外文翻译---五轴磨床加工工具运动链的设计和分析 中文版.doc

1毕业设计（论文）外文翻译题目五轴磨床加工工具运动链的设计和分析专业名称机械设计制造及其自动化班级学号学生姓名指导教师填表日期2010年5月18日2五轴磨床加工工具运动链的设计和分析E.L.J.Bohez，设计与制造工程部门，亚洲技术研究所摘要：五轴CNC加工中心现在应用得非常广泛。大多数机器的运动学原理都是以直角笛卡儿坐标系统为基础的。这篇文章对有可能的概念上的设计和基于理论上有可能的自由度的结合并且真实存在的器械进行了分类。本文还定义了一些有用的定量参数，例如：工作空间利用因素、机器加工工具的空间利用率、方位空间的指标和方位角。同时还分析了不同概念的优缺点，给出了选择的标准和机器结构的设计。最近在工业中提出的一些基于斯图尔特平台的概念也将在这篇文章中进行简要的论述。关键词：五轴；机器加工工具；运动链；工作空间；CNC；旋转轴1.介绍机器加工工具的主要设计规范应该满足以下法则：1）运动件在工具和零件的定位和安置上应该有足够的弹性。2）以可能的最快的速度进行定位和安置。3）以可能的最高的精确度进行定位和安置。4）加工工具和工件的快速切换。5）保护环境。6）可能的高速材料移动率。一台机器的加工工具的轴的个数通常是由机器自由度数或者是在机器滑动过程中独立可控的运动数来决定的。随着加工工具轴对应Z坐标轴的产生，ISO轴命名法推荐使用右手坐标法则。一个三轴磨床有三个方向的线性滑动：X、Y和Z，这使得机器能放置在相应轴向滑动范围内的任何一个位置。加工工具轴的方向在加工的时候保持不变。这就限制了与工件连接的加工工具的弹性，并最终导致很多不同的结构。为了增加在可能的加工工具、工件定位中的弹性而不用重新设计结构，我们将要在增加更多的机器的自由度。对于一个传统的三线性轴机器，能通过提供旋转滑动来实现。图1就展示了一个五轴磨床的例子。2.运动链接图3制作一个机器的运动链接图对于分析机器是很有用的。从运动链接图中我们可以很快区别两组轴：图2展示了在图1中五轴磨床的运动链接图。从图中我们可以看到，工件由四根轴运载，而加工工具只由一根轴运载。五轴机器就像两个相互协作的机器人，一个机器人运载工件，另一个机器人则运载加工工具。为了得到工件和工具定位上最大的弹性，机器至少需要5个自由度，这意味着工具和工件能在任何角度下连接起来。从一个刚性的物体运动连接点的观点来说，我们也可以理解对轴的个数的最低要求。为了定位两个在空间上相互连接的刚体，每个刚体（工具和工件）需要6个自由度或者12个自由度。然而，任何不改变两者之间定位的共同的平移和旋转的存在将会使自由度数目减少6个。两个刚体之间的距离是由工具的加工路径来决定的，这个距离也将会允许减少一个多余自由度，这样就使得最小的自由度数为5。3.文化背景（略）4.五轴机器运动结构的分类按照机器的旋转和平移轴分类，我们可以把机器运动结构分为四大类：（1）三个平移轴和两个旋转轴；（2）两个平移轴和三个旋转轴；（3）一个平移轴和四个旋转轴；（4）五个旋转轴。近乎所有存在的五轴机器设备都属于（1）类。很多的定位焊接机器人、圈丝机器和激光加工中心也属于这一类。只有有限的一些用来加工轮船推进器的五轴机器属于（2）类。（3）和（4）类只有在设计需要增加更多自由度的机器人的时候才会用到。五根轴可以分布在工具和工件之间的结合处。第一种分类是根据运载轴的工4具和工件的数量和在运动链中各个轴的次序来划分的。另一种分类是根据旋转轴放置的位置（是在工具那边还是在工件那边）来划分的。基于笛卡儿坐标的机器中的五个自由度是：三个平移运动X、Y、Z（一般表示为TTT）和两个旋转运动AB、AC、BC（一般表示为RR）。三个旋转轴（RRR）和两个直线运动轴（TT）的结合是很少见的。如果一根轴承载着工件，习惯上是用一个附加的标记来注释它。图1中的机器能以XYABZ。XYAB轴运载着工件，Z轴运载着工具。图3中展示的是XYZAB，三根直线运动轴运载工具,两根旋转轴运载着工件。4.1基于工件和工具运载轴次序的分类理论上，如果认为在工具和工件运载轴的两个运动链上的轴的次序有不同的结构，可能的结构的数目会非常大。同时只有两根直线运动轴和三根旋转轴结合也包括在内。在一个五轴机器中能以以下方式将一根工具运载轴和四根工件运载轴结合：对于X，Y，Z，A，B，C中任意一个可能作为工具运载的轴，其他工件运载轴可以在剩下的五根轴中选取。所以，对于任意可能的工具运载轴选择（六选一或者有六种可能），在剩下的五根轴中选取四根进行不同结构的排列个数为5*4！=120。所以，理论上只有一根工具运载轴的五轴机器就有6*120=720种可能。其他的结合方式也可以用这种方法分析。假设t代表工具运载轴的数目，w表示工件运载轴的数目（w+t=5），那么全部可能的结合数如下所示：这个方程式的值恒等于6！或者当w+t=5时这个值等于720。在这些720的结合中，有一些只包含两根直线运动轴。如果只考虑有三根直线运动轴的五轴机器，只有3*5！=360的结合也是仍是有可能的。这些结合的预设值Gt主要是由t的预设值决定的。这个预设值和由w的预设值所决定的Gw的预设值是一致的，其中w=5-t。运用以上的定义，我们可以把五轴机器分为以下小群：（1）G0/G5组；（2）G1/G4组；（3）G2/G3组；（4）G3/G2组；（5）G4/G1组；（6）G5/G0组。4.2基于旋转轴的位置的分类我们能根据旋转轴装配的位置对机器进行分类。