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说明书+CAD+SOLIDWORKS R175 柴油机 机体 自动 加工 线上 多功能 液压 机械手 设计 说明书 CAD SOLIDWORKS

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南 华 大 学毕业设计(论文)任务书学 院： 机械工程学院 题 目： R175柴油机机体加工自动线上 多功能液压机械手设计 起止时间： 2008 年 12 月 29 日至 2009 年 6月1 日学 生 姓 名： 刘 斌 斌 专 业 班 级： 机械052班 指 导 老 师： 教研室主任： 院 长： 2008 年 12月 29 日设计（论文）内容及要求：1、查阅相关工业机械手的设计资料，计算和确定设计柴油机机体自动生产线上多功能机械手主要的技术参数。2、进行柴油机机体自动线上用多功能机械手总体方案设计。3、完成多功能机械手抓取机构和送放机构的结构设计。4、完成机械手液压系统设计。5、根据总体设计方案，绘制出机械手总体外观图一张（三维计算机图）。6、进行手臂驱动力计算，绘制出机械手手臂或机身机械结构图一张（A0计算机图）。7、进行腕部驱动力计算，绘制出机械手腕部机械结构图一张（A0计算机图）；8、根据控制系统总体方案，绘制出液压系统图一张（A1计算机图）；9、绘制出零件图一张（A0或A1手工图）；10、科技译文（不少于3000汉字）。11、编写毕业设计说明书一套（不少于一万字，有英文摘要，全部用计算机打出）。主要参考资料：1、机械设计手册 化学工业出版社2、机床设计图册 上海科技出版社3、工业机器人 华中科技大学出版社4、机械手及其应用 王承义 编，机械工业出版社5、液压传动与气压传动华中科技大学出版社6、机械原理（第六版） 孙桓主编 高等教育出版社 指导教师： 年 月 日南华大学本科生毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题目R175柴油机机体自动加工线上多功能液压机械手设计设计（论文）题目来源自选课题 设计（论文）题目类型工程设计类 起止时间2008年12月29日至2009年 6月1日 一、 设计（论文）依据及研究意义：20世纪以来，工业机械手作为一项可以代替人类完成复杂工作的发明，在机械制造、航空航天、医疗、食品生产等领域得到了长足的发展。工业机械手按不同的方法可分为直角坐标式、圆柱坐标式、坐标式、多球关节坐标式，可以实现较大空间范围的精确定位。工业机械手由执行系统、驱动系统和控制系统等组成。执行系统又可分为抓取、送放和机身三大部分。而驱动系统由液压传动和机械传动的组成，既能传递较大的力矩和运动，又能极大地提高机械的效率。控制系统对整个系统发出指令，可由自动加工程序、电气控制、液压控制实现精确的点位控制，快速的系统驱动。对于R175柴油机机体的加工，由于其本身质量较大，加工精度高，因此对于机体的运输和定位存在一定的难度。而自动加工线上采用液压机械手就能很好的解决这些难题。并且工业机械手应用的市场环境日益扩展并呈现可以预见的强劲后市，通过本次的实践应用了解和熟悉关于工业机械手的一些基本的设计方法，能使我们能更好地适应今后工作要求。二、 设计（论文）主要研究的内容、预期目标：（技术方案、路线）研究内容：1. 调查分析R175柴油机机体的加工特点，参考机体加工工艺文件，获得设计所需的初步资料。2. 完成工业机械手的总体方案和控制系统总体方案设计。3. 完成液压机械手系统机械结构设计。4. 完成液压机械手液压系统设计。5. 完成工业机械手的传动系统、传动机构的设计。6. 对工业机械手进行仿真实验，测试液压传动效率、传动效率等。 