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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文翻譯
題目 五軸磨床加工工具運(yùn)動(dòng)鏈的設(shè)計(jì)和分析
專 業(yè) 名 稱 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 068105337
學(xué) 生 姓 名 鄭帥棟
指 導(dǎo) 教 師 羅海泉
填 表 日 期 2010 年 5 月 18 日
五軸磨床加工工具運(yùn)動(dòng)鏈的設(shè)計(jì)和分析
E.L.J. Bohez，設(shè)計(jì)與制造工程部門，亞洲技術(shù)研究所
摘要：五軸CNC加工中心現(xiàn)在應(yīng)用得非常廣泛。大多數(shù)機(jī)器的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理都是以直角笛卡兒坐標(biāo)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的。這篇文章對(duì)有可能的概念上的設(shè)計(jì)和基于理論上有可能的自由度的結(jié)合并且真實(shí)存在的器械進(jìn)行了分類。本文還定義了一些有用的定量參數(shù)，例如：工作空間利用因素、機(jī)器加工工具的空間利用率、方位空間的指標(biāo)和方位角。同時(shí)還分析了不同概念的優(yōu)缺點(diǎn)，給出了選擇的標(biāo)準(zhǔn)和機(jī)器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。最近在工業(yè)中提出的一些基于斯圖爾特平臺(tái)的概念也將在這篇文章中進(jìn)行簡(jiǎn)要的論述。
關(guān)鍵詞：五軸；機(jī)器加工工具；運(yùn)動(dòng)鏈；工作空間；CNC；旋轉(zhuǎn)軸
1.介紹
機(jī)器加工工具的主要設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)該滿足以下法則：
1） 運(yùn)動(dòng)件在工具和零件的定位和安置上應(yīng)該
有足夠的彈性。
2） 以可能的最快的速度進(jìn)行定位和安置。
3） 以可能的最高的精確度進(jìn)行定位和安置。
4） 加工工具和工件的快速切換。
5） 保護(hù)環(huán)境。
6） 可能的高速材料移動(dòng)率。
一臺(tái)機(jī)器的加工工具的軸的個(gè)數(shù)通常是由機(jī)器自由度數(shù)或者是在機(jī)器滑動(dòng)過程中獨(dú)立可控的運(yùn)動(dòng)數(shù)來決定的。隨著加工工具軸對(duì)應(yīng)Z坐標(biāo)軸的產(chǎn)生，ISO軸命名法推薦使用右手坐標(biāo)法則。一個(gè)三軸磨床有三個(gè)方向的線性滑動(dòng)：X、Y和Z，這使得機(jī)器能放置在相應(yīng)軸向滑動(dòng)范圍內(nèi)的任何一個(gè)位置。加工工具軸的方向在加工的時(shí)候保持不變。這就限制了與工件連接的加工工具的彈性，并最終導(dǎo)致很多不同的結(jié)構(gòu)。為了增加在可能的加工工具、工件定位中的彈性而不用重新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，我們將要在增加更多的機(jī)器的自由度。對(duì)于一個(gè)傳統(tǒng)的三線性軸機(jī)器，能通過提供旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。圖1就展示了一個(gè)五軸磨床的例子。
2.運(yùn)動(dòng)鏈接圖
制作一個(gè)機(jī)器的運(yùn)動(dòng)鏈接圖對(duì)于分析機(jī)器是很有用的。從運(yùn)動(dòng)鏈接圖中我們可以很快區(qū)別兩組軸：圖2展示了在圖1中五軸磨床的運(yùn)動(dòng)鏈接圖。從圖中我們可以看到，工件由四根軸運(yùn)載，而加工工具只由一根軸運(yùn)載。
