（机械工程专业论文）新型复合加工中心创新设计方法研究.pdf

独创性声明 秉翻国优 良道德传统和学校 的严谨学风郑重申明 本 人 所呈交 的学 人在导少 佛 导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标 寨 攀 粼 默 幸 默 盘 孟 默的 “ ” “ “ 吵吵 本论文及其相姗料若有不实规一，由本人秘一仰关责任 论 啊“ : 粤咚呷 月 “ 学 位论 文使 用授 权 声 明 本 人在导师的指导下创作完成毕业论 文 。本入 已通过 论文 的答辩 ，并 已 经在西安理工大学申请博士/硕士学位。 本人作为学位论文著作权掬有者， 同 意授 权 器翼 纂 翼器 默 鬃 漏 篡 默 翼 粼骂 ，可以将学位论文的全部或部分 内容编人有关数据库进行检索 ; 2) 为教学和 的，学拉可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资 - 或在 校园网 上 供 校内 师 生 阅 读、 浏 粤:、 之 本人学位论文全部或部分内容的公布 (包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理 。 (保密的学位论文在解密后 ，适用本授权说明) 论文作者签名导 师签 名耳年 劣月峥 日 摘要 协 寺 斯日 。 挤 刑 有 吞 七n 丫 由 八 右日 拼 裕 补 -六 妹 石 环空 卜 乙 夕味从乙 目;取 ! 臼匕 多乙 口刀 目-土一 f 目，匕，j 取 ! 岁心 曰/ j了 八 w! 夕七 学科名称 : 机械工程 博 士 生: 程祥 (签名) 指导教师: 黄玉美 (签名 ) 答辩 日期: 摘要 创新设计是指采用新技术 、新原理 、新机构和非常规方法进行 的设计 ，使得所设计 的产 品在整 体或局部是前所未有或前所未知 的。只有创新设计才能产生真正具有市场竞争力的创新产品。近 年来复合加工中心作为一类新型数控机床倍受人们的关注和重视 ，论文在具有加工功能复合、粗 精加工机构复合 、并联与串联原理复合特点的新型复合加工中心的新原理 、新机构及虚拟样机仿 真软件 的开发等方面进行 了较为全面 的、系统 的、深入 的并具有一定创新意义 的理论和试验研究。 论文主要研究的内容如下: 1. 论文在对现有 的车铣复合加工 中心和并联机器人研究分析基础上 ， 创新设计开发 出一种全新型 n 轴6联动复合加工 中心 ，该加工 中心具有车铣磨加工功 能、粗精 加工机构 、串联 与并联原理 混合等特 点。 2. 研究开发了一种过导向粗精加工机构复合与独立使用的机构模式 ，精加工机构具有3一 5个运动 轴 ，加工时粗精机构独立工作 ，提高了精加工的精度保持性 ;、 粗加工机构又可带动精加工机构 移动，扩大了精加工机构的使用范围; 过导向原理提高了粗加工机构的抗颠覆力矩的能力。 3. 将并联原理引入到车铣磨复合加工 中心 的创新设计 ，提 出了一种3一 pr s 三轴并联运动和包含车 削c轴的三轴 串联运动相结合 的串并联复合模式; 推导了其3一 p邓 并联机构的静 、动力学逆解 ， 并作了仿真; 对3一 pr s并联机构的奇异位姿进行 了求解 ，并提 出了避免的结构方案; 对 由搜索 得至 蝉 3一 prs并联机构的可达工作空间， 提出了 伪象限方法并借助于三维ca d 软件生成了该可达 工作空间的三维实体; 提 出了一种剖切方法对3一 pr s 并联机构的可达工作空间进行研究得到 了 该工作空间内的姿态分布 。 4. 提 出了一种空间倾角配置方法 ，克服 了并联机构转动范 围小的缺 点 ，研 究开发 出一种可实现立 卧 加工 的新型3一 pr s 三轴并联原理主轴头部件 ，并进行 了精度试验 。 5. 提出了一种过约束滚滑复合原理的新型被动关节 ，兼有刚度高、精度稳定性好的特 点，应用虚 拟样机技术对并联机构 中的被动关节进行设计和优化 ，并通过试验和应用进行 了验证 考核 。 6. 开发出一种虚拟样机仿真软件虚拟加工过程仿真软件 ， 在该系统中可 以完成创新开发机床 的整体建模 、各轴行程设定 、读入nc代码 、执行实时切削过程仿真 、实时显示切削过程及最终 西安理工大学博士学位论文 完成工件 ，并且在仿真过程 中报告干涉碰撞 、过切、欠切等 ; 仿真结果证 明了所开发软件 的可 行性和所开发 的复合加工 中心 的复合加工功 能的正确 性 。 关键词 : 车铣磨复合 ，虚拟样机 ，粗精加工机构 ，并联机构 ，滚滑复合 ，奇异位姿 ，工作空 间， 虚拟加工 论文的研究得到了国家 自然科 学基金项 目 混合式数控机床总体方案创成与被动关节结 合部 研究(项 目编号: 50075069 )以及 国家经贸委重点技术创新项 目 多功能切削机器人(项 目编 号 : 99bk455 ) 的资助 。 a b s tta c t su讨ect: st u d y o n t h e in n o 劝 汀 iv e d e s ig n m e t h o d o f a n e w t y p e c o m b in e d m a c h in in g c e n t e r spec i alt y : p h 一 c an d id ate: s u p e件 isor: m echa n ic a l e ng l ne e r i ng c heng 儿 ang (51沙 at u r e )_ h uang y um ei( s ig n at u r e ) 、 ent a: 。 