（机械制造及其自动化专业论文）并联机床工作精度检验样件设计及其技术实现.pdf

天津大学硕士学位论文 摘要 本文结合天津大学带有并联机构主模块五坐标加工中心的研制，系统分析 了传统串联机床工作精度的检验方法及其特点，并提出了并联机床工作精度检 验样件设计所应遵循的基本原则；在此基础上提出“运动中心法”进行工作精 度检验综合样件的设计。此外，论文还给出了综合样件的加工工艺和相应的检 测方法。 利用多坐标加工编程软件c a m a n d 本文解决了并联机床数控编程后处理问 题，为并联机床的多坐标加工奠定了基础。 以弧面分度凸轮作为并联机床四轴加工检验样件，根据机构的传动原理开 发了在五坐标数控机床上加i 该类零件的技术，同时利用商用软件u n i g r a p h i c s 实现了弧面分度凸轮的c a d c a m - - 体化。 论文选择叶轮作为五轴加工检验样件，在分析了五坐标增压器叶轮几何造 型和工艺特点的基础上制订了其合理的加工工艺，重点解决了流道加工、叶片 精加工和清根加工等关键技术问题。 关键词i并联机床工作精度检验样件后处理 天津大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m b i n e dw i t l lt h ed e v e l o p m e n to ft h e5 - a x i sp a r a l l e lm a c h i n i n gc e n t e r t h i sp a p e r s y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e st h et e s tw a yf o rm a c h i n i n ga c c u r a c yo f t r a d i t i o n a lm a c h i n e t o o l s ，a n dt h e nt h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l e so fd e s i g n i n gt h et e s tp i e c ef o rp a r a l l e l k i n e m a t i cm a c h i n eh a v eb e e nc o n c l u d e d b a s e do nt h e s ep r i n c i p l e s ，t h ed e s i g no ft h e c o m p o s i t i v et e s tp i e c eh a sb e e ng i v e n w i m t h e “t e s t i n ga l lp o s s i b l ek i n e m a t i ct y p e ” m e t h o d o l o g y f u r t h e r m o r e ，t h em a c h i n i n gp r o c e s sp l a na n dc o r r e s p o n d i n gt e s t i n g m e t h o dh a v e b e e ng i v e na l s o w i t ht h ep o p u l a rm u l t i a x i sm a c h i n i n gs o f t w a r ec a m a n d ，t h e k e yi s s u e so ft h e p o s tp r o c e s s i n gf o rp a r a l l e l k i n e m a t i ct o o l sh a sb e e ns o l v e d ，w h i c hi st h eb a s i c c o n d i t i o n sf o rf u r t h c ra p p l y i n go f p a r a l l e lk i n e m a t i ct o o l s i nm u l t i - a x i sm a c h i n i n g f i e l d s a g l o b o i d a li n d e xc a m h a sb e e nc h o s e na sa4 - a x i st e s tp i e c ea n dan e wm e t h o df o r m a c h i n i n gg l o b o i d a l i n d e xc a m 、i t l la g e n e r a l m a c h i n et o o lh a sb e e nf o u n d m o r e o v e r t h ei n t e g r a t e dc a d c a mo f t h ec a l t ih a sb e e nr e a l i z e d 训t ht h eh e l po f t h e u n i g r a p h i c s a sa g o o d 5 - a x i sm a