预期的目标：1、 通过本次设计对液压机械手有一定的了解，清晰机械手结构设计全过程，达到综合训练的目的，提高独立工作能力，巩固所学知识，并有所进步，增强机械创新设计的能力；2、 根据总体设计方案，绘制出液压机械手的外观图一张（三维计算机图）；进行运动计算和强度计算，绘制出液压机械手的机械结构总装图一张（A0或A1计算机图）；进行运动计算和强度计算，绘制出液压机械手的手臂和手抓机械结构图一张（A1计算机图）；绘制零件图一张（根据情况由指导教师指定）；根据控制系统总体设计方案，绘制液压控制系统图一张（A1计算机图）；3、 完成相关的仿真实验，获得相关数据，完成实验要求的报告，并绘制出实验表格，得到实验结果。三、设计（论文）的研究重点及难点：1、液压机械手抓取机构的设计要求、设计计算（包括抓力的计算、驱动力的计算、定位误差的分析），送放机构的送放运动、自由度及坐标计算，手臂和机身的结构、配置形式、设计要求、手臂驱动力的计算等各种技术参数的确定；2、确定机械手总体方案和控制系统总体方案；3、液压机械手送放机构和液压系统设计；4、整机各部件结构以及基本重量和基本尺寸，以保证在设计过程中直接应用；四、 设计（论文）研究方法及步骤（进度安排）： 研究方法：调查，对比，参考，设计。 步骤：2008.12.292009.1.10：收集并阅读R175柴油机机体自动加工液压机械手设计方面的书籍和相应标准，了解液压机械手的基本知识，发展方向等，完成开题报告； 2009.3.152009.3.29：阅读相关资料，初步定出机械手各部分技术参数，并进行设计计算，校核以及优化设计方案，选择并切实可行的方案路线；2009.3.312009.5.1：依据确定的参数绘制图纸； 2009.5.12009.5.20：编写并整理设计说明书；2009.5.202009.5.25：重新回顾一下毕业设计的内容，对设计进行全面性的修改，并准备答辩； 2009.5.252009.5.29：对单片机控制程序进行加强学习并编写自动生产线上的加工控制程序； 2009.6.1：答辩。五、 进行设计（论文）所需条件：理论知识的准备，包括机械原理、机械设计、机械制图、互换性技术、液压传动、单片机技术等，并要求各个学科的知识综合运用；仿真实验室用于机械手的仿真实验；计算机辅助设计（CAD），来帮助我们绘制三维图(Solidworks)、绘制装配图(AUTO CAD)；设计手册,设计图册。六、 指导教师意见：签名： 年 月 日南华大学机械工程学院毕业设计前 言近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。例如：在机床加工，装配作业，劳动条件差，单调重复易于疲劳的工作环境以及在危险场合下工作等。随着工业技术的发展，工业机器人与机械手的应用范围不断扩大，其技术性能也在不断提高。在国内，应用于生产实际的工业机器人特别是示教再现性机器人不断增多，而且计算机控制的也有所应用。在国外应用于生产实际的工业机器人多为示教再现型机器人，而且计算机控制的工业机器人占有相当比例。带有“触觉”，“视觉”等感觉的“智能机器人”正处于研制开发阶段。带有一定智能的工业机器人是工业机器人技术的发展方向。第1章 液压机械手总体方案设计1.1机械手总体设计方案拟定机械手是能够模仿人手的部分动作，按照给定的程序，轨迹和要求，实现自动抓取、搬运或操作动作的自动化机械装置。在工业中应用的机械手称为“工业机械手”。能够配合主机完成辅助性的工作，随着工业技术的发展，机械手能够独立地按照程序，自动重复操作。根据课题的要求，机械手需具备上料，翻转和转位等功能，并按照自动线的统一生产节拍和生产纲领完成以上动作。设计可参考以下多种设计方案：1.1.1 采用直角坐标式，自动线呈直线布置，机械手在空中行走，按照顺序完成上料、翻转、转位等功能。这种方案结构简单，自由度少，易于配线，但需要架空行走，油液站不能固定，使得设计复杂程度增加，运动质量增大。