on dat e: 刁恤功攀口塑 纽一. a b st口 ct 加nov ativ e d esig n r e f e r s to t h e d esig n ad op tin g n ew teel miq ues，n ew pr i ncip les，n ew m ec h a n ism s a nd u n u su al m eth o d s. t hat m a kes th e p ro d u cts d esig ned a r e n o t ex isted b ef o r e o r unk now n bef o re. o n ly in nov ativ e d esig n ea n m a ke th e p r o du c t s w ith p ow e而 1 m a r k et eom petence. h i r e cent yea r s， c o m b in ed m ac h in in g c e n ter s a r e m ore concem ed a n d reg ar d ed as a ne wty pe c n c m ac h in e too ls.t heref o re， i nth is d isser t ation ， n e wp r i neip les， n ewm ec h a n ism s a n d v i n u a l p r o to t即 e sim u latio n so f t w a r e o f a n ew ty pe eom b i n ed m ach inin g een ter w ith f e a t u res of eom bi nations of m ac h i ning f u nc t ions， r o ug h a n d prec i se m a c hini ng m eeha n ism s， pa r a l le1 p r i nc i p le a n d ser i al p r i neip le a r e st u died in th eo r y a n d in ex p er i m en ts system atic a lly a n d t h o r o ug l i ly . t h e m ai n resea r eh in th is d isser t a t io n 15 a s b elo， v: 1 .a f u ll n ew ty pe c om b in cd m a c h i n i n g een ter w ith elev en a xes a nd sim u ltan eo u sly si x a xes 15 desig ned on th e b a s is o f stu d yin g th e ex istin g tu m 一 m illin g m ach in e to ols a n d the p a r allel rob o ts. m ain f e atu res o f th e co m b in ed m ach in in g een ter a r e th e eom b in a t ion s of t ur n i ng， m ill i ng a n d g r i ndi ng f u ncti ons， r o ug h a n d precise m a c hi ni ng m eeha n ism s， ser i al a nd p a r allel p r i n cip les. 2 . a m eeh耐 sm m ode of over g u i ded r o ug h a n d precise m a c hini n g m ec h a n ism bei ng able to c om b in e a nd use in d ep en d ently 15 in tr o du eed . t he p r e eise m eeh a nism h as th ree to f ive m otion a x es.t h e r o ug h a n d precise m ac h i苗ng m .c h a n ism c a n w or k i ndependently du r i n g m ach i n in g ， w n i c h en ha n ees t h e pr e eisio n en du ra n ee of t h e p recise m ach ln i n g ， 仆 e pre c is e m a c h i 加 恤9 m ec h 面 s m撇吐50 be m o v ed by 比e r o ug h m achi n i ng m ec hh as m， w h ieh c u la r g e s t h e m