c h i n i n gt e s tp i e c e ，s u p e r c h a r g e ri m p e l l e ri sc h o s e nt os h o wt h e f u n c t i o n so fp d i 目d l t lk i n e m a t i ct o o l s v i aa n a l y z i n gt h ef e a t u r e so ft h ei m p e l l e r s g e o m e t r ym o d e l ，| h er e a s o n a b l ep r o c e s sp l a nh a sb e e ng i v e na n dt h ek e yi s s u e s a m o n g t h ep r o c e s ss u c ha sm a c h i n i n gm e t h o do ft h eg r o o v e s ，f i n em a c h i n i n go ft h e v a r i e sa n db a c k 6 l i i p p i n g h a v eb e e ns t u d i e d d e e i b l y k e y w o r d s ：p f i r a l l e lk i n e m a t i ct o o l sm i e h i n i n ga c c u r a c y t e s t p i e c e p o s t p r 0 6 e s s i n g i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：难恕签字日期：) 田年月o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁洼盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：闰姜惑导师签名：乞参呵孳 签字日期：问年月，口日签字日期：) 一，年，月，日 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 在当今机械加工业努力实现数控化的时候，人们谈论的话题是数控铣床、 数控磨床、数控车床、加工中心。然而，在近几届世界四大国际机床展览会上 逐渐增多的并联机床却吸引了众多专业人员的目光，因为这种与传统结构形式 完全不同的机床，可能成为今后机床行业的发展方向。当然，这一领域也面临 着众多亟待解决的问题，其中很重要的一项就是工作精度( 加工精度) 。本文 正是在这一背景下结合天津大学自主开发的五坐标串并混联卧式加工中心展开 工作的。 1 1 并联机床商品化进程中存在的问题 并联机床( p a r a l l e lk i n e m a t i c m a c h i n e ) ，又被称为“虚拟轴机 床”、“六条腿机床”、“并联杆系 机床”，实质上是机器人技术与机床 结构技术结合的产物【“3 1 。自问世以 来，不过短短的几年时间，便显示出 了其迅猛的发展态势和广阔的市场前 剥7 j 们。并联机床相对于串联机床而 言，其动平台由多个驱动杆支撑( 如 图1 13 - h s s 并联机床 图1 1 ) ，网4 度大，结构更加稳定： 在相同自重与体积下承载能力更高；对末端执行器没有误差积累和放大作用， 误差小，精度高：可以将电机安装在固定基座上，运动负荷比较小，减小了系 统的惯性，提高了系统的动力学性能。此外，并联机床便于重组和模块化设 计、制造、安装，其制造成本为5 轴j n - r 中心的三分之一；可重组行强，可构 成形式多样的布局和自由度组合。 上世纪九十年代机床制造业的大规模介入真正使得并联机床这一领域的研 究成果付诸工程应用实施，并联机床的发展逐步走入了实用化和商品化的进 程。 第一章绪论 伏尔可克莱德勒【6 】( v o l k e rk r e i d l e r ) 是西门子公司自动化与驱动部业务 开发经理，自1 9 9 4 年并联机床问世以来，在并联机床的模块化设计、机床的校 准、误差响应和误差补偿、数控系统的开发以及加工过程的仿真等方面做出了 很大的成就。根据并联机床发展的经历以及在上一届机床贸易展览会 ( m e t a v ) 上并联机床应用于工业生产所取得的新突破，伏尔可克莱德勒 将并联机床的开发分为两个阶段：1 9 9 4 1 9 9 9 年的原型机研制阶段；1 9 9 9 年以 后推出工业用机床阶段。 但是，正如其它新事物的发展一样，并联机床的商品化过程中还存在一些 关键问题亟待解决，主要表现在一下几方面： 构型设计方面：构型设计是并联机床设计的首要环节，其目的是在要求的 自由度下，寻求含一个动平台的并联机构杆副配置、驱动方式和总体布局的各 种可能组合。由于以s t e w a r t 平台为基础的6 自由度并联机床存在工作空间 小、机构的动力学和运动学设计较为复杂、对机械元件的制造及控制精度要求 较高而加工精度不易保证等缺点，所以需要选择并设计一些新结构形式的少自 由度机构来用于加工。 