图1.1.1 直角坐标式布局示意图1.1.2 机身采用立柱式，机械手侧面行走，按照顺序完成上料、翻转、转位的功能，自动线仍成直线布置。这种方案可以集中设计液压站，易于实现电气，油路定点连接，但是占地面积大，手臂悬伸量较大。图1.1.2 立柱式机械手布局示意图1.1.3 机身采用机座式，自动线围绕机座布置，顺序完成上料、翻转、转位等功能。这种方案具有电液集中、占地面积小、可从地面抓取工 件等优点。图1.1.3 机座式机械手布局示意图1.2总体方案选定抓取机构采用夹钳式。，送放机构将被抓取的物体送放到目的地，由手臂、手腕、等装置组成。整个机构选用空间球体坐标系，有五个自由度。采用屈伸式布置。手腕作抓取运动和回转运动，手爪采用平面指型结构，通过液压缸通油，推动活塞带动杠杆机构合拢将工件加紧。腕部用销轴将机械手定位在手臂上，并用螺母将其锁死，同时利用铰链连接，一端与液压伸缩缸的活塞杆相连，通过活塞的直线运动，带动腕部使其能够绕着回转销轴转动。回转运动通过叶片式回转油缸的运动来实现。手臂相对于机身可作回转运动，能有效地利用空间，并能绕过障碍物夹持和送放工件。手臂采用液压直动缸驱动，作俯仰运动，具有体积小、可集中控制、反向运动灵活等优点。回转工作台用齿轮传动机构，用电动机驱动，可以利用挡块定位，且定位误差在0.51mm。具有结构简单、传递扭矩大、传动效率高等特点。 图1.21 液压机械手本设计的液压机械手有五个自由度，包括机械手的抓取、回转，手臂的拉伸、俯仰和回转工作台的回转五个动作。其中将机械手抓取和回转运动的液压传动集成设计，既能使得设计紧凑，又能使液压油路集中控制。便于安装及维护，而且编排和改变控制程序容易，使用方便。液压机械手主要参数设计： 液压机械手的主要参数可分为基本参数、（用于说明机械手主要性能的参数）、规格参数（标牌上标注的参数）、液压参数（液压系统设计参数）。基本参数：1.抓重机械手的抓重是手臂所能抓取的物件的最大重量，而该液压机械手是用于R175柴油机机体生产自动线上，主要的加工对象是柴油机机体，根据柴油机的外形参数 250X170X140mm 而柴油机机体选用的材料是铸铁，密度为0.01g/mm2柴油机机体的壁厚一般为1525mm所以，可算出机体本身的质量为12Kg，机械手应该有一定的安全度，取安全系数为1.3，可得机械手的抓重为15Kg。2.自由度机械手的自由度标志着机械手所具有的功能大小，自由度越大，机械手动作越灵活，适应性也越强，但是自由度多也带来了结构复杂，制造精度高等问题，一般的专业机械手具有34个自由度就能很好的完成专一的任务。根据自由度的计算公式，该设计中有机械手抓取动作的V级移动副，腕部和手臂以及工作台的V级转动副，所以： 即机械手的自由度为5。3.运动速度机械手的运动速度是指机械手在全程范围内的平均速度，它反映机械手的使用频率与生产水平。机械手的运动速度越高，则其使用效率越高，生产水平也就越高；但是速度越高机械手在运动过程中启动和制动时会产生较大的冲击和震动，对于机械手的定位精度影响较大。在一般情况下，机械手的运动速度应根据生产节拍、生产过程的平稳性要求和定位精度要求而定。根据柴油机机体生产自动线上的生产节拍30min/件，手臂工作的回转半径为1000mm，加工过程所需时间为26min，因此，机械手抓取和送放的运动速度为0.1m/s。4.行程范围机械手臂运动的行程范围与机械手的抓重、坐标形式、驱动方式、运动精度等多方面因素有关，对于通用型和多功能机械手，行程范围和回转范围应尽可能大些，使其适应性能大幅度地增强。机械手的手臂伸缩应与行程范围及工作半径相适应，以保证机械手的刚度，定位精度。机械手的行程为机械手的最大工作区间，即球体的面域。5.位置精度 位置精度是衡量机械手工作质量的一项重要指标，它包括位置设定精度和重复定位精度。我们所说的位置精度是指重复定位精度。