a c 址n i n g ra ng e o f t h e p r e c i se m ec ha n i s m . t he o ver g u i ded pr i n ci pl e en h a n ces h e a n t i 一 d ist u r bi ng c a p a b i l i t y 可 h e r oug h me c h 3 . a ser i a l 一 p a r allel c o m b i n a t io n m o de o f a3 一 p r s th ree一 a x i s pa r a i l e l 砚n 下 s 刃以- 刃 已 o tf o n s幼 d 声 址ee一 a x is se r i a l m ot i ons i n cl ud i ng t h e t u m i n g c a x is 1 5 i n t r o d u c c d t h r oug h put t i n g t h e pa r allel t h eor y i n t o t h e i nnova t i v e d e sig n of t h e t u m 一 m ill一 颤 ndi n g c o m bi n ed m ach j由 i ng .c e n tel t he i n ver s e sta t ic s a n d d y na mic s o f t h e 3 一 p r s p arallel m ech 耐 sm a r e d er i v ed a n d s加ulat ions a r e g i ven.si n g u la r i ties of t he 3一 pr s pa r al lel m ec h 耐 sm ， a r e sol ved a n d st r u ct ure st rateg i es to a v oid si n g u la r i t ies a r e i n trodueed.t h e r e acha b le w or k 印ace o f t h e 3 一 p r s p arallel rob o t 15 go t b y a search ln g m eth o d .a nd th e th r ee d im en sio n so lid o f t h e w or k sp aee 15 d r a w n b y in tro du ci n g a preu do 一 qu adra n t m eth o d a nd usin g a 3d so f t w a r e. t hen a sec t ion i n g m e t ho d 15 in t rod uced to g et th e gest u r e d istr i b u tio n in th e r e a c h ab le w o rk s p a e e. . a ne w3一 pr spa r al l e lpr in c i p l e spi n d le h e a di s st u died and de v ei n ped w ith ver t i caland hor izontal m ac h i ni ng c a pa b il ities by i nt r o duei ng a k i nd of space ti lt a n g l e eonf i g u ra t i on m etho d ，w hic h eonq u ers th e d isad v a ntag e of th e sm all rev o lv e ra ng e o f p a r allel 111 x i an un ive r s ity o f t ee hn o logy m echa n ism s.a nd p reeision ex p e r im en ts a r e f i n ish ed . 5 . a k i nd of over eonst r a i nt r o lli n g - sliding eom bin e d passi ve joi nt w i th hig h sti f f n ess a n d hig h preeision m ainta n ene e 15 i ntr o dueed.巧找 ual pr o t oty p e teel m iques are used f o r the desig n a n d op tim ization . e xp er i m en t testin g a nd app lic a tion i n praetiee show th e f e asib ility . 