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。對于多軸聯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律等方面的研究在國內外還僅處于起步階段,許多富有挑戰性的關鍵技術有待于研究和探索。運動方案創新設計是實現機械創新設計的關鍵一步,在機械創新設計中占有極其重要的地位。基于功能分析的機械系統運動方案創新設計方法,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,運用機械創新設計方法進行了如下多軸聯動復合數控機床的研究與開發:六軸聯動混聯數控機床;六軸聯動臥式復合數控機床;六軸聯動立式復合數控機床;五軸聯動復合激光加工機床;五軸聯動電火花銑加工機床;五軸聯動精整加工數控機床。本文將針對其中三種典型的機床創新設計加以介紹。

1 六軸聯動混聯數控機床6PM2

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

　　串聯式數控機床可以采用創成方法進行運動功能方案的創新設計。混聯式數控機床可以在用創成方法生成的串聯運動功能方案的基礎上,用運動等效的方法將部分串聯運動轉換成并聯運動,從而生成混聯式數控機床的運動功能創新方案。這里僅以例子說明。例如,串聯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。上式表示工件一側具有C, X及Y軸運動功能,刀具一側具有Z, B及A軸運動功能。若將刀具一側Z, B及A軸的實軸運動等效為并聯機構的虛擬軸Z, B及A軸運動,則變為由C, X及Y串聯和虛擬軸Z, B及A軸并聯組成的六軸混聯式運動功能方案。由于用創成方法可以生成許多串聯運動功能方案,再通過等效置換,可以生成很多混聯式運動功能方案。經過評價,選擇合適的運動功能方案作為整機結構方案設計的基礎。

　　并聯機構的關鍵是被動關節。被動關節的剛度和精度穩定性(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。根據被動關節轉動速度低、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的復合運動副原理與機構,其中滑動副采用摩擦因數小的貼塑滑動副。這種關節具有剛度高、摩擦小的特點,可以較好地解決被動關節的剛度與精度的矛盾。單自由度滾塑復合被動關節(R關節)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抗彎剛度最弱,開發的滾滑復合被動關節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當M4和M5較小時與純滾動關節相比摩擦力增加很小,只有M4和M5較大,關節產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,可以在保證摩擦力增加很少的情況下有效地減少關節的角位移變形。提高了關節的抗力矩能力。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,同樣也可以應用于2自由度的T關節及3自由度的S關節。本研究開發的滾滑復合R關節和S關節經過裝配調整試驗后,已經裝配到本研究所開發的6PM 2混聯數控機床的并聯機構上進行了實際應用。

　　應用上述運動功能方案創新設計方法所開發的6PM2六軸數控機床,采用了C, X及Y軸串聯和3-RPS并聯機構的3個虛擬軸Z, B, A軸的混聯運動功能方案。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°,可以實現立式、臥式加工。

　　開發的6PM2六軸聯動混聯機床樣機,經過幾年來的運動考核,證明其創新方案是成功的。由于該機床實現了六軸聯動,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、刀具路徑規劃圖以及加工實物圖。6PM2六軸混聯數控機床的成功開發,證明將混聯機床的方案創新設計與虛擬樣機仿真、預測技術相結合,是數控機床創新產品開發的一條有效途徑。

2 六軸聯動臥式復合數控機床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;減少基準轉換;減少工裝夾具數量;減少占地面積;縮短新產品試驗周期。

　　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,可配置在側門架上,也可以采用落地式刀庫。

圖5 混聯車銑復合加工中

　　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),最多聯動軸數為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。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。

　　混聯機床精加工所用的3-PRS并聯銑削機構如圖6所示。由呈120°分布的3個分支構成,各分支均由移動關節P、回轉關節R、定長桿L (桿長L1=L2= L3= L)及球關節S組成,其中P關節為主動關節, R及S關節為被動關節。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并聯銑削機構

　　為了對3-PRS并聯機構進行控制,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關節的布置有很大的關系,與末端執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,當末端執行器的要求運動范圍大時,進一步分析產生奇異形位的姿態,合理地分配末端執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并聯機構本身沒有靈活工作空間,因此,若需要末端執行器完成復雜靈活的動作任務,有必要在3-PRS并聯機構外部附加上X-Y串聯機構以擴大不同姿態的運動范圍。當將其安裝在混聯機床精加工刀架的位置上時,由于附加了相應的串聯機構,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,變為由床身導軌和龍門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,使用功能創新設計方法,進一步研究開發了5軸聯動復合激光加工機床5LC-1,可實現5軸聯動;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。數控系統為自主開發的開放式數控系統。

　　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展,工件一次裝夾就可完成5面的加工。配置五軸聯動的高檔數控系統,還可以對復雜的空間曲面進行高精度加工。

　　五軸聯動激光加工機的創新設計在于工作臺的回轉軸,設置在床身上的工作臺可以繞X軸回轉,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軸回轉的回轉臺,定義為C軸。C軸都是360°回轉。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三個直線軸實現聯動,就可加工出復雜的空間曲面,當然這需要高檔的數控系統、伺服系統以及軟件的支持。而本機床的數控系統為自主研發的開放式數控系統,最大程度上滿足了系統的需要。這種配置方式的優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創新設計過程中,重點考慮了五軸加工和三軸加工的本質區別,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劃,五軸加工的研究關鍵在于刀具姿態的優化。

　　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、機床間的干涉和優化數控程序。

　　通過功能創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,從而保證了焊接質量。

4 結 論

　　復合加工技術發展促進了加工效率的不斷提高。己經出現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(質量);減少工序裝卸輔助時間和物流時間,提高生產效率(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)。

　　在使用機械創新設計方法進行設計時,首先對機械系統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各分功能的機構,或以各分功能為目標進行機構創新,然后對實現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運動方案創新設計方法應用于多軸聯動復合機床的開發設計中,開發出的多軸聯動復合加工機床,經過實踐的檢驗運行良好,均滿足了預期的功能要求。實踐證明將混聯機床的方案創新設計與虛擬樣機仿真、預測技術相結合,是數控機床創新產品開發的一條有效途徑。