五軸機(jī)器就像兩個(gè)相互協(xié)作的機(jī)器人，一個(gè)機(jī)器人運(yùn)載工件，另一個(gè)機(jī)器人則運(yùn)載加工工具。
為了得到工件和工具定位上最大的彈性，機(jī)器至少需要5個(gè)自由度，這意味著工具和工件能在任何角度下連接起來。從一個(gè)剛性的物體運(yùn)動(dòng)連接點(diǎn)的觀點(diǎn)來說，我們也可以理解對(duì)軸的個(gè)數(shù)的最低要求。為了定位兩個(gè)在空間上相互連接的剛體，每個(gè)剛體（工具和工件）需要6個(gè)自由度或者12個(gè)自由度。然而，任何不改變兩者之間定位的共同的平移和旋轉(zhuǎn)的存在將會(huì)使自由度數(shù)目減少6個(gè)。兩個(gè)剛體之間的距離是由工具的加工路徑來決定的，這個(gè)距離也將會(huì)允許減少一個(gè)多余自由度，這樣就使得最小的自由度數(shù)為5。
3.文化背景（略）
4.五軸機(jī)器運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的分類
按照機(jī)器的旋轉(zhuǎn)和平移軸分類，我們可以把機(jī)器運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)分為四大類：（1）三個(gè)平移軸和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸；（2）兩個(gè)平移軸和三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸；（3）一個(gè)平移軸和四個(gè)旋轉(zhuǎn)軸；（4）五個(gè)旋轉(zhuǎn)軸。近乎所有存在的五軸機(jī)器設(shè)備都屬于（1）類。很多的定位焊接機(jī)器人、圈絲機(jī)器和激光加工中心也屬于這一類。只有有限的一些用來加工輪船推進(jìn)器的五軸機(jī)器屬于（2）類。（3）和（4）類只有在設(shè)計(jì)需要增加更多自由度的機(jī)器人的時(shí)候才會(huì)用到。
五根軸可以分布在工具和工件之間的結(jié)合處。第一種分類是根據(jù)運(yùn)載軸的工具和工件的數(shù)量和在運(yùn)動(dòng)鏈中各個(gè)軸的次序來劃分的。另一種分類是根據(jù)旋轉(zhuǎn)軸放置的位置（是在工具那邊還是在工件那邊）來劃分的。基于笛卡兒坐標(biāo)的機(jī)器中的五個(gè)自由度是：三個(gè)平移運(yùn)動(dòng)X、Y、Z（一般表示為TTT）和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)AB、AC、BC（一般表示為RR）。三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸（RRR）和兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)軸（TT）的結(jié)合是很少見的。如果一根軸承載著工件，習(xí)慣上是用一個(gè)附加的標(biāo)記來注釋它。圖1中的機(jī)器能以X’Y’A’B’Z。XYAB軸運(yùn)載著工件，Z軸運(yùn)載著工具。圖3中展示的是XYZA’B’，三根直線運(yùn)動(dòng)軸運(yùn)載工具,兩根旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)載著工件。
4.1基于工件和工具運(yùn)載軸次序的分類
理論上，如果認(rèn)為在工具和工件運(yùn)載軸的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈上的軸的次序有不同的結(jié)構(gòu)，可能的結(jié)構(gòu)的數(shù)目會(huì)非常大。同時(shí)只有兩根直線運(yùn)動(dòng)軸和三根旋轉(zhuǎn)軸結(jié)合也包括在內(nèi)。