6 . a v ir t ua l pr o tot即 in g sim ula t ion sof t w arew e e e 一 ， v ir t ual m a c 址n i ng sim u latio n so f t w a r e 15 dev elo ped ， w hich ea n f i n ish th e m ae址n e to ol m o d eli n g， set the st r ok e o f eaeh a xis， rea d th e n c c o d e，ex eeu te th e r e a l 一 tim e m a c h in in g sim ula t io n ， r e v eal th e real一 ti甲e c u t t in g a n d f inished p斌 5 a n d repor t t址 恤te血 r e nee， eollision， over cut ting a n d la c k c u tting dur ing t he si m ulation.si m ulation r e sults testif y th e f e a s i bili ty of the sof tw a r e a n d t h e c o mbi ned ma比 i ni n云 九 nc ti on， 习 i di t y。 f t he combi n e d ma c h而ng e e nt er devet opedi n th i s d isser t atio n . k c y w ords:t u r n 一 m ill一 g r i ndi ng com bi nat ion， m ec恤 n ism ， p ara l l七 1 m ec ha nism w br k sp ace， 劝 r t ual m a c h in i n g 巧r tual pr o toty p i ng， r o ug h and preeise m a c hininl r o llin g一 slid i n g eom b in a ti n n， s i n g ula r ity po st u re 仆 e r e s e a r c h desc r i bed i n th e di sser t a t i on 1 5 f ina n c i a l ly suppor t ed by the n a t ional science foundati on pr o j eet(st udy on t h e w hole sc h em e g enerati n g of t he c om pound c n c m achi ne t o ol a n d t h e joint of passi ve joints under g r a n t n o. 50 0 75069) a n d state econom i c 机床高 效率的要求包括机床 自身的设计制造效率和机床的生产效率;高的柔性要求是指随着多品 种、中小批量加工需求的增加 ，对机床的的应对能力及灵活性柔性的要求越来越高 ， ， 。 复合机床正是顺应这一时代要求 的产物 。由于多功能复合加工机床具有多种加工功 能，故可将工件多道工序甚至全部工序集中到一台机床上，使加工过程集约化。对中小批 量生产具有如下优点: (1 )减小了工件的安装定位次数，从而可减小其安装定位误差，有利于提高工件 的加工精度 。 (2 )减小了工序的工装夹具件数，从而可减小工装的准备时间及成本。 (3 )减小了因工序转换所需的等待、上下料及装夹等辅助时间，提高了生产率。 (4 )不仅可以使加工系统所需的机床台数减少; 而且由于加工过程的集约化，使 物流系统缩短，从而可以大大减少加工系统的占地面积。 由于多功能复合加工机床的上述优点，深受用户的青睐，吸引了众多机床制造商研究 开发，目前多功能复合加工机床 已占到数控机床的约20%。随着多品种、中小批量生产需 求的增加和多功能复合加工机床 自身技术的发展，该类机床的需求将会大大增加2， ，文献 (3 )预测今后3 4年，该类机床将可能占到数控机床的5假 6既 。 国外， 日本复合加工机床开始于上世纪7 0 年代末8 0 年代初.现在的森精机制作所hite c 的前身 日立精机株式会社在1979年开发了sl c 型数控复合车床， 有铣削主轴和y轴、 刀具 自 动交换装里、 车削主轴分度功能( c 轴)构成了复合加工机床的原型。 1983年， 日本ya期 azak i 树比ak株式会社也开发了有铣削功能的sla n 4 0 a t c型cn c 复合车床 ，成为今 日复合加工机床 的基础 . 在欧洲，最早出现的复合加工机床原型在意大利和奥地利。意大利ma n dell i公 司 (现下属于意大利r i ell o 集 团) 开发的ma n de l l i soo u 型卧式加工中心， 除铣削功能外， 还具有车削功能， 是一台以铣削为基础的铣车复合加工机 。 奥地利wf l 车铣技术公司在 曲轴 专用车铣加工机床的基础上发展成现在 的m系列大型车铣复合加工机床，。2002年在芝加 哥 国 际 制 造 展 展 出 的 几 种 复 合 加 工 机 床 ， 具 有 代 表 性 的 有 奥 地 利 wflmi 11 tunteehnologies 公 司 的m65和 m60一 g :日本 撇zak 公 司 的 100111、2001 1 1、300ih 系 列 ， 西安理工大学博士学位论文 qtn 1 00ms、250msy、350m系列; 德国index公司的traubtnx65; dmg公司的twin65等多种卧 (a ) 盯 l m65 (b) m a za k 100111 图l一 l 国外的复合加工机床 f i g.l一 1 o ver s ea s eom bi ned m a c hine to o ls 式车铣复合加工机床等 。 