五轴加工机床

Stewart 并联机构并联机构 机构的发展大致经历了从一杆到多杆 从平面到空间 从串联到并联的过程 1965 年 英国高级工程师 Stewart 发表了 一个具有六个自由度的平台 的文章 在工程界引起轰动 人们很快注意到了这种机构具备很多优点 如输出精度高 结 构刚性好 承载能力强 便于控制 部件简单等等 时到今日 很多人把这种机构 称为 Stewart 机构 如图 1 所示 Stewart 机构是最典型的并联机器人机构 简称并 联机构 又称多环路机构 一个典型的 Stewart 运动平台如图 1 所示 它由顶点为 1 2 6 的六边形运动 i bi 平面 顶点为 1 2 6 的六边形固 i Bi 定平面 和一端通过球铰 另一端通过十字铰 将它们连接起来六只长度能够变化的连杆组成 实际应用中 连杆多采用液压缸 对液压缸活 塞杆的行程进行控制 即能使运动平面实现空 间六个自由度的运动 由于这类运动机构在实际工作中所面临的 任务具有多样性和不确定性 它的设计一般都 采用对称的结构形式 即运动平面与固定平面 均是一个具有一定对称形式的六边形 并联结构机床与传统 串联结构 机床比较 其主要的优点是 1 运动部件质量轻 运动惯性小 更有利于实现高速度和高加速度的加工 2 主轴部件具有重复性 通用性高 适于专业化生产 3 比刚度高 且容易通过预加载荷来提高机床的综合刚度 4 理论精度较高 一般加工误差不会大于 6 根伸缩杆运动误差的平均值 不像串 联结构的机床那样 各轴运动误差有可能被累积和放大 并联结构机床也存在一些固有的缺点 1 有效空间比 即有效加工空间对设备占用空间之比 比较小 而且可加工空间呈 规则形 并随杆长和位姿角变化 2 因受球铰和虎克铰链转角的制约 Stewart 平台所能倾斜的角度 即刀具的位姿 角 较小 一般只有 40 左右 常用为 30 以下 从而影响了可加工的範围 3 运动和编程较复杂 而且简单的直线运动也要 6 根杆联合运动来实现 4 存在非线性误差和奇异性问题 当加工在极限位置上进行时 由于微小的振动 误差就有可能导致奇异性出现 即导致旋转轴的 180 翻转 这种情况非常危险 Stewart 并联机构的应用并联机构的应用 五轴加工机床五轴加工机床 五轴加工机床的典型结构是以 Stewart 平台结构原理为基础的并联机床 一般 刀具主轴安装在 Stewart 结构的活动平台上 并通过 6 根可控的伸缩杆来控制刀具 的空间位姿并完成五轴运动 工件则安装在固定的底座平台上不动 提高加工质量和工效 充分满足产品生产的要求是制造技术发展永恒的主题 迄今为止 所有制造技术的研发 改进和创新 无一不是直接或间接地在此主题的 驱动下进行的 五轴加工机床的产生 应用和发展也不例外 它既是为了加工某些 具有特殊要求的复杂形面的大型工件而出现的 也是为了提高对这些形面的加工精 度 质量和工效才得到应用和发展的 一一 五轴加工机床的定义及其优点 五轴加工机床的定义及其优点 所谓五轴加工这里是指在一台机床上至少有五个坐标轴 三个直线坐标和两个 旋转坐标 而且可在计算机数控 CNC 系统的控制下同时协调运动进行加工 这 样的五轴联动数控加工与一般的三轴联动数控加工相比 主要有以下优点 1 可以加工一般三轴数控机床所不能加工或很难一次装夹完成加工的连续 平滑的 自由曲面 例如 航空发动机和汽轮机的叶片 舰艇用的螺旋推进器 以及许许多多具有 特殊曲面和复杂型腔 孔位的壳体和模具等 如用普通三轴数控机床加工 由于其 刀具相对于工件的位姿角在加工过程中不能变 加工某些复杂自由曲面时 就有可 能产生干涉或欠加工 即加工不到 而用五轴联动的机床加工时 则由于刀具 工件的位姿角在加工过程中随时可 调整 就可以避免刀具工件的干涉并能一次装夹完成全部加工 2 可以提高空间自由曲面的加工精度 质量和效率 例如 三轴机床加工复杂曲面时 多采用球头铣刀 球头铣刀是以点接触成形 切削效率低 而且刀具 工件位姿角在加工过程中不能调 一般就很难保证用球头 铣刀上的最佳切削点 即球头上线速度最高点 进行切削 而且有可能出现切削点落 图 1 用三轴加工机床 图 2 用五轴加工机床 在球头刀上线速度等于零的旋转中心线上的情况 如图 1 中所示的刀位 a 处 这 时不仅切削效率极低 加工表面质量严重恶化 而且往往需要采用手动修补 因此 