动力学分析方面：对并联操作机的动力学研究还主要针对并联机器人，而 金属切削机床动态性能的优劣主要是从机床结构的抗震性和切削稳定性的角度 出发来分析的。关于并联机床的结构抗震性和切削稳定性的研究目前还很少， 尚没有取得突破性进展；并联机床的动力学研究水平与现有传统机床相比相差 甚远，这也成为制约并联机床发展的瓶颈之一，同时也是一项极富挑战性的工 作。 数控技术方面：并联机床与传统机床运动原理上的不同决定了其数控系统 必然有很大的不同。并联机床存在特殊的作业空间、奇异位形和灵活度等多方 面的问题，这些问题都或多或少地需要数控系统加以解决。目前，针对串连结 构机床发展起来的数控系统及关键技术已经发展到很高的水平，而并联机床的 数控系统则大都继承了传统数控机床的标准和协议并使用了与传统数控机床一 致的操作界面、数控代码格式、坐标定义和相关术语，因而无法体现并联机床 本身的特点。 精度方面：精度是目前并联机床发展最关键的问题之一。并联机床毕竟在 运动原理上与串联机床存在巨大的差异，仅仅依靠精度设计和精度补偿是无法 得到令人满意的结果的。并联机床刀具在作业空间的不同位置，不同姿态以及 天津大学硕士学位论文 承受不同方向的切削力都会对零件的精度产生很大影响，而且在不同情况下影 响的效果也不同。在控制中选择刀具的合理位姿对加工精度是至关重要的。目 前相关的研究主要局限在机器人的应用领域，如何实现并联机床的高速、高精 度加工，尚需要更深入的研究。 关键零部件的批量生产方面：传统数控机床发展到如今比较完善的地步的 一个重要体现就是已经具备了许多高质量、商品化的关键零部件，例如大功率 高速主轴电机、高精度导轨、抗震性好的机床床身、高分辨率的伺服系统等。 并联机床还是一个新生事物，这方面的研究刚刚起步，因此制约了其整体性能 的提高。 上述的五个方面可以说是影响并联机床商品化发展的关键性技术问题，而 精度问题，尤其是工作精度始终是任何一种类型机床研究的核心课题，并联机 床亦不例外。从市场化的角度来看，并联机床究竟能不能走向商品化，用户能 不能接受，关键还在于它加工出来的产品最终质量如何。因此，从用户的角度 考虑，找到一个行之有效的工作精度检验样件以便验证所购买的并联机床满足 自己的客观需求是至关重要问题。这一工作的妥善完成一方面能够很好地维护 用户的利益，另一方面对并联机床今后的商品化发展将起到积极的促进作用。 因此，本文将研究和探索针对并联机床特点的工作精度检验样件设计方法及其 技术实现作为主要的研究内容。 1 2 国内外研究现状 随着理论研究的不断深入，目前，国际学术界和工程界都十分重视研究与 开发并联机床，世界各国政府对这种新型 数控装备的应用前景和市场潜力也保持乐 观的态度，纷纷投入大量的人力和财力竞 相开发。 9 7 年汉诺威国际机床展览会上有多 台并联机床参展，世界各国都在抢占机床 制造业的制高点。9 9 年的e m o ( 欧洲国 际机床展览会) 上并联机床已向实用化迈 出了一大步，在六条腿机床的基础上演化图1 - 2n e o s 公司的t r i c e p t 8 4 5 并联机床 第一章绪论 为三条腿机床，初步实现实用化。机床规格上也大为扩充，装配时压配合的最 大压力由原来的1 5 0 0 n 增加至4 5 0 0 n ，形成了虚拟加工中心( t r i c e p t 8 4 5 ， 图1 2 ) ，其进给速度可达6 5 m m i n ，加速度为2 9 ，体积精度达5 0 p ，重复精 度1 0 p ，换刀时间为5 1 0 秒。2 0 0 1 年汉诺威国际机床展览会上展出的各种构 型的商品化并联机床已达到3 0 多台。 事实上，并联机床研制与开发已成为目前机器人技术、机床结构设计技 术、计算机数字控制技术、振动控制技术、激光测量技术和多坐标数控编程技 术等多学科交叉的研究热点。对e i 、i s p i 、s c i 、b i d s 和n a s a 内部报告等的 检索结果表明，仅在1 9 9 3 年至1 9 9 7 年期间，在国外重要期刊和会议上发表的 有关文献和专利就达2 0 0 多件，内容涵盖相当广泛，涉及型数综合、位置正逆 解析、奇异位形、工作空间、刚度和精确度、动力学建模与优化、控制算法、 数控编程、测量标定、制造工艺、以及工程应用等诸多方面。“。 我国已将并联机床的研究与开发列入国家“九五”攻关计划和“8 6 3 ”高 技术发展计划。国家自然科学基金和国家攀登计划也在资助相关基础理论研 究，先后有清华大学、天津大学、哈尔滨工业大学等十几家科研院校和多家机 床厂投入到这一领域中来，并取得了可喜的成绩。天津大学目前正在自主开发 5 坐标并联加工中心，并且已经做到了实用化的地步。 但是，目前从整体上来说，世界各国对并联机床的研究基本上还处于研究 开发、试制和试用阶段，毕竟对这一全新事物的研究才刚刚开始。人们研究的 热点，如前所述，也主要集中在机床构型的创新、运动学的正逆解、工作空间 分析与尺度综合、精度分析、精度综合与精度补偿、数控系统的开发等具体的 范围中，而金属切削机床动态特性的优劣主要是从机床结构抗震性和切削稳定 性的角度出发来进行分析的。关于并联机床结构抗震性和切削稳定性的研究很 少，尚没有取得突破性进展。