在一個(gè)五軸機(jī)器中能以以下方式將一根工具運(yùn)載軸和四根工件運(yùn)載軸結(jié)合：對(duì)于X，Y，Z，A，B，C中任意一個(gè)可能作為工具運(yùn)載的軸，其他工件運(yùn)載軸可以在剩下的五根軸中選取。所以，對(duì)于任意可能的工具運(yùn)載軸選擇（六選一或者有六種可能），在剩下的五根軸中選取四根進(jìn)行不同結(jié)構(gòu)的排列個(gè)數(shù)為5*4！=120。所以，理論上只有一根工具運(yùn)載軸的五軸機(jī)器就有6*120=720種可能。其他的結(jié)合方式也可以用這種方法分析。假設(shè)t代表工具運(yùn)載軸的數(shù)目，w表示工件運(yùn)載軸的數(shù)目（w+t=5），那么全部可能的結(jié)合數(shù)如下所示：
這個(gè)方程式的值恒等于6！或者當(dāng)w+t=5時(shí)這個(gè)值等于720。在這些720的結(jié)合中，有一些只包含兩根直線運(yùn)動(dòng)軸。如果只考慮有三根直線運(yùn)動(dòng)軸的五軸機(jī)器，只有3*5！=360的結(jié)合也是仍是有可能的。這些結(jié)合的預(yù)設(shè)值Gt主要是由t的預(yù)設(shè)值決定的。這個(gè)預(yù)設(shè)值和由w的預(yù)設(shè)值所決定的G`w 的預(yù)設(shè)值是一致的，其中w=5-t。運(yùn)用以上的定義，我們可以把五軸機(jī)器分為以下小群：（1）G0/G`5組；（2）G1/G`4組；（3）G2/G`3組；（4）G3/G`2組；（5）G4/G`1組；（6）G5/G`0組。
4.2基于旋轉(zhuǎn)軸的位置的分類
我們能根據(jù)旋轉(zhuǎn)軸裝配的位置對(duì)機(jī)器進(jìn)行分類。
只有那些有兩根旋轉(zhuǎn)軸和三根線性軸的機(jī)器我們才會(huì)進(jìn)一步考慮。可能的結(jié)構(gòu)如下：
（a）旋轉(zhuǎn)軸裝配在工具桿上；
（b）旋轉(zhuǎn)軸裝配在機(jī)器平臺(tái)；
（c）兩者的結(jié)合。
如果機(jī)器的軸的R或者T的類型一樣，那么在工具或者工件運(yùn)載運(yùn)動(dòng)鏈中軸的次序就不重要了。一般來說，如果在工件運(yùn)載運(yùn)動(dòng)鏈中有根平移軸和根旋轉(zhuǎn)軸，在工具運(yùn)動(dòng)鏈中有根平移軸和根旋轉(zhuǎn)軸，那么結(jié)合的個(gè)數(shù)為[11]：
其中
每一組的結(jié)合的個(gè)數(shù)在下面中將會(huì)一個(gè)個(gè)給出。所有組的結(jié)合總數(shù)為60。從設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)來說，這是我們所考慮的選擇的數(shù)量中較為容易處理的一個(gè)。
5.五軸機(jī)器的工作空間
在定義五軸機(jī)器設(shè)備的工作空間之前，要適當(dāng)?shù)亩x加工工具的工作空間和工件的工作空間。加工工具的工作空間就是通過沿著工具運(yùn)載軸路線描繪出工具掃過參考點(diǎn)（例如工具尖端）而得到的。工件運(yùn)載軸的工作空間也是用同樣方法定義的（把機(jī)器平臺(tái)的中心選擇作為參考點(diǎn)）。這些工作空間能由計(jì)算掃過過的體積決定[6]。
基于以上的定義，我們能定義一些對(duì)于不同類型機(jī)器比較、選擇和設(shè)計(jì)有用的定量參數(shù)。
5.1.工作空間利用因素
這個(gè)因素可以定義為，工件空間和工具空間的交集與工具空間和工件空間的并集的比。公式為
5.2.可加工的體積大小
一旦工件相對(duì)于工件參考點(diǎn)是固定的，并且一個(gè)特殊的工具相對(duì)于工具參考點(diǎn)也是固定的，那么我們就有可能確定可加工的體積的大小?？杉庸さ捏w積就是能夠在工件上切除的全部體積。機(jī)器工具空間和工件的交集給出了可以切除的材料的總量，或者說是可加工的體積（這是對(duì)于特殊的工件和工具機(jī)構(gòu)來說的）。
5.3.機(jī)器工具空間效率