国内，复合加工还处在起步阶段 ，但是 已经有众 多厂商 已经认识到了复合加工的美好 前景 ，积极加入到这个事业中来，如 2000 年在上海数控机床展览会上，沈阳数控机床厂 推出了国内首台 ssckz63一 5 型四轴联动车铣中心 ;台湾省永进机械于 2004 年 l月研发出主 导性新产品高精密多轴 mt200s 车铣复合加工机 ;2004 中国 (北京 ) 国际机床展览会上展 出了秦川发展研制的 vtm 180 龙门式动梁车铣锉复合加工中心等 。许多大专院校也在做积 s s c k z 6 3 一 5v t m 1 80 图1一 2 国内企业研制的复合机床 fi g.l一 2 c om bi ned m a c h i ne t o ol s de v el o伴d b y dom e拓e en i er p r i ses 极的研究开发工作 ，如沈阳理工大学的辽宁省高速切削工程技术中心研究开发的 cx30o 数控车铣加工中心 ， 西安理工大学的机械 自动化研 究所研究开发的 hc80cnc 车铣磨复合 加工 中心等 。 复合加工机床 的形式有 以车削为基础 的复合加工机床 ，即以车床 为基础 ， 经过添加 铣削或磨 削部件构成 的复合加工机床 ; 有 以铣削为基础的复合加工机床 、以磨削为基 础 的复合加工机床等等 。在近几年 的国际机床展览会上 ，复合加工机床展 出规模越来 越大 、品种展 出越来越多 ，可 以看 出复合加工机床 的发展方兴未艾 。未来的复合加工 机床将 结合数控技术 、软件技术 、信息技术 、可靠性 技术 的发展 ，向构件简约化 、结 构紧凑化 、配置模块化和部件商品化方 向发展 。复合加工机床 的性 能也会根据用户的 加 工 要求 向多样化 发展 ，有 为适 合 于 多品种 、单件 和 小批量 生产 条件 的全 功 能性 复合 1 绪论 c x 300 h c 80 图1一 3 国内大学研制的复合机床 f ig .l一 3 c om b ined m a c hine too ls developed by do m estie un iver s ities 加工机床 ，也有为适合于提高生产效率、较大批量生产条件 的专用的功能适宜的复合 加工机床 。同时，复合加工技术也在重型、大型机床上有着广泛 的开发前景。复合加 工是未来机床 发展 的重要方 向。 .2虚拟样机技术 随着2 1 世纪世界经济和科学技术的飞速发展 ，全球性 的市场竞争 日益激烈 ，产品消 费结构不断 向多元化 、个性化方 向发展 。企业必须对快速 多变 的市场需求做 出敏捷 响 应 ，更新产 品设计 ，缩短新产品的研发周期，提高产品的设计质量，降低产品的研发 成本 ，这样才能在激烈的市场竞争中求得生存和发展 。 按照传统的设计模式，一个新产品的研发通常要经过如图1一 4几个步骤 。这种基于 图1礴 传统产 品开发过程 ditio na i pr o d uet d ev elo p in g pr o eed u r e 物理样机的研发模式成木高、周期长，使物理样机 的反复性试验不够充分 ，加上设计 人员通常不愿为修改局部而给整机带来不可预知的结果， 这就使我 国的机械产品造型、 结构和功 能严重老化 ，从而在市场上缺乏竞争力 。虽然创新产 品的市场竟争力和报酬 率是相当诱人 的，但创新产 品的高失败率和高消耗使得它的开发具有很大的风险，尤 其是全新产 品的开发 。虚拟样机技术 的出现和逐渐 成熟 ，为解 决这些 问题提供 了强有 力的工具和手段 。 1.2.1 虚拟样机技术 的概念 虚拟样机 技术至今没有 一个统一 的定义 ， 在英 文单词里经常 出现两个相似 的文字一 西安理工大学博士学位论文 一 virtua一prot。 type和virtual pr。 t。 typi: 、 g【 5， ，前者是相对 于物理样机而言的，它 是最终产品制造之前建立起来的计算机虚拟数字化仿真模型。后者是使用虚拟样机来 代替物理样机 ，对候选设计方案的某些方面的特性进行仿真测试和评估的过程 。 本文将虚拟样机技术概念归结为: 虚拟样机技术是是一门综合多学科的技术，它通 过设计，借助于三维ca d 技术构建 出所设计产品的数字样机 ，然后对该数字样机进行功 能仿真和性能仿真以验证设计的可行性，并根据仿真结果对该数字样机作进一步的改 进 、优化 ，直至满足各项设计指标 的一个产 品设计过程 。 如图1一 5所示，虚拟样机技术通过设计中的反馈信息不断地指导设计， 保证产品寻优 开发过程顺利进行，与传统的设计过程相 比，减少了新产品的研发周期和成本，增强了企 业的竞争力。 画 州构 建 数 字 样 机 生生产产 修修改改 图1一 5 应用虚拟样机技术的产品开发过程简图 fig.l一 5 d iag l 艺m of t h e pr o duet developing pr o eedu r e by vi由坦1 proto勺 ，i ng teeh o iques 1.2.2 虚拟样机技术现状及应用 虚拟样机技术 的有些软件在 国外 己经 比较成熟 ，如原美 国机械动力公司的adams， 德 国航天局的simpack，ansys公司的ansys有 限元软件等 。