再加上保密性的原因，基本上看不到这方面的理 论研究文献“。 同传统的串联机床相比，对并联机床工作精度检验问题的研究还是国际上 的一个空白，也是制约并联机床商品化发展的瓶颈之一。因此，这方面的研究 将是一项十分有意义的也是一项极具挑战性的工作。 1 3 本文的主要研究内容 天津大学硕士学位论文 本文充分借鉴了传统机床的工作精度检验理论、方法和有益的思想，结合 天津大学“九五”和“十五”期间自主开发的3 - h s s 型并联机床、5 坐标卧式串 并混联加工中心和4 坐标卧式串并混联加工中心，通过理论分析和实验相结合 的方法提出了一套针对并联机床的工作精度检验样件设计方法并作了技术实现 工作，具体内容如下： 1 借鉴串联数控机床工作精度检验的步骤和方法，总结其有益的指导性思 想；针对并联机床的特殊性考虑其它方面的影响因素从而提出并联机床工 作精度检验样件设计的原则； 2 从并联机床工作精度检验样件设计的原则出发，结合我校自主开发的四坐 标和五坐标串并混联卧式加工中心设计一个综合检验样件以及两个功能展 示样件； 3 对于综合检验样件，给出完整的从设计到加工的全过程，同时制定相应的 检测方法； 4 深入研究针对并联机床的数控编程通用后处理程序，从而为并联机床的多 坐标加工奠定基础； 5 把弧面分度凸轮作为四轴加工功能展示样件，完成凸轮的c a d c a m 一体 化，解决其在通用机床上加工的一系列难题； 6 选择增压器叶轮作为并联机床五轴加工的工作精度检验样件，解决其2 h i 中的关键技术问题，完成在并联机床上的加工。 天津大学硕士学位论文 第二章并联机床工作精度检验原则 实用性是目前并联机床需要技术突破的一项关键因素。纵观并联机床从萌 芽到发展，无不是理论和实践相结合的结果。尽管计算机数字控制技术为并联 机床的发展插上了腾飞的翅膀，但并联机床与传统的串联机床毕竟在传动原 理、工作空间、奇异位形、刚度和动力学性能等方面都存在着显著的差异。因 此必须针对并联机床自身特点来制定其工作精度检验方案，这样才能客观科学 地反映并联机床的真实功能，从而促进其快速实现商品化。 2 1 机床精度概述 我们知道，在为数控机床编制零件加工程序时，是假设主轴上刀具的刀尖 点沿着零件的理想形状轨迹运动的，编程者通常将刀具定位在零件公差带的中 部，加工时不再作其它干预。也就是说，加工时是靠机床的精度来保证零件加 工精度的。因此，机床自身精度必须比要求的零件精度高，常常要高一个数量 级，因而精度成为客观地评价机床加工能力的重要指标。数控机床的精度可以 分为静态精度和动态精度。，静态精度是在非切削状态下进行检测的，它包 括机床的几何精度、定位精度和重复定位精度等内容，反映的是机床的原始精 度。而动态精度是指机床在实际切削条件下加工的工件所能达到的精度，它不 仅与数控机床的原始制造精度有关，还与加工时的环境条件和具体的工艺系统 有关，如夹具、刀具、切削力、切削速度和振动等都对机床的加工精度有影 响。机床精度的具体构成情况可以参照表2 - 1 。 数控机床的生产者与使用者对数控机床精度要求的侧重点不同，机床生产 者要保证工件的加工精度是很困难的，一般只能保证机床出厂时的原始制造精 度。而机床使用者只对数控机床的加工精度感兴趣。追求的是工件加工后的成 形精度。工作精度检验正是能够协调数控机床生产者和使用者之间的矛盾，满 足数控机床使用者的要求一种非常有利的手段。 2 2 串联数控机床的工作精度检验分析 第一二章并联机床t 作精度检验原则 表2 - 1 数控机床误差因素与精度定义 误差因素精度定义 测量系统 ) 几何精度j 囊 攀、 定位伺服系统 机床本体 l 、间隙 2 、挠曲 3 、几何因素 直线度垂直度 颠摆、滚摆、摇摆 热因素 ) 机床定位的重复性j 度 的 1 、机床 2 、外界环境 夹具 1 、几何精度 2 、热变形 3 、负载引起挠曲 刀具和工件 1 、热变形 2 、内应力 3 、负载引起挠曲 串联机床的发展目前已比较完善，在工作精度检验方面已经有了成熟的规 范。除非用户对机床性能有特殊的要求可以通过和厂家协商用指定的样件或其 他方法进行机床的工作精度检验外，在绝大多数情况下都可以通过加工工作精 度检验试件 】n a s 标准试件来解决。例如，国际标准i s o1 0 7 9 1 7 ：1 9 9 8 ( 以下简 称国际标准) 就基于试切方法对精密j n t 中心工作精度检验进行了详细规定， 我国的j b t9 7 7 2 7 1 9 9 9 标准基本上与之等同。下面就国际标准所规定的工作精 度检验方法进行阐述。 j 国际标准中提供了两种类型的工作精度检验样件，即点位和轮廓加工样件 ( a 型) 以及端铣样件( b 型) 。由于串联加工中心在整个工作空间内的加工精 度同其行程呈线性关系，因此，对于每种类型的样件标准又规定了两种名义尺 寸规格a 1 6 0 、a 3 2 0 和b 8 0 、b 1 6 0 。 点位和轮廓加工检验包括五个孔的点位加工和键削以及不同轮廓的一系列 精加工，用于检查不同运动条件下的机床精度，即：仅一个轴线方向的进给， 天滓大学硕士学位论文 两轴线方向的线性插补和圆弧插补。