也就可能丧失精度 如图 2 采用五轴机床加工 由于刀具 工件位姿角随时可调 则不仅可以避免 这种情况的发生 而且还可以时时充分利用刀具的最佳切削点来进行切削 或用线 接触成形的螺旋立铣刀来代替点接触成形的球头铣刀 甚至还可以通过进一步优化 刀具 工件的位姿角来进行铣削 从而获得更高的切削速度 切削线宽 即获得更 高的切削效率和更好的加工表面质量 图中所示便是以不变位姿角和以优化位姿角 铣削相同自由曲面的效果比较的一例 采用不变位姿角 Sturz 法 铣削叶片的表面 粗糙度要比采用优化位姿角 P 铣削法 Starrag 公司的专利 铣削叶片的表面粗糙度 低一级 而所用的时间 前者还比後者多 30 130 表面质量等级表面质量等级 平均平均 Ra 值值 N8 1 6 3 2 m N7 0 8 1 6 m N6 0 4 0 8 m N5 0 2 0 4 m 二二 一次装夹的重要意义 一次装夹的重要意义 符合于工件一次装夹便可完成全部或大部分加工的机床发展方向 因为随着科 技的发展和人们物质生活水平的提高 人们对产品的性能 质量要求也更高 形式 更多样化和个性化 为了进一步提高产品的性能和质量 充分满足使用者的多方要 求 如节能 省材 轻便 美观 舒适等 现代产品 不仅是航空 航天产品和运 载工具 如汽车 船 舰等 而且也包括精密仪器 仪表 医疗 运动器械 以及 家用 办公用的电器和儿童玩具等产品的零件 都愈来愈多地采用由整体材料镂铣 而成 而且其上还包含有许多各种各样的复杂曲面和斜孔 斜面等 这些零件 如 图 3 表面质量等级 用传统机床或三轴数控机床来加工 必须用多台机床 经过多次定位安装才能 完成 这样不仅设备投资大 占用生产面积多 生产加工周期长 而且精度 质量 还难于保证 为了解决这些问题 就要发展能集中工序进行高精 高效和复合加工 的机床 以期能实现工件一次装夹便可完成全部或大部分加工 这已成为当今机床 发展的大趋势 而配备上高速加工能力的五轴机床 完全符合这一发展要求的趋势 而且还可能是最佳的方案选择 因为它不仅具有现代生产加工设备所要求具有的主 要功能 而且一台五轴机床的工效约相当于两台三轴加工机床 甚至可以省去更多 机床 三三 五轴机床的结构特点五轴机床的结构特点 五轴加工机床与一般机床的最大区别在于它除了具有通常机床的三个直线坐标 轴外 还有至少 2 个旋转坐标轴 而且可以五轴联动加工 而五轴加工机床之间的区别 除了有立式 卧式之分外 则主要还在于他们实 现五轴运动的结构型式和五个运动的分配 配置 上 一般而言 五轴机床有三种结 构型式和三种运动配置方式 这两者的组合 就可以得到有 9 种可能的五轴机床的 结构类型 四四 五轴加工的难点 五轴加工的难点 五轴加工的方法和机床 早在 20 世纪 60 年代 国外航空工业为了加工一些具 有连续平滑而复杂的自由曲面大件时 就已开始采用了 但一直没能在更多的行业 中获得广泛应用 只是近 10 年来才有了较快的发展 究其原因 主要是五轴加工 存在着很多难点 譬如 1 编程复杂 难度大编程复杂 难度大 因为五轴加工不同于三轴 它除了三个直线运动外 还 有两个旋转运动参与 其所形成的合成运动的空间轨迹非常复杂和抽象 一般难以 想象和理解 如为了加工出所需的空间自由曲面 往往需通过多次坐标变换和复杂 的空间几何运算 同时还要考虑各轴运动的协调性 避免干涉 冲撞 以及插补运 动要适时适量等 以保证所要求的加工精度和表面质量 编程难度就更大了 2 对数控及伺服控制系统要求高对数控及伺服控制系统要求高 由于五轴加工需要有五轴同时协调运动 这 就要求数控系统首先必须具有至少五轴联动控制的功能 另外由于合成运动中有旋 转运动的加入 这不仅增加了插补运算的工作量 而且由于旋转运动的微小误差有 可能被放大从而大大影响加工的精度 因此要求数控系统要有较高的运算速度 即 更短的单个程序段的处理时间 和精度 所有这些都意味着数控系统必须增加 RISC 芯片的处理器来进行处理 即采用多个高位数的 CPU 结构 另外如前所说 五轴 加工机床的机械配置有刀具旋转方式 工件旋转方式和两者的混合式 数控系统也 必须能满足不同配置的要求 最后 为了能实现高速 高精度的五轴加工 数控系 统还要具有前瞻 Look Ahead 功能和较大的缓冲存储能力 以便在程序执行之前对 运动数据进行提前运算 