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基于 三维 柴油机 缸体 三面钻削 组合 机床 总体 夹具 设计

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收稿日期:2002 - 04 - 12基金项目:河北省自然科学基金资助项目(501032) ;河北省教育厅科研资助项目(2001217)文章编号:100622343(2003)0120021203多功能模块化串并联机床结构的研究张顺心,范顺成,高 峰,许晓云,张建军(河北工业大学 机械学院,天津 300130) 摘 要:在分析当前机床技术发展趋势的基础上,提出了一种新型模块化串并联机床结构,机床主运动的实现采用并联机构,工件的进给运动由串联机构实现。研究了机床主运动模块平面二自由度机构的运动特性,给出了机构运动学正反解。机床采用模块化结构设计,据加工需要,可方便快捷地组合设计出不同自由度的机床;运动机构串并联相结合,既具有结构简单、 刚度重量比大、 响应速度快的特点,又具有工作空间较大的特点。关键词:模块化;多功能;串并联机构;机床中图分类号:TP242文献标识码:A 机床是机械制造业中的工作母机,因此,机床技术的水平,直接影响所有机构制造部门的技术水平、 产品质量和经济效益。传统的机床按应用范围分为普通机床和专用机床。专用机床只能适用于某一种零件的某一道特定的工序,加工范围窄,适用于大批量的生产;普通机床按加工性质又分为车、 铣、 刨、 磨、 镗等机床,故传统的机床功能单一,适应面窄,结构复杂,传动链长,加工精度较低。随着数控技术的发展,机床的功能日趋多样化,加工工序更加集中,结构模块化等13。特别是近年来,随着并联机构的研究,国内外已推出多种并联机床样机。并联机床与传统机床相比,具有刚度重量比大、 响应速度快、 对环境适应性好、 技术附加值高等优点2 ,5。根据传统机床设计思想,本文提出了一种多功能、串并联结构新颖模块化机床结构。根据加工需要,可方便快捷地组合设计出不同自由度的并联机床,为发挥并联机床的优势,扩大其应用范围,开辟了一条新途径。1 机床技术的发展趋势机床不仅是机械制造的基本工具,而且又是典型的技术密集型机电一体化的产品,同时又在商品社会里是一种普通商品。因此,它的发展,不只是由被加工对象的要求(如精度、 形状尺寸和材料等)变化所决定,也受到相关学科技术进步和发展所制约1。综观国内外机床行业,其主要发展趋势表现在以下几个方面。1. 1 运动高速化高速是高效的基础,要提高生产效率,首先就得提高切削速度。由于新型刀具材料的发展,机床结构的刚性和动态特性的改进,高速主轴及刀具系统的动平衡技术的提高,机床主轴转速和进给速度大大提高。如由IMTS2000(美国国际制造技术展览会)的展品可以看出,车削中心主轴转速达8000r/ min以上,加工中心主轴转速在1500020000r/ min ,还有的达到4000060000r/ min ,进给速度也达到20m/ min ,甚至有的达到60m/ min3 ,4。1. 2 工序复合化从加工技术发展来看,世界各国近年来相继开发各种类型的复合加工中心,功能愈来愈多,工序集中程度愈来愈高,已成为加工中心产品发展趋势之一。由于复合加工中心具有工序集中、 零件加工周期短、 定位误差小、 在一台机床上能完成大部分加工工序等优点,它既能减少工件装卸和搬运时间,又能保证和提高加工精度,所以世界各国竞相发展复合加工中心。例如,村田机械的CEMA8切削中心,贝池铁工的TM25YS切削中心,日立精机的TRICELL和Box Turner切削单元,都是可以进行复合加工的机床3 ,4。国内济南第二机床厂生产的XHSF22420高速仿形定梁龙门加工中心和北京第一机床厂生产的数控定梁龙门加工中心XHAD2415/2等也是可进行复合加工的机床3。1. 3 结构模块化对于大批量的生产,采用专用的生产装备可能有更高的经济效益,然而,在激烈的市场竞争中,企业要求更短的产品生产周期、 更低的库存水平、 更高的设备利用率,毫无疑问,在这种情况下,采用模块化柔性制造机床是最合理和最有效的。使用模块化机床能够快速而经济地将工件加工到所需尺寸规格,以及按照要求而迅速地改变加工过程。任何机床都是由若干基础件、 标准件和功能部件组装而成,尽管在同一类机床中,有规格大小和立、 卧等形式之分,但大体上功能部件都是相似的。为了快速而经济地实现新的制造过程,使模块化结构支持软件工具辅助制造、 评价、 优化并实现新的加工过程,关键是在模块化制造设备中使用标准的和特征化的构造模块。为了便于发展同系列和跨系列变形品种,满足用户市场的需要,现在许多生产厂家,都在发展自己产品的模块化结构设计1 ,2。1. 4 传动机构并联化并行联杆机构具有结构简单、 传动链短、 高精度、 高负荷、 高刚性、 高速和空间轨迹灵活等特点,特别是很容易实现六轴联动,因而能加工更复杂的三维曲面,显示了其广阔的应用前景。