国外虚拟样机技术 的应用较 为广泛，如美国、德国、 日本等 己得到广泛的应用，应用领域从汽车制造业 、工程机 械 、航空航天业 、造船业 、机械 电子工业 、国防工业 、通用机械到人机工程学、生物 力学 、医学 以及工程 咨询等很 多方面 。如美 国航 空航天局 (nasa )的喷气推进实验室 (jpl ) 采用虚拟样机技术对火星探测器 “ 探路号”进行设计、优化，成功地实现了其在 火星上 的软着陆; 美国波音飞机公司的波音77 7飞机通过采用虚拟样机技术实现 了无图 纸设计，并保证了一次性开发成功，对比以往的飞机 ，波音公司减少了9 3 %的设计更改和 9钱的花费。 国内虚拟样机技术的应用研究才刚刚开始 ，己经商品化的软件 目前还没有 ，大部分 是一些大学和科研 院所在这一方面进行研究 。如西飞公司研制 的数字化产 品设计制造 系统能完成产 品零件 的三维模型设计、数字化预装配 、空间检查等功能; 西南交通大 学机械工程研 究所对基 于虚拟现 实技术 的原型设计机理进行研 究 ，把虚拟现 实技术与 cad设计环境结合起来 ; 上海交通大学建立 了分布式虚拟制造系统的框架体系 (dvms ) 等 。 1.2.3 虚拟样机技术在本文 的应用 1 绪论 本文首先应用虚拟样机技术的性能分析设计了并联机器人被动关节，使得高刚度 、 高精度的复合化被动关节成为现实，然后运用虚拟样机 的功能分析设计了一种具有立 卧加工功能的3一 pr s 三 自由度并联机构部件 ， 基于虚拟样机技术构建了新型车铣复合加 工中心的数字样机 ，最后开发 出了一种虚拟样机 的加工仿真软件 ，验证了本文所设计 的复合加工 中心的加工功 能的可靠性 。 3复合加工技术 车铣复合加工技术包括两方面的意思。其一，车铣技术。车铣是利用铣刀和工件旋转 的合成运动来实现对工件的切削加工，使工件在形状精度、位置精度、表面粗糙度及残余 应力等多方面达到使用要求的一种先进切削加工方法。 它不是车削与铣削的简单结合， 而 是在当今数控技术得到较大发展的条件下产生的一种高新切削技术， 利用车铣合成运动来 完成各类表面的加工。其具有以下特点: 车铣属于间断切削，故得到较短的切屑，易于 自 动排屑; 间断切削使刀具有充足的冷却时间，刀具温度相对较低 : 与传统切削相比，易于 实现高速切削，使得切削力明显下降; 有利于大型工件高速切削，减少工件的形状误差等 6 1 。其二，复合加工技术。是机械加工领域 目前国际上最流行的加工工艺之一。是一种先 进制造技术。复合加工就是把几种不同的加工工艺，在一台机床上实现。复合加工应用最 广泛，难度最大，就是车铣复合加工。车铣复合机床相当于一台数控车床和一台加工中心 的复合，可以使工件在一次装夹中完成车、铣、钻、镬等不同方法加工。车铣复合加工如 图1一 6所示 。 图1石 车铣复合加工 f ig .l一 6 t u r n 一 m illing eom bi n ed m a c h ining 1955年德 国的h.weber在 生产技术上发表 了 用硬质合金刀具铣削圆柱表面) ) 一 文 ，详细介绍 了铣 削圆柱表面 时进给量 、切削速度等 主要参数 的选用 ，并对 已加工工件 的 表面精度进行 了详细的研 究 7 ， 。该文对后来 的车铣技术产生 了重要的影响。198 3 年德 国的 西安理工大学博士学位论文 k.p.sorge在他的博士论文 车铣技术中系统地研究了车铣技术的一种基本加工方法一 一正交车铣方法8 。目前，德国的a a chen工业大学和da r mstadt工业大学都设有专门从事 车铣技术研究的研究中心。 由于战略的原因， 国外有关车铣基础理论研究的文献很少见到。 国内对车铣技术还没有进行过系统的研究， 2 0 世纪六七十年代在一些工厂的生产革新中出 现过旋风铣削，其实仅是车铣的一种基本形式，轴向车铣的实际应用6 。因此，国内有 关车铣基础理论的研究应该加大力度。 目前的车铣复合加工机床大部分都是以车削中心为基础， 铣削只是一些辅助功能， 通 过在回转刀架上添加一些动力附具来实现，不但价格昂贵、而且精度不高，另外现有的车 铣复合加工中心粗精加工共用一套加工机构， 因此精度提高成为一种瓶颈。 本文着力于研 究一种新型车铣复合加工中心，使粗精加工机构分别独立工作，克服上述缺点和不足，实 现高精度的车铣复合加工。 .4并联机器人技术 并联机器人是机器人的另外一种类型 ，它 由两个或者更多的封 闭运动链组合而成 ， 它们将机座和末端执行器联接在一起 (机座也称为定平台，末端执行器的安装件称为 动平 台 ) 。 并联机器人存在很多有利 的特 点: (l )刚度重量 比大 :满秩传动构件理论上为仅受拉压载荷 的二力杆 ，故机构单位 重量具有很高的承载能力; (2 )响应速度快 :运动部件惯性 的大幅度 降低允许动平 台获得很高的进给速度和 加速度 ; (3)各分支 的运动误差不是叠加关系 ，精度 高; (4)环境适应性强 :便于可重组和模块化设计; (5 )技术 附加值高 :具有 “ 硬件 ”简单 ， “ 软件 ”复杂的特 点， 是一种技术附加值 很高的机 电一体化产 品。 