機(jī)器工具空間效率的定義為：機(jī)器工具空間（省略了一部分）和包含著機(jī)器的最小凸起體積。
5.4.五軸機(jī)器的定位空間指數(shù)
一個(gè)我們用來估計(jì)定位的最大范圍的方法是為了決定能在機(jī)器上用兩根旋轉(zhuǎn)軸加工的球的最大部分。空間定位指數(shù)定義為能夠由用所有旋轉(zhuǎn)軸加工的機(jī)器來加工的最大的球頂體積除以機(jī)器工具空間。
如果這個(gè)指數(shù)趨近于1，這就意味著所有的旋轉(zhuǎn)軸能夠在整個(gè)機(jī)器工具空間中運(yùn)用。如果這個(gè)指數(shù)比1小，這就意味著大概百分之的工作空間能運(yùn)用所有的旋轉(zhuǎn)軸。
以上的定義都是理論上的定義。實(shí)際上的定位空間指數(shù)會(huì)因?yàn)楸苊饬慵蜋C(jī)器、工具和工件之間的碰撞而進(jìn)一步受到限制。能夠加工的球頂變小就說明了這一點(diǎn)。
6.五軸機(jī)器的選擇標(biāo)準(zhǔn)
我們的目的不是對(duì)五軸機(jī)器對(duì)于某一項(xiàng)特定的運(yùn)用的選擇或者設(shè)計(jì)進(jìn)行一個(gè)徹底的研究。我們只是論述能用來判斷五軸機(jī)器的選擇的主要的標(biāo)準(zhǔn)。
6.1.五軸機(jī)器設(shè)備的應(yīng)用
應(yīng)用能在布置和造型上進(jìn)行區(qū)分。圖12和圖13說明了五軸的布置和五軸造型上的區(qū)別。
6.1.1.五軸布置
如圖12所示，一個(gè)在不同角度有著很多孔和平面板的零件，僅僅用一臺(tái)三軸磨床來加工這個(gè)零件是不可能的。如果我們?cè)谟靡慌_(tái)五軸機(jī)器，那么工具能在任何方向和工件定位連接起來。一旦達(dá)到了正確的位置，在大多數(shù)軸固定的情況下，我們就可以對(duì)孔和平面板進(jìn)行加工了。平面板中能包括獨(dú)立結(jié)構(gòu)的2D平面。如果我們僅僅是要鉆孔，那么理論上一軸CNC同步控制就足夠了，而加工2D平面時(shí)兩軸同步控制就夠了。然而，三軸同步現(xiàn)在也很普遍了。當(dāng)我們把工件和工具放置在連接在一起的時(shí)候，這就增加了在開始切削前的快進(jìn)的速度。
6.1.2.五軸造型
圖13所示為一個(gè)五軸造型的例子，為了加工這個(gè)形狀復(fù)雜的表面，我們需要在切削時(shí)控制好與零件接觸的刀具的位置。刀具工件的位置在每一步工序中都會(huì)改變。CNC控制器需要在材料切除過程中同步控制五軸。更多關(guān)于造型的細(xì)節(jié)能在參考文獻(xiàn)[13]中找到。五軸的機(jī)器有如下的應(yīng)用：（1）生產(chǎn)刀刃，如： 壓縮機(jī)和渦輪的漿；（2）燃料泵的注射器；（3）頭飾的外形；（4）醫(yī)學(xué)器官例如人造心臟閥；（5）復(fù)雜表面的鑄型。
6.2.軸結(jié)構(gòu)的選擇
在設(shè)計(jì)和選擇一個(gè)結(jié)構(gòu)時(shí)，零件的尺寸和重量是首要的標(biāo)準(zhǔn)。重型工件要求工件運(yùn)動(dòng)鏈短。同時(shí)，水平加工平面又是較好的一種設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)會(huì)使定位和處理工件變得很便利。把一個(gè)重型工件放在一個(gè)單獨(dú)旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)鏈上將會(huì)很大程度上增加定位的彈性。從圖4中我們可以看出，用一個(gè)單獨(dú)水平旋轉(zhuǎn)軸來運(yùn)載工件會(huì)使得機(jī)器更加具有彈性。
在很多情況下，我們應(yīng)該把工具運(yùn)動(dòng)鏈保持得盡量短，因?yàn)槲覀冞€必須運(yùn)載工具軸驅(qū)動(dòng)裝置。
7.基于斯圖爾特平臺(tái)的新的機(jī)器概念（略）
8.結(jié)論