近年来并联机床(也称虚拟轴机床)的研制形成了热潮,不仅有立式布局,而且也出现了卧式布局,此外,还出现了并联与串联机构混合使用的多轴机床,以扩大其工作第19卷第1期2003年2月机械设计与研究Machine Design and ResearchVol. 19 No. 1Feb. ,2003空间。Gigiddlings & Lewis公司在1994年美国芝加哥IMTS94博览会上推出的VARIAX并联机床,引起广泛关注,被称为 “21世纪的机床” 。德国Mikromat公司的6X型机床是德国Fraunhofer机床和成型技术研究所为模具高速加工而开发的,该机床工作台尺寸为630630mm ,x、y、z行程均为630mm ,两个传动自由度范围为30 。瑞士技术院(ETH)以及机床与制造技术院(IWF)和机器人院(IFR)联手研制了名为IWF的Hexaglide并联机床。国内外还有很多公司和院校在研究并联机床,如美国的Ingersoll铣床公司、Hexel公司、 英国的Geodetic公司、 意大利的COMAU机床公司和瑞典的NEOS机器人公司以及国内的沈阳自动化所、 清华大学、 东北大学、 哈尔滨工业大学、 天津大学等,并取得了一批成果2 ,7。并联机床还可以实现以蚂蚁啃骨头的方式对大型构件进行加工或最后精整,灵活布置进行测量或装配和对实体模型进行数据采集或精修等。2 模块化串并联机床的组成与特点2. 1 机床的总体布置方案机床的总体构成如图1所示,有床身、 主运动机构、 工作台、 进给机构和末端执行机构等模块构成。 图1 机床的总体构成2. 2主运动机构模块主运动机构模块采用作者提出的并联机构,如 图2所 示。A、B两处滑块的直线运动为输入运动,分别由两伺服电机 驱动,两滑块直线运动以不同的速度关系或不同的运动方向的组合,可实现P处(即末端执行机构)在机构所在平面内的平动(x轴和y轴方向的联动) ,以实现切削加工所需的运动。 图2 主运动机构运动简图 在图2中, li( i= 3,4,5,6,7)分别表示各杆的实际长度,且l3=l4, l6=l7;i( i= 3,4,5,6,7)分别表示i杆与x轴正向夹角,且3=4,6=7,5= 0。末端执行机构的运动方程为xp= xA+ l3cos3+ l5/2yp= l3sin3+ h(1)或xp= xD+ l7cos7-l5/2yp= l7sin7+ h(2) 由上两式可得运动学反解为xA= xp-l23- ( yp-h)2-l5/2xD= xp+l27- ( yp-h)2+ l5/2(3)机构运动学方程对时间t求导,即可得到速度方程:?xA=?xp+yp-hl23- ( yp-h)2?yp?xD=?xp-yp-hl27- ( yp-h)2?yp(4)或?xA?xD= k?xp?xp(5)式中, k =1k31-k7k3=yp-hl23- ( yp-h)2k7=yp-hl27- ( yp-h)2由式(5)得?xp?xp= k-1?xA?xp(6)2.3 其它模块进给机构模块采用丝杠传动机构,由伺服电机驱动。它可驱动工作台模块沿z轴方向(垂直于主运动机构平面的方向)移动,也可驱动床身模块沿z轴方向移动。该伺服电机与主运动模块的两伺服电机联合控制,可实现机床沿x、y、z轴三方向的联动。切削刀具安装在末端执行机构上,由电机直接驱动,以实现对工件的切削。2.4 机床的组合形式为了能适应各种不同用户的需要,快速供应用户所需要的产品,机床采用模块化设计。在对机床的主要应用范围分析的基础上,将其归纳综合成若干典型类型,机床的主要组合形式如图1及图3所示。2.5 机床特点由上述分析可知,该机床具有以下特点:(1) 采用串、 并联机构混合使用,增大了机床的工作空间,减小了机床的体积。(2) 安装不同的切削刀具,可实现对工件的铣、 钻、 镗、铰等加工,也可实现对同一工件多表面的同时加工,减少了工件装卸和搬运时间,提高了定位和加工的精度。(3) 机床运动的传动链短,使其结构大大地简化,从而提高了机床的刚性、 传动精度和响应速度,减轻了机床的重量,也使操作更加方便;机床采用模块化结构,可根据用户不同的使用要求形成最理想的组合形式,大大地扩大了机床的应用范围。(4) 在垂直主运动机构模块的方向,机床可实现工件22机械设计与研究 第19卷 图3 机床的不同组合形式的进给,也可实现刀具的进给,增加了机床的加工范围,特别是对于较大尺寸结构工件的加工变得灵巧方便。3 结论本文提出了一种具有串并联机构混合使用的模块化机床结构。机床采用模块化结构设计,主运动模块采用平面二自由度机构。根据加工需要,可方便快捷地组合设计出不同自由度的机床,并为少自由度并联机床的设计提供了理论基础。参考文献:1 赵宏林等.机器人化加工平台的研制J .制造技术与机床,2000 ,(10) :2324.2 沈福全.从IMTS2000看机床技术的发展J .制造技术与机床,2001 ,(1) :56.3 徐正平.美国IMTS2000国际机床展一瞥J .