代表性 的并联机器人是一种 叫作ste w a r t平台的 机构 ， 如 图1一 7所示 。 上下平 台之间采用六个可伸缩 的运动支链连接，支链两端采用双球铰的形式或球 铰加虎克铰 的形式 。 由于具有 串联机器人无可 比拟 的优 点 ， 并联机器 人在工业 中的一个特 别突 出的应用就是应用到机床 上 。这 种机床 也常被称 为 “ 虚拟轴机床 ”。 目前， 国际学术界和工程界十分重视研究与开发并联机床， 对 这 种 新 型数控 装 备 的应 用 前 景和 市场 潜力抱乐 观 图l一 7 stewart并联机构 f ig .1一 7 s t e w a r t p a r alle l m eeh a nism 1 绪论 的态度， 纷纷投入大量 的人力和物力竞相开发。 1.4.1 并联机器人发展历史 二十世纪五十年代 ，美 国航空工业 的机械工程师gough造 了一台并联机器人用 以测 试 飞机轮胎 。1965年 ，英 国工程师stewar t 将g。 u g h平台加 以改进 ，并用 以作为飞行模 拟器 。后来 ，这种并联机器人通 常被称为stew a rt平 台。1978年 ，澳大利亚著名机构学 教授hunt提 出，可 以应用6 自由度的stewart平 台机构作为机器人机构，他系统地分析 了并联机器人 的运动链 结构 ，提 出了多种可用于并联机器人 的机构类型 ，如著名的 3一 rp s 机构就是其 中一种 。1986年 ，fichter发表 了有关并联机器人理论和实际结构的 研究结果后 ，并联机器人开始成为研究的热点。 1.4.2 并联机器人 的研 发现状 国外研发现状 : 美 国: 1994年 ，美 国 giddings 其次，显示加工仿真的能力方面，对于具有多次装夹的零件进行加工仿真 ，为了更加 接近现实地反映实际加工操作，需要把每一次装夹都引进到这些程序中: 最后， 这些数控 程序与现存并广泛应用的ca d 软件的集成方面，应该考虑降低软件的成本、降低训练用户 对零件几何与尺寸检测方面的花费 s 。 数控加工仿真分功能仿真和性 能仿真 ， 4 ， 5 们 两个方面 (又称 为几 何仿真和力学仿 真 ) 。功能仿真不考虑切削参数、切削力及其它物理因素的影响，只仿真刀具一 工件几何 体的运动，以验证n c 程序的正确性。它可以减少或消除因程序错误而导致的机床损伤、夹 具破坏或刀具折断、零件报废等 问题; 同时可 以减少从产品设计到制造的时间，降低生产 成本 。 切削过程的力学仿真属于物理仿真范畴， 它通过仿真切削过程的动态力学特性来预 测刀具破损、刀具振动 、控制切削参数，从而达到优化切削过程的 目的。 功能仿真技术的发展是随着几何建模技术的发展而发展的，包括定性 图形显示和定 t 干涉验证两方面。目前常用的方法有直接实体造型法 ， 基于图像空间的方法和离散矢t 求交法 。 根据在仿真过程 中的数据驱动是采用 c l (cu t te r lo c a t io n ，即刀位)数据还是采用 n c代码，数据加工仿真可分为两类 : 一类是基于后置处理前的数据 (c l数据 ) 所进行的 仿真，即基于 c l数据的数控加工过程仿真; 另一种是基于后置处理所产生的 n c程序而进 行的仿真 ，即基于 n c程序的数控加工过程仿真。 基于 c l数据的仿真不考虑切削参数、切削力及其物理因素的影响，只仿真工件刀具 的运动，主要 目的是检验刀位轨迹的正确性，以保证零件的加工质量。这类仿真方法开展 的比较早 ，到 目前为止 已有一些 比较成熟的思想和商品化软件 。 基于 n c程序 的仿真 的主要用途则可 以概括为三方面 : n c程序 的正确性检验与优化 、 操作工培训、碰撞检验 。由于驱动数控机床运动的是 n c指令，所 以基于 n c程序的加工过 西安理工大学博士学位论文 程仿真比基于 cl 数据的加工过程仿真更接近实际，但也由于在仿真过程中考虑了加工环 境，从而增加了仿真难度。 目前数控加工仿真的研究大量集中在刀具轨迹方面， 对于三坐标以下的零件加工来 说， 效果是令人满意的。但是对于三坐标 以上的数控设备来讲，仅仅检查刀具轨迹是不够 的，还需对机床加工过程进行仿真， 以检验加工过程中刀具过切、刀具与夹具及机床的碰 撞等，此外， 在机床应用效率方面， 也须考虑刀具加工文件的优化问题， 以便在保证产品质 量的情况下， 提高零件加工效率和机床的利用率. 国内对于数控机床加工仿真的研究主要在具体应用对象方面，在具体的技术实现上 也主要是应用o p e n gl显示动画技术， 也有很少是应用部分cad/ c 胡系统的仿真模块实现的， 如ug系统的un i si m 模块。但在机床加工仿真的通用性方面，做的研究相对较少 2 0 。 本文拟采用一种通用性较好 、性价 比较高、开发容易进行的软件作为基础 ，开发出 对于本文所 设计 的新型车铣复合加工中心实用 、对于其他数控机床有重要参考和移植 价值 的加工仿真程序软件 。 .6 本课皿研究的主要内容 车铣磨复合加工 中心在保证数控车床所有功能的同时， 在一次装夹下还 能够完成铣 削加工功能和磨削及精车铣等精加工功能，不仅可 以提高效率，而且能提高加工精度， 它能够满足 当今社会对于机床 高速度、高精度 、高效率、高柔性的要求，因此研究开发 复合加工中心有着非常现 实和深远 的意义 。 