该型式的样件包含下列加工内容( 以大尺 寸样件为例) ： 图2 - 1 精密加工中心检验样件 通镗位于样件中心的直径为5 0 的孔； 加工边长为3 2 0 的外正方形和边长为2 8 0 的正方形底座； 加工位于正方形上边长为2 2 0 的菱形( 倾斜7 5 0 的正方形) ； 加工位于菱形上直径为2 2 0 m m ，高为6 m m 的圆； 在外正方形两边长上加工角度为3 。或正切值为0 0 5 ，外正方形侧面上深 第二章并联机床工作精度检验原则 6 r a m 的斜面； 镗削直径为4 3 m m 的四个孔和直径为4 5 m m 的四个孔：直径为4 3 r a m 的孔沿 轴线正向趋近，直径为4 5 m m 的孔负向趋近，在距离样件中心1 0 0 处定位这些 孔。 大尺寸规格的样件设计如图2 1 所示。 端铣样件的目的是检查切削宽度相同的两次走刀端面精铣所铣表面的平面 度。为了保证两次走刀的切削宽度均为8 0 的刀具直径，它要求样件表面宽度 与刀具直径保持1 6 ：1 的比值关系，并且第一次走刀时刀具要伸出样件表面的长 度为刀具直径的2 0 。第二次走刀时刀具要伸出另一边约l m m ，走刀模式如图 2 2 所示。 图2 - 2 端铣检验模式 从上述的检验样件设计过程不难看出，串联机床基于试切法的工作精度检 验其本质主要是用来检验机床沿x 、y 方向的直线度，沿x 、y 、z 方向两两之 阳j 的相互垂直度、两坐标联动数控插补的直线度和圆度以及x y 平面内孔的位 置精度等。另外一个特点就是，此法根据数控机床各坐标的行程范围确定切削 样件的两种尺寸规格。这样规定是因为串联机床各坐标的误差与行程之间为线 性关系，对不同的尺寸规格，标准中规定的标准公差也就不同。 这种方法也有其不足之处，如将点位和轮廓加工样件与端铣样件分开，为 加工中心上的加工带来了不便；另外，对于多坐标联动加工中心而言，此法并 没有检验机床的曲面加工能力，而这一点又是非常重要的。 2 _ 3 并联机床的工作精度检验样件设计原则 灭津人学硕士学位论文 2 3 1 并联机床的工作精度检验分析 尽管并联机床的结构已经较串联机床简单，但其误差项仍然不少。以本文 所涉及的并联机床主模块”3 为例，其结构中的几何误差影响因素如表2 2 所示。 表2 2 主模块中误差影响因素 误差 描述误差组成 项 1四边形长边相对误差 ( 1 ) 两球体中心距离相对误差 2四边形短边相对误差( 1 ) 两球碗安装孔中心距离误差 ( 2 ) 球碗安装孔和球碗配合面的同轴度误差 ( 1 ) 主模块体上与滑枕座侧向配合的配合面 相对端面的垂直度误差 ( 2 ) 主模块体上与滑枕座侧向配合的配合面 3 相对转角误差i的平面度误差 ( 3 ) 滑枕座上与主模块体侧向配合的配合面 的平面度误差 ( 4 ) 滑枕上与导轨的侧向配合面相对滑枕上 与导轨的正向配合面的垂直度误差 ( 1 ) 滑枕座上与主模块体正向配合的配合面 - 到与导轨正向配合的配合面的距离误差 ( 2 ) 导轨前端面到滑枕上与滑枕接板配合面 的距离误差 ( 3 ) 滑枕上导轨配合面与滑枕接板配合面的 相对转角误差i i平行度误差 4 ( 4 ) 主模块体上与滑枕座侧向配合的配合面 相对端面的垂直度误差 ( 5 ) 滑枕座上与主模块体侧向配合的配合面 相对与主模块体正向配合的配合面垂直 度误差 ( 6 ) 滑枕上与导轨的侧向配合面相对于导轨 的正相配合面的垂直度误差 第一二章并聪机床工作精度检验原则 当然，对于整台机床来说，其几何精度还应包括工作台面与水平面的平行 度误差以及工作台回转轴与工作台面的垂直度误差等。 因为工件加工精度的最终形成是各种误差源经过由各零部件和传动副组成 的动态机床系统作用以后表现出来的合成误差，如图2 3 所示，而数控设备的性 能也只是通过加工才综合体现出来。于是，当一台新机床被制造出来以后，如 何能得知它的实际加工精度是个非常重要的同时也是非常复杂的问题，而这 正是工作精度检验所要解决的问题。 误差源一二竺兰兰至至：! 1 一工件加工误若 一 图2 3 误差源作用示意图 工作精度检验就是通过检验加工好的样件的实际精度来反映整台机床的精 度。总体说来，样件的设计主要有两个目的：一是实际反映机床系统的加工精 度：二是展现机床的加工能力，既包括零件的加工质量，又包括机床的加工范 围。本文所指的工作精度检验样件设计，不仅是简单地设计样件以用来加工并 考察其加工后的精度，而且是充分而全面地考虑并联机床的整体结构、力学性 能、控制方式、传动特点、加工范围、工作空间等因素，并结合目前并联机床 发展方向的共同特点，拟定出通用的并联构型机床工作精度检验样件设计的基 本原则与实例，这无疑会对并联机床的商品化发展起到重要的指引作用和积极 的推动作用。为此，做了以下几个方面考虑： 1 本质上讲，工作精度检验就是要把机床的几何精度和定位精度在实际切削 的条件下反映在加工后的样件上，这一点与串联机床是一致的。而为了能 够使并联机床商品化，必须让用户确信并联机床的工作精度要优于串联机 床，这就需要在共同的加工特征上对他们进行比较。也就是说，串联机床 工作精度检验样件所包含的典型特征，并联机床也都应该予以加工。