制造技术与机床,2001 ,(2) :58.4 黄真.并联机器人机构学理论及控制M.北京:机械工业出版社,1997.5Feng Gao X Q Zhang Y S Zhao H R Wang. Physical model of thesolution space of 2 - DOF parallel planar manipulatorsJ . Mecha2nisms and Machine Theory ,1996 ,31(2) :173184.6Feng Gao. X Q Zhang. W B Zu. Y S Zhao. Distribution of someproperties in a physical model of the solution space of 2 - DOFparallel planar manipulatorsJ . Mechanisms and Machine Theo2ry ,1995 ,30(6) :811871.7Frindt F. Kerle H. Plitten N. PENTA - Vorstellung eines paralle2len maschinenkozepts mit funf bewegungstreigheiten R VDIBerichte NR. 1427 1998 ,15 - 34.8Kerle H. Parallelroboter in der Handhabungstechnik R VDIBerichte 1111 ,1994 ,207227.作者简介:张顺心(1959 - ) ,男,河北工业大学机械学院,副教授,主要从事机构CAD、 并联机器人及并联机床等领域的研究,完成科研项目六项,获国家专利一项,发表论文二十余篇,获北京市科技进步三等奖一项。机械设计与研究 期刊理事会名单理事会是期刊与理事单位进行联系的纽带和桥梁。理事单位可以通过期刊,加强本单位宣传,提高知名度,发表论文提高本单位的技术和学术水平,通过参加期刊组织的报告会了解机械工程有关信息,得到相应的支持。第一届理事会名单:理 事 长 单 位:上海交通大学 谢绳武校长副理事长单位:上海港机有限公司 乐竟辉总经理副理事长单位:上海建设路桥机械设备公司 张庆伟总经理副理事长单位:宝钢机械厂 陆季辉厂长理 事 单 位:东华大学机械工程学院 王生泽院长 上海711所 高晓敏研究员华东理工大学机械工程学院 郑建荣院长 上海申联试验杨厂 张慰祖副厂长上海通用汽车有限公司制造部 余秀慧副总监 中荣集团上海中荣弹簧有限公司 林信勇总裁上海市机电设计研究院 贾 淦教授级高工 上海祥华机电公司 储士强总经理上海机械电脑公司 熊泗洲总经理 上海第二工业大学机电工程学院 何亚飞院长32第1期 张顺心等:多功能模块化串并联机床结构的研究MAIN TOPICS,ABSTRACTS & KEY WORDSISSN 1006 - 2343Machine Design and ResearchVol. 19 ,No. 1 ,Feb. ,2003Edited and Published by :Machine Design and ResearchJournal OfficeAdd:No. 1954 Hua Shan Road Shanghai ChinaDistributer :China International Book TradingCorporation(P. O.Box 339 ,Beijing)OnG enerationofAllPossible Disassembly Sequences ofMechanical or Electronic EquipmentGAO Jian2gang ,DUAN Guang2hong ,WANGJin2song(Department of Precision Instruments and Mechanology , Ts2inghua University ,Beijing 100084 ,China) P11Abstract: The optimization of disassembly sequences ofmechanical or electronic equipment is based on the acquirementof all possible disassembly sequences. In order to achieve the ac2quirement ,Disassembly AND/ OR graph was defined as disas2sembly2recycling model ,and two algorithms were presented togenerate all possible disintegration plans and all possible disas2sembly sequences.Key words : design for