处理并进行多段缓冲存储 从而保证刀具高速运行时误差 仍然较小 所有这些要求 无疑都将增加数控系统结构的复杂性和开发的难度 3 五轴机床的机械结构设计和制造也比三轴机床更复杂和困难五轴机床的机械结构设计和制造也比三轴机床更复杂和困难 因为机床要增 加两个旋转轴坐标 就必须采用能倾斜和转动的工作台或能转动和摆动的主轴头部 件 对增加的这两个部件 既要求其结构紧凑 又要具有足够大的力矩和运动的灵 敏性及精度 这显然就比设计和制造普通三轴加工机床难多了 作为上述三项因素综合影响的结果 五轴加工机床的价格比较昂贵 例如 早 年一台五轴机床的价格约为一台相同规格的三轴机床的 2 3 倍 现在差距虽然缩 小了 但还是比三轴机床高出 50 左右 因而在某种程度上也影响了企业对五轴 机床的投资 五五 五轴加工机床的应用与发展五轴加工机床的应用与发展 A21 型的典型结构是以 Stewart 平台结构原 理为基础的并联机床 一般刀具主轴安装在 Stewart 结构的活动平台上 并通过 6 根可 控的伸缩杆来控制刀具的空间位姿并完成五 轴运动 工件则安装在固定的底座平台上不 动 A21 型的代表性产品如美国 G L 公司 的 VARIAX 新概念机床 俄罗斯的 KUM 750 精 图 2 五轴联动高速铣削加工中心 HSM400U A13 型 密加工中心 日本大隈公司带 APC 和 ATC 的 PM 600 五轴加工中心 A21 型结构 机床不仅可用于实现中小型复杂零件的加工 如换上不同的相应工具後 也可作测 量机 切割机 焊接机等工艺设备用 A22 型的基本结构与 A21 同 只 是 Stewart 平台被倒置 其动平台作为 机床工作台 工件装在其上完成五个坐 标运动 而刀具主轴头则被固定在铣床 的立柱上不动 图 8 所示的美国 Hexel 公司生产的 P2000 型铣床就是 A22 型结构机床的代表性产品 这种结 构配置的机床主要适用于小型模具的五 轴加工 如零件重量变化大 即运动部 件质量变化大 会造成机床运动特性 不稳定 除此之外 A22 型结构的其他 优缺点与 A21 型一样 图 4 图 4 是美国 Hexel 公司的 P2000 型 5 轴加工铣床 A22 型 从理论上讲 采用典型 Stewart 平台构的机床 应有 A23 型的五轴加工机床的出现 但实际中由于 Stewart 平所能提供的刀具 工件位姿角太小 满足不了某些具体加工的需要 为了 弥补这一缺陷 有的使用者采取了 Stewart 平台 回转工作台的结构方案 哈工大 早年 1999 年 研制成功的 HBJ 并联机床 就采用一个分度转台作辅助来加工叶轮 一般来说增加的分度转台不算是机床的组成部分 只是一个附件 是在特殊情况下 为了解决具体问题才采取的应急措施 A31 型混联机床的三个移动坐标轴由并联机构实现 两个转动坐标轴则由其 图 3 日本大隈的 Stewart 平台并联式机床 PM 600 A21 型 动平台下串连的主轴头来完成 五个坐标轴均 在刀具一侧 大连机床集团与清华大学合作开 发了此种混联机床 DCB510 此外 天津大学 和天津第一机床厂联合开发的 Linapod 机床便 可归入 A33 型 它的三个移动坐标轴仍由刀 具一侧的并联机构实现 转动坐标轴现使用数 控回转工作台 若改用数控摆动 回转工作台 则可进行五轴联动加工 这两台机床均用滑鞍 和定长杆 每副定长杆由二杆或三杆构成以增 强刚性 代替可伸缩杆 而且定长杆一端的铰 支固定在滑鞍上 滑鞍则由滚珠丝杆驱动 从 而便于机床厂用现成工艺制造和装配 与纯并 联机床相比 混联机床扩大了工具 工件的位 姿角 同时便于编程和对切削点的位置及速度进行运动学标定 最终有利于提高机 床的精度 A32 型机床目前只作为一种逻辑分类存在 实 际上尚未发现有这样的产品例子出现 图 4 美国 Hexel 公司 的 P2000 型 5 轴加工 铣床 A22 型 近年来 由于科技的进步 特别是微电子技术的快 速发展 使得五轴数控系统的性能 价格比大为提高 即相 对便宜了 大力矩电机的成功开发并应用于摆动 回转工作台和主轴头部件 代 替了这些部件原来采用的齿轮 蜗轮 蜗杆传动 从而使得这些部件的结构紧凑 性能质量提高 五轴机床的设计 制造也更方便容易了 价格也有较大下降 可能 还有其它种种因素的影响 所以现在有许多迹象表明 五轴加工机床