全文共分七章 ，组织结构 图如 图1一 1 4 ，具体 内容安排如下 : 国 2 新型 复合 加工 中心 的方 案创 新设 计研 究 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 3 3 3并联机构被动关节的 的的数控控 创创新开发与试验研究 究究机床床 功功功功功功功功功功功功功功 能能 仿仿真真真真真真真 系系系系 系系统统统 7 7 7 所所用用用用用用用用用用用用用用用的研研研全文 文 并并联联联4 3一 pr s 并联机 机机究与与与 工作作 机机构构构构建模与解析 析析开发发发总结 结 5 5 5 立卧加工三轴并联主 主主 主 轴轴头部件的开发与试验验验 验 图1一 1 4全文各章组织结构图 f ig .l一 14 st l ” ct u r e of t h e d isser t a t ion (1 )绪论 。综述 复合加工机床概况 ;简 介虚拟样机 技术 、复合加工技术 、并联机 器人技术及数控加工仿真技术 ，对现存复合加工 中心进行初步分析并提 出解 决办法 ; 安排全文 的整体结构 。 (2 )新 型复合 加 工 中心 方案创新设计研 究。通 过 分析现存 车铣 复合机床存 在 的问 1 绪论 题与不足 ，研究开发 了新型复合加工中心 ，具有车铣磨加工功能、粗精加工 机构 、串联与并联原理混合等特 点。 (3) 并联机构被动关节 的创新开发与试验研究。应用虚拟样机技术研究与开发 了 一种刚度高、精度保持性好的新型滚滑复合被动关节 。并进行 了试验验证 (4 )3一 p r s 并联机构建模与解析。 对 3一 pr s并联机构的静力学解析和动力学逆解进 行 了求解 ，并给 出了仿真结果 。通过对 3一 pr s并联机器人奇异位姿求解与分 析 ，提出了修改机构设计以避免奇异位姿发生的具体办法 ; 对于 由搜索得到 的工作 空间 ，提 出 了伪 象 限方法得到该工作空 间的各个剖面 ，进 而得到 了 3一 p r s 并联机器人工作空间的实体及物理特性; 并且提出了一种剖切方法来 分析工作空间内的姿态分布 ，得到的姿态在工作空间内的分布情况为实际生 产 中应用打下 了基础 。 (5 )立卧加工三轴并联主轴头部件的开发与试验。 研 究开发 出一种能够完成立 、卧 加工的三轴并联主轴头部件 ，该并联部件可 以根据不同的用途采取不同的具 体结构形式，并给 出了 3一 pr s并联机器人部件的仿真 图。最后通过激光干涉 仪器对该 3一 pr s并联机器人 的运动精度进行 了试验验证 。 (6 )数控机床功能仿真系统的研究与开发。为 了验证所开发的车铣复合加工 中心 的功能、对该加工 中心人员的培训 以及实际加工 n c代码 的验证 ，经过对现 存三维 ca d软件 的二次开发，研 究开发 出了虚拟加工过程仿真软件系统，并 给 出了一个加工实例进行 了多项验证 。 (7 )全文工作总结 。对全文工作作 出总结 ，并作 出进一步研究展望 。 2 新型复合加工中心的方案创新设计研究 2 新型复合加工中心的方案创新设计研究 2 . ，概述 本章在分析现有车铣复合加工机床的基础上，研究开发了一种新型的复合加工中心， 该复合加工中心具有车铣磨多种加工功能复合及串并联原理复合等特点。并且利用以d软 件s o lidedge建立 了复合加工中心的数字样机。 2 . 2现有结构分析及解决方案 目前， 大多数的车铣复合加工在车削中心. 上完成， 而一般的车削中心只是把数控车床 的普通转塔刀架换成带动力刀具的转塔刀架，主轴增加c轴功能。由于转塔刀架结构、外 形尺寸的限制，动力头的功率小，转速不高，也不能安装较大的刀具。这样的车削中心 以 车为主，铣、钻功能只是做一些辅助加工。 一种还有铣头、车刀头 (可 自动换刀) 及特殊车头方案，如在铣头上带车刀等。 另外的车铣复合加工中心形式为具有二个刀架 ， 一个车削刀架和一个铣削刀架， 其粗 加工和精加工共用一套机构。由于 以上各种方案都是粗精机构共用， 其精加工是通过调整 切削用量来实现的，而不是靠机床结构保证的，由于机构共用，机构的精度保持性相对要 低 。 针对上述 已有技术中存在的不足，本章设计了一种新型复合加工中心，主要特征为: 具有三个刀架，分别为车削刀架、铣加工刀架和精加工刀架。这样使得精加工由机床的结 构保证 ，有利于提高机床的精度保持性; 精加工机构采用 邮 一 pr s三轴并联机构与串联机 构组成的混联机构，也可配置为串联机构; 粗精机构复合， 过导向结构可提高粗加工的抗 颠覆力矩能力。 2 . 3方案创新设计及数字样机构建 2.3.1 各功能部件数字样机建模 由上分析 ，本复合加工中心除 了车削刀架外 ，还需要两个铣削刀架 。铣削刀架选择为 串联形式 ，具有b 轴功 能，另外还可 以独立具有x 、y 轴运动功能。b 轴可 以采用蜗轮一 蜗 杆进行降速驱动，也可 以采用直接驱动的方式 ，x 轴可 以由车床上横拖板的运动完成，y 轴采用直接驱动 电机的形式驱动 。两种方案的数字模型分别如 图2一 1中的 (a) 和 (b )所 2 新型复合加 工中心的方案创新设计研 究 (a )采用蜗轮蜗杆(b ) 采用直驱 电机 图2一 1 粗