disassembly and recycling;disassem2bly AND/ OR graph;disassembly sequenceResearch on Mechanical System Scheme Innovative DesignModel Based on InternetWANG Rui2fang ,MENG Cai2fang(School of Mechanical Engineering , Tian Jin University , TianJin 300072 ,China) P14Abstract : This paper mainly studies the mechanical systemscheme innovative design. Through the analysis of innovativedesign ,an internet2based mechanical system scheme innovativedesign model is put forward ,which focuses on persons creativethinking. Then ,the contents related and key technologies areanalyzed. This model integrates mechanics ,creative science andcomputer ,so it provides a new idea about innovation of mechan2ical system scheme.Key words : mechanical system scheme;innovative design;creative techniqueResearch on the NC Postprocessing Techniques for Seven2axisParallel Machine ToolCHEN hui ,WANG Zhi2xing ,ZHUO Gui2rong(College of Mechanical and Electrical engineering ,Harbin Insti2tute of Technology ,Harbin ,150001 ,China) P18Abstract : To improve the machining capacity of Six2axisParallel machine Tool(PMT) ,a NC rotary table is attached tothe worktable of the six2axis PMT ,and the workpiece is cutthrough seven2axis synchronized control. To make use of theseven2axis PMT for NC machining ,the tool path data must bepostprocessed into the length of the six driving links and the ro2tation of the NC rotary table to drive the PMT. Thispaper con2ducts research into the NC postprocessing techniques for seven2axis PMT ,and puts forward the postprocessing procedures andrelative arithmetic.Key words : Parallel machine Tool ;Stewart platform;NCPostprocessing;Nc MachiningStudy on Multi2function Modularization Structure of Serial andParallel machine ToolZHANG Shun2xi ,FAN Shun2cheng ,GAO Fen,XU Xiao2yun ,ZHANGJian2jun(Mechanical School of Hebei University of Technology ,Tianjin300130 ,China) P21Abstract : Analyzing the development tendency of the pre2sent machine tool technology ,we presented a new modulariza2tion structure of serial and parallel machine tool ,which adoptedparallel mechanism to the main movement and serial me