理論上，五軸機(jī)器有很多構(gòu)成方式。近乎所有經(jīng)典的笛卡兒坐標(biāo)五軸機(jī)器都屬于由三根線性軸和兩根旋轉(zhuǎn)軸，或者三根旋轉(zhuǎn)軸和兩根線性軸組成的系列。這個(gè)系列又可以細(xì)分為有著720種情況的六組。就算只考慮三根線性軸的情況，在每個(gè)系列中仍然有360種組合。這些不同的組合是根據(jù)在工具和工件運(yùn)載運(yùn)動(dòng)鏈中軸的次序來區(qū)分的。
如果在對(duì)由三根線性軸和兩根旋轉(zhuǎn)軸組成的五軸機(jī)械進(jìn)行分組時(shí)，只考慮在工具和工件運(yùn)動(dòng)鏈中旋轉(zhuǎn)軸的位置，那么我們能五軸機(jī)器分為三組。在第一組中，兩根旋轉(zhuǎn)軸安置在工件運(yùn)動(dòng)鏈。在第二組中，兩根旋轉(zhuǎn)軸安置在工具運(yùn)動(dòng)鏈。在第三組中，每個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈都安置一根旋轉(zhuǎn)軸。每一組仍然有20種可能的情況。對(duì)于一個(gè)特定的應(yīng)用領(lǐng)域，要從這些組合中選出一組最好的是一項(xiàng)很復(fù)雜的工作。為了使這項(xiàng)工作變得容易些，我們定義了一些用于比較的指數(shù)，例如：機(jī)器刀具空間、空間利用因素、定位空間指數(shù)、定位角度指數(shù)和機(jī)器刀具空間效率。列出了用來計(jì)算機(jī)器刀具空間和在機(jī)器上能加工的最大球頂?shù)闹睆降乃惴?。詳?xì)論述了兩個(gè)運(yùn)用這些指數(shù)的例子。第一個(gè)例子論述的是加工珠寶的五軸機(jī)器的設(shè)計(jì)。第二個(gè)例子則闡明了一臺(tái)機(jī)器在線性軸中有著相同范圍，在這種情況下，旋轉(zhuǎn)軸選項(xiàng)的選擇（略）。
運(yùn)用得最廣泛的五軸機(jī)器的兩根旋轉(zhuǎn)軸安置在運(yùn)動(dòng)鏈末端處的工件一側(cè)。這種結(jié)構(gòu)給出了一種對(duì)于機(jī)器刀具結(jié)構(gòu)的模塊設(shè)計(jì)。然而，從應(yīng)用的觀點(diǎn)來說，這種模塊設(shè)計(jì)并不總是最理想的。因?yàn)槔碚撋洗嬖诤芏嗫赡艿慕Y(jié)構(gòu)，很明顯的是，對(duì)于一個(gè)特殊的工件裝置需要一個(gè)合適的特定的五軸機(jī)器。模塊設(shè)計(jì)應(yīng)該以在所有的五軸結(jié)合中的模塊性為基礎(chǔ)。當(dāng)前在設(shè)計(jì)中的模塊性是以三線性軸機(jī)器為基礎(chǔ)的。
五軸磨床使得機(jī)器結(jié)構(gòu)的數(shù)量變小。這對(duì)增加精確度和減小大部分尺寸是有幫助的。然而，它也有一些缺點(diǎn)：（1）五軸機(jī)器的高價(jià)；（2）增加的旋轉(zhuǎn)軸的同時(shí)也增加了定位誤差；（3）在同等的進(jìn)給下，在機(jī)器軸上的切削速度更高。
在購(gòu)買五軸機(jī)器之前必須要對(duì)需要加工的產(chǎn)品的范圍進(jìn)行深入的研究。那些零件也應(yīng)該分為五軸定位或者是五軸造型，或者兩者都是。例如，有著旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的機(jī)器對(duì)于生產(chǎn)諸如壓縮機(jī)的旋轉(zhuǎn)工件是很好的。一根旋轉(zhuǎn)軸在刀具側(cè)，一根旋轉(zhuǎn)軸在工件側(cè)，這樣的布置將會(huì)提供更大的工作空間利用因素。
最近所介紹的虛擬軸機(jī)器有著一個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn)：潛在的更高的動(dòng)力響應(yīng)和更高的硬度。然而，它的工作空間利用因素比經(jīng)典的五軸機(jī)器要低。這些機(jī)器的更高強(qiáng)度使得他們非常適于高速磨所需要的高速桿[19]的設(shè)計(jì)。
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