并 且，这些特征可以通过不同的插补方式进行加工以检验数控系统的误差： 2 串联机床工作精度检验对工作空间的考虑并不是很多主要是因为串联机床 各坐标的误差与行程之间为线性关系，因此，用较小尺寸的样件检验大行 程的机床也具有合理性。但对于并联机床而言，由于体积误差在全工作空 间内分布的非线性导致这种合理性必然不再存在。研究表明，算联机床动 平台的运动精度主要决定于并联机构的机构误差控制精度。机构误差主要 天津大学硕 学位论史 由构件制造和装配误差、构件的热 变形和弹性变形( 如连杆的热变 形) 等引起的。“。当动平台处于不一 9 同的位姿时，连杆上承受的拉力或嘉2 压力是不同的，因此，动平台不同癸1 5 位姿的运动误差是不一样的，图2 4 4 1 5 i 是并联机床主模块只考虑凡何因素 在全工作空间中的体积误差分布。 故而，合理样件的整体尺寸应该尽 量占据整个工作空间。 y ( m m ) _ 1 5 0 - j 5 0 x ( m m ) 图2 - 4 体积误著分布图 5 0 3 并联机床在运动原理上与串联机床的最大不同之处在于工作空间与伺服空 间的非线性映射关系，这就决定了平面度成为工作精度检验的重点。而在 联动方面，并联机床又具有明显的优势，因此曲面加工，尤其是复杂曲面 加工也应该是一个突出的检验项目。 4 在加工工艺方面。数控机床的一个突出特点就是零件的加工误差不光在加 工过程中形成，在编程阶段也可以形成。因此，在设计样件时应避免产生 数控编程上的工艺误差。另外，应该将检验项目尽量综合在一个样件罩以 避免不必要的装夹误差和对刀误差等。 2 3 2 并联机床工作精度检验样件设计原则 根据以上分析并结合并联构型数控机床的加工实验得出，在工作精度检验 样件设计过程中应遵循以下基本原则： a 应使机床的几何精度和定位精度都尽可能在精加工后的样件上得以体 现； b 尽量体现机床的所有运动形式； c 尽量综合典型的几何特征，达到最少的样件包括最多的检验项目，而 且所选特征的几何尺寸最好能与串联机床具有可比性； d 试件的工艺性要合理，定位、装夹要方便： e 所有加工项目应便于检测； f 对并联加工中心工作空间以及误差分布予以合理的考虑； 第二章并联机床工作精度检验原则 g要重点考核不同走刀轨迹的平面度； h 可根据用户的具体需求设计专门的样件。 2 4 本章小结 本章借鉴了串联数控机床工作精度检验样件设计的方法与内容，在此基础 上结合并联机床的具体特点，拟定出了适用于并联机床工作精度检验的样件设 计原则。 天津大学硕士学位论文 第三章并联机床工作精度检验综合样件设计 机床工作精度的高低体现在所加工工件的质量上。本章以第二章所提出的 并联机床工作精度检验样件设计原则为依据，综合考虑各方面的影响因素，为 带转台的卧式并联机床( 如图3 - i ) 设计工作精度检验综合样件，同时还给出 加工工艺以及样件的精度检测方法等。 3 1 综合样件几何设计 3 1 1 检验项目及特征选取 为了更好地体现加工中心的加工范围和质量，使并联机床工作精度检验样 件设计更具科学性与合理性，本文提出“运动中心法的思想来设计样件的检验 项目。这种设计的核心雨容是全面考核机床各种可能的运动形式，选取适当的 特征来安排、设计样件的工艺内容。具体内容如下： 图3 - 15 坐标卧式并联加工中心 第三章并联机床工作精度检验综合样件设计 a点动 要求控制刀具从一个位置精确地移动到另一个位置，可以通过钻孔来检验 在不同走刀方向上的孔距误差。 b 线性运动的直线度( 直线和斜线) 包括x 、y 、z 轴轴线运动的直线度，同时也包括在与3 个基本平面平行的 平面内的斜线的直线度。 c 线性运动间的垂直度( 直线和斜线) 要求检验x 轴轴线运动和y 轴轴线运动间的垂直度以及z 轴轴线运动与x y 平面之间的垂直度指标，此外还包括非平行于坐标轴的直线间的垂直度。 d 线性运动间的平行度( 直线和斜线) 要求检验同方向的线性运动的平行度。对于卧式机床来说，还应包括检验 样件回转1 8 0 0 对镗孔后孔中心的重合度。 对于b 、c 、d 三项的检验，可设计一个正方形和一个菱形来满足检验要求。 e主模块沿z 轴轴线运动的直线度 也就是z 轴轴线运动的直线度，简单说来就是检验镗孔中心线的直线度。 f平面曲线运动 平面曲线运动可以通过两坐标联动加工一个在基本平面内的圆环，而且它 的圆度测量也比较容易。 g 空间曲面加工 曲面加工是并联机床工作精度检验的一个熏点内容。当x 、y 、z - - 坐标联 动时，可以铣一个内球面，如果加上一个工作台的回转自由度( 绕a 轴) ，即 可完成精密分度机构一弧面分度凸轮的加工，如果再加上b 轴的摆动，则可完 成包括叶轮在内的绝大多数复杂零件的加工。 h端铣试件 根据并联机床的精度理论与加工实践可知，试件加工的平面度误差是对机 床工作精度的一个重要体现。因此，可以通过至少两种以上的插补方式用端铣 刀对大平面进行铣削加工以检验其平面度。 3 1 2 样件的几何实体设计 按照第二章所提出的样件设计综合性原则应考虑将典型的检验项目综合在 天津大学硕士学位论文 一个检验样件中。图3 2 为天津大学开发的5 坐标卧式并联加工中心布局。