器械干涉的检查点文件。

　　d. 检查是否存在机床与工件的第1类干涉。如果存在，由于该干涉无法通过移动工件安装位置来回避，所以，在给出“存在无法回避的第1类干涉”的警告后，结束系统运行。

　　e. 设定刀具轨迹中心C(x，y，z)的初始位置。为了满足工件最佳安装位置的定义，C(x，y，z)的初始置设定为：x=0;y=0;z=s。其中，s为刀具轨迹中心到工件底面的距离。

　　f. 计算刀具轨迹中心C 的位置。根据干涉的检查方法和回避方法，不断移动刀具轨迹中心的安装位置，直到找到不会出现干涉的安装位置或给出该工件不能在本机床上加工的警告为止。

　　g. 输出工件的安装位置。在(6)中如果求得了不会出现干涉的刀具轨迹中心的位置，则根据该值和工件的结构尺寸，计算并输出工件的安装位置。

3 解析、实验结果

　　当采用垂直加工时，使用通用的CAM 软件CAMAND 生成加工时的刀具位置和刀具姿势(与加工点的法线相同)。图中，刀具轨迹中的位置点数为123，201点。刀具为球头铣刀、直径10mm、从夹头中伸出长度50mm ，夹头直径60mm、从主轴中伸出45mm。

　　根据上述算法，本文开发出并联机床切削加工时工件安装位置计算系统。计算了加工图4 所示工件时的安装位置，计算时间(计算机的CPU：AMD A THLON 850MHz)约15min。

　　1) 检查点数

　　在CAMAND软件生成的刀具轨迹中，由于不存在相邻刀具轨迹大于安全距离，所以，不需要插补辅助点。还有，除加工面之外，其余表面均不可能与机床发生干涉，所以，查询点全部由刀具轨迹点构成。从查询点中抽出的自己干涉检查点数为2，382点;机床与周边器械干涉的检查点数为248点;机床与工件的第1种、第2种干涉的检查点数均为0点。工件与周边器械的干涉检查则成为2个四边形求交点的问题。

　　2) 安装位置的解析、实验结果
　　工件安装位置的变化过程如图5所示。从计算过程知道，当工件安装位置较低且靠近工作台中心时，容易发生机床与周边器械的干涉;如果工件的安装位置距中心较远，则容易发生机床的自己干涉。最后，当工件的安装高度达到70mm时，才找到了不发生干涉的可安装位置。

　　工件底面中心并不在工作台的中心上，而是从工作台中心偏离(-42.05，-42.05，70)mm。这是因为，要回避机床与放置在工作台第1象限的周边器械发生的干涉，就必须将工件向工作台第3象限移动，同时还要向上移动，安装时必须给工件下放置70mm高的垫块。

　　安装位置以及将该位置做适当取整后是否会出现干涉，本文使用机床HexaM进行实验。其中，最小间隙是采用目测方法得到的。

　　序号 安装位置 (mm) 是否干涉 最小距离(mm)

　　x y z 解析 实验
　　1 -42.05 -42.5 70 ○ ○ 7
　　2 -40 -40 70 ○ ○ 6
　　3 -35 -35 70 × ○ 3
　　4 -20 -20 80 ○ ○ 7
　　5 0 0 90 ○ ○ 13

　　注：○表示不会出现干涉;×表示出现干涉

　　除在第3行位置(x=-35，y=-35，z=70)mm之外安装工件时，解析结果和实验结果相同，即不会出现干涉。而在第3 行所示位置安装工件时，由实验知，机床与周边器械的最小间隙是3mm，这比本解析系统设定的安全距离5mm小，在解析时自然被判定为出现干涉。虽然解析结果与实验结果不同，但仍然可以认为解析结果是合理的、正确的。因此，可以说本文中提出的计算方法和开发的工件安装位置计算系统是有效的，在实际加工中是可用的。

4 结 论

　　本文以日本丰田工机公司的并联机床HexaM为模型，探讨了在使用并联机床加工时，机床的自己干涉、机床与工件、机床与周边器械以及工件与周边器械的干涉的检查方法，以及通过调整工件的安装位置来回避干涉的方法。最后，通过一系列的解析结果和实验结果的对比，证明了本研究提出的计算工件安装位置的算法和开发的软件是正确的。从以上的论述过程中还可得到如下结论：

　　·所开发的系统能够自动算出在本机床上能否按照给定的加工轨迹加工给定的工件。

　　·在判断可以加工的情况下，能算出不会发生干涉的工件安装位置。