因 工作台具有回转运动，考虑将上述的检验特征分别集中在一个箱体的四个面 上，这样可以在一次装夹下完成四个面的全部加工并可检验工作台的回转精 度。 y 1ij 坶 t 作空间 l 号 彩铴1 一 o _ _ 彩铴马z 吾 q 幽每 晶 羁j d 璩 _ 萼 ( 0 图3 2 天津大学开发的5 坐标卧式并联加工中心布局 筘= 章井联机床t 作精度榆验综合样件改汁 另外，与串联机床有着明显的不同，小尺寸样件的精度不能准确反映具有 人l 。竹- ，孙i j 的并联机床精度，i _ _ | 于本台机床的：f 【_ i 工范闱为3 0 0 的曲：疗空m ，因 此栉你的外形小r 既要尽量与其匹配，但由于： 作台转盘氨径为2 0 0 m m ，聿 _ ：i 体 的尺、 i 果过大则会在工作台回转过程中与其静止部分发生二1 二涉。 在详细考虑装央方式及加工工艺的合理性之后，可设计综合检验样件的零 件图如图3 3 所示，其中矩形端面和圆环端面应分别采用直线插补和圆弧插补 从i 刚食验升；j = i 】插补方式刘工作精度的影响。下文也将以陔样件为对缘讨论其加 1 ：i ：岂和检验方法的设计。 巡 i - 1 两十裂 、 墨 n ， 8 j f 3 2 工艺安排 不。 幽3 - 3 综合样引 按照先而后孔以及少换刀的原则设计综合样件的加工工艺，如表3 - 1 所 丕堡查兰堡! ：兰竺笙兰 一 一 表3 - 1 综合样什的l q 艺安排 工位号及工位图 加工内容刀具 工 奇1 ：耜、半精铣 1 3 0 的圆环端面 。澎卜 = ：r = 位2 ：粗、半精铣8 0 x 1 3 0 的矩形端面 m 2 0 的 立铣刀 上位3 ：粗、半精铣c d l 3 0 的圆环端面 j ：位4 ：粗、半精铣10 0 x 1 0 0 的菱形端面 l 工位1 ：粗、半精铣0 1 3 0 的圆环外侧面 l t 位2 ；粗、半精铣8 0 x 1 3 0 的矩形侧面 c d 2 0 的 i 立铣刀 _ ， 工位3 ：粗、半精铫0 1 3 0 的圆环外侧面 1 o 工位4 ：粗、半精铣1 0 0 x 1 0 0 的菱形侧面 _ 工位4 ：粗、半精、精铣内球面 0 2 0 的 球头铣刀 ； 2 _ 1 ：位4 ：精铣1 0 0 x 1 0 0 的菱形端面 工位1 ：精铣 1 3 0 的圆环端面 t ：d 2 0 的 立铣刀 辰蕊 工位2 ：精铣8 0 x 1 3 0 的矩形端面 长渺 ：位3 ：精铣m ”0 的圆环端面 工位4 ；依序钻4 个中5 的孔t d 5 的钻头 3 _ ：l = 位1 ：精铣中1 3 0 的圆环侧面 如 、 工位2 ：精铣8 0 x 1 3 0 的矩形侧面 中2 0 的 立铣刀 献 工位3 ：精铣西1 3 0 的圆环侧面 - 秒 工位4 ：精铣1 0 0 x 1 0 0 的菱形侧面 工位1 ：粗、半精、精镗0 1 0 0 的孔 中9 8 0 9 9 8 中1 0 0 t 位3 ：粗、半精、精镗c d l 0 0 的孔 的镗刀 注：端面铣削和轮廓铣削的切削深度均为粗加工2 r a m ，、p 精加 ：0 8 m m ，精加，【0 2 r a m 。 第二章并联机床工作精度榆验综台样件设计 切削参数的设定与国际标准i s o1 0 7 9 1 7 ：1 9 9 8 保持致，以便于加工结果 的比较。 毛坯件的制作材料可选铸铁或铝，并相应选取刀具材料。在精加工之前要 先对毛坯的顶面和底面进行预加工，保证毛坯的高度为2 0 0 m m ，精度等级为6 级。另外，对底面中心孔也应进行预加工，在安排精加工时，以样件的底面为 定位面，上面以压板压紧。 3 , 3 检验方法设计 为了保证测量的准确性和方便性，最好将精加工后的样件放在坐标测量机 ( c m m ) 上进行所有要求的测量。对于直边( 或正方形、菱形和斜面) ，为获 得直线度、垂直度和平行度偏差，测头至少应在1 0 个点处触及被测表面。表 3 ，2 中“公差”一项表示相同尺寸下串联加工中心所规定的标准公差。 表3 - 2 样件的检验方法 检验项目公差检验工具 正方形 a ) 侧面的直线度 0 0 1 5 c m m 或平尺和指示器 b ) 相邻面与基面的垂直度 0 0 2 0c m m 或角尺和指示器 c ) 相对面与基面的平行度 o 0 2 0 c m m 或等高两块和指示器 圆环 d ) 圆度 0 0 2 0c m m 菱形 e 1 斜面的直线度 o 0 1 5 c m m 或平尺和指示器 f ) 与基面的角度精度 0 ，0 2 0c m m 或正弦规和指示器 球 c m m g ) 圆度 c m m h 1 球度c m m 孔 i ) 位置度 0 0 5c m m 镗孔 天津大学硕，l 学位论文 j ) 孔的圆柱度 0 0 2 5c m m k 1 孔心线对端面的垂直度 0 0 1 5c m m 1 ) 两孔轴心线的同轴度 0 0 2 0c m m 端面 r n ) 各端面的平面度 0 0 2 0 c m m 或平尺和指示器 n ) 相邻面与基面的垂直度 0 0 2 0 c m m 或平尺和指示器 o ) 相对面与基面的平行度 0 0 2 0 c m m 或平尺和指示器 3 4 本章小结 本章是前一章关于并联机床工作精度检验样件设计原则的一个具体应用实 例，以本文提出的“运动中心法”为核心设计出了一个针对卧式并联机床的综 合检验样件。实验表明，这样的综合样件简单有效，能够很好地反映机床的真 实工作精度。 基于商用软件i - d e a s ，完成了该综合样件的实体造型设计，结合机床结 构特点制订出了合理的工艺路线，并在i - d e a s 中完成了数控程序编制。 天滓人学坝i 。学位论义 第四章四轴加工样件设计 4 轴联动复杂曲面加工是并联机床工作精度检验的一个重要内容。而弧面 分度【j i 轮机构足种新型的高精度分度机构，近年来应用非常泛，嘲内外市 场都存在着巨大的市场需求。弧面分度凸轮是该机构的核心零件，其轮廓面为 复杂的空问不口j 展曲面，因而在设计和加工制造上都存在较大难度，它的廓面 准确与甭直接影响到机构的传动质量。提高凸轮的加工质量是目前弧面分度凸 轮研究的一个重点，因此选用弧面分度凸轮作为并联机床的功能展示样件之一 既柏深刻的理论研究意义同时又有非常现实的社会经济价值。 4 1 弧面分度凸轮机构概述 弧i i | = 分度凸轮机构( g l o b o i d a li n d e x i n gc a mm e c h a n i s m ) 它是一种新型分 度机构，1 i 仪具有结构简单、工作可靠、分度精度高等特点而且有丰富多之活 的凸轮曲线可供选择束满足各种复杂运动控制上的要求，被广。泛应用于轻丁 业、农业以及加工中心换刀机械手等多工位自动机械上。 弧面分度凸轮机构用于两垂直交错轴间的间歇分度，该机构由一个带凸脊 芍 4 么 烈，一 人j 必 ( a ) 转盘 凸轮 ( b ) 幽4 1 弧面分度凸轮机构 ( a ) 机构处丁分度位管：( b ) 机构处丁停歇1 1 i 7 ：置 2 l 第p q 审p q 轴加t 样件啦计 的空问_ 轮和在周向放射状等分地装有滚子的转盘组成( 见图4 1 ) 。凸轮为主动 件，形状为圆弧回转体，轮廓制成突脊状，一般作等速连续旋转，转盘为从动 件，其j 二装有几个轴线沿周向均匀分布的滚子。当凸轮旋转时，其分度段齿廓 推动滚子，使转盘分度转位；当凸轮转到其停歇段时，转盘上的两个滚子跨必 征i r , 轮f | ：j 【翊环而突脊上，使转盘停止转动。从而实现问歇分度运动。 弧向分度凸轮机构传动质量提高的关键技术在于凸轮的加二 。凸轮在制造 i ：主要有两方面的要求，其一是提高加工精度，其二是降低加工成本。国内对 ：弧面分度凸轮的加工普遍采用滚齿机改造后的具有两个角度坐标的专用机床 进行加i ：，如两北轻工业学院及西安钟表厂研制成功了n t x k 5 0 0 1 型弧研分 度l ”i 轮0 ij 数控立j i = 铣床，山东工业大学研制成功了汁算机控制婀坐标联动凸 轮专用加工机床。专用机床结构简单、刚性好，但加工出来的凸轮中心距是有 定限制的，当其超出机床的可调范围时将无法加工。另外，当刀具直径发生 变化时( 如由磨损引起的) 凸轮的加工误差通常是很大的。为满足弧面分度凸 轮”件小批最7 t 产时快速、低成本、加工灵活和高精度的要求，应该考虑在通 f f j 机床上完成其加工。 4 2 弧面分度凸轮的几何设计 为弧晰分度凸轮：【二作面的空问不可展性，在加 。：完成以前，我什j 无法想 象出曲面的形状及其在加工或实际工作过程中可能出现的各种备样的问题，如 果能够在设计阶段及时地发现问题，无疑会大大地降低研发成本，缩短i “品丌 发周期。因此，在弧面分度凸轮机构设计过程中的三维实体造型技术是十分重 要的。 4 2 1 设计思路 日6 口针对弧面分度凸轮的几何设计问题比较通用的解决办法是利用高级语 - j ( 如v i s u a lc + + ) 和a u t o c a d 中的二次丌发工具a u t ol i s p 结合来完成 的。似这种方法存在着很多问题，最根本的就是无法实现弧面分度凸轮的 c a d c a m 体化a 鉴于上述方面的考虑，本文采用基于u n i g r a p h i c s 商用软件 的设 1 方法，很好地解决t 上述n n ，取得了令人满意的效果。 墨堡苎兰堡。! ：兰垡笙苎 一一 总体改汁心路是：函先推导出弧面分度凸轮廓面。j 滚，的空m 共轭接触方 秤和i n i 轮理沦轮廓曲面方程，按照一定的转角间隔选出一系列瞬时啮合曲线， 在每一条曲线上再等分地选出一定数量的点，然后计算所有被选空f n j 点的坐 标：对这些点在u n i g r a p h i c s 进行处理以生成凸轮的轮廓曲面模型：再由先前设 计好的n 轮j l 何外形尺寸利用该软件提供的造型命令即可生成实体模型。 4 2 2 设计与计算 1 基本设计条件 针时儿休一r ：况，可以确定孤面分度凸轮机构的基本设讨参数：中心距c ， f t l 轮转速1 3 ，从动转盘的工位数i ，从动件的运动规律曲线等，并且可以确定凸 轮的头数h 及旋向f 。 凸轮运动规律也称为凸轮曲线，是指凸轮轴上输入量与从动件上输出量之 间的关系曲线。分度凸轮机构一般是在中、高速情况下工作的，所以存选择运 动舰律时应菥雨考虑。比较典型的转盘运动规律见表4 1 。其仁改进f f ：弦阳线 均衡性好，曲线光滑，在负荷性