位置精度的高低取决于位置的控制方式及机械书运动部件本身的精度和刚度，此外，它还与机械手的抓重及运动速度有关。目前工业机械手大多数都采用点位控制，这种控制只要求运动起点和终点的位置精度，而不管起点到终点的运动过程。因此，可以采用行程开关和电位计定电控元件，进行位置精度的控制。液压参数：1.油压设计校核 液压系统参数是根据执行元件和泵的类型进行设计，根据拟定的液压系统图，计算出各个液压控制阀及辅件的压力与流量的系统参数，而液压系统参数的计算必须逐一将各工作阶段形成的参数计算出后，经过分析比对，加权折扣后才能确定系统参数。选取系统的工作压力为1.6MPa ，液压泵的工作压力和流量,考虑到进油路的压力损失取=0.3106Pa，油液的泄漏系数取p=1.1，抓取动作和回转动作所需的工作压力为=1.1MPa，选用的流量为4.5L/minMPaL/min符合设计的要求。因此 拟定的液压系统方案中，油压参数定位1.6MPa。第2章 执行机构的设计2.1抓取机构的设计抓取机构的工作原理工业机械手的抓取机构又称手部，是用来直接抓取工件或握持工件的部件。本设计采用的是夹钳式机械手，通过液压缸内活塞的直线运动带动杠杆机构和手爪，紧紧的包络，用包络力和摩擦力对工件施加完全约束，使得工件相对于手爪固定，完成抓取任务。2.1.1夹持力的计算当机械手水平夹持工件时图2.11 水平夹持物体受力图根据手指受力分析，可得： 联立可解得： 夹紧工件所需的力； 工件的重力 ；， 尺寸。根据任务书的要求，代入=15Kg ,并取=50mm , =80mm。 可得：N因工件在传输的过程中会产生惯性力，震动等影响，故实际力 机械效率， =0.850.95 取=0.9 安全系数，=1.22 取=1.5 工作情况系数， N2.1.2液压缸驱动力的设计计算图2.12 液压缸驱动手爪受力图因为 所以由结构设计可得 mm，mm 。Nmm，mm 。2.1.3夹紧液压缸主要尺寸的确定 驱动力, 系统工作压力 取 N/mm2 ， 机械效率取=0.9按照JB-826-66的标准，取, 液压缸壁厚的确定 根据 试验压力， MPa 许用应力 选取30钢为液压缸材料，可得=200 MPa将数据代入：mm根据工艺的要求 ,取mm液压缸外径及长度的确定：长度 取 .2.1.4液压活塞缸的设计已知：1.活塞液压缸 , ，mm，mm选用30钢材料。2.活塞杆 选用45钢，活塞直径的d计算与校核：查机械材料手册可以得到：b=355MPa, s=600MPa；则MPamm根据GB/T 2348-1993 选定的活塞杆：mm所以：mm 活塞杆的强度符合设计要求3.活塞：选用20钢材料。考虑到密封和紧固，将活塞设计成如下图 活塞密封件采用标准件，所以活塞上开槽的尺寸就可以确定了。活塞的密封采用Y型密封圈，Y型密封圈是一种密封性、稳定性和耐压性较好，摩擦力小、寿命较长的密封圈。它能用于往复运动的密封，特别是动密封处。当受到油压作用时，Y型密封圈的二唇边就紧紧地贴压到缸筒和活塞壁上而起到密封的作用。活塞与活塞杆的连接采用活塞杆的轴肩定位，并用调整垫片调节松紧程度。利用开槽圆螺母将其锁紧， 圆螺母的选择：由于活塞杆的直径已确定为，轴肩的高度为1mm，可以采用公称直径为M8的圆螺母。查标准GB/T 6179-1986 可得：图 开槽圆螺母同时，查GB/T 91-2000与其相配合使用的是开口销2x16。材料为Q215或Q235。 图 开口销4.本设计采用弹簧使抓取液压缸复位。根据弹簧设计计算公式：图 弹簧受力图根据弹簧的强度条件选择弹簧钢丝的直径：因弹簧在一般载荷条件下工作，可以按照第三类弹簧来考虑，现选用弹簧钢丝为C级，并根据 估计弹簧的直径为3mm， 查表可得 MPa，可以算得MPa选取旋绕比C=6 则由：选取=4mm ，查得不变，故不变，取mm则计算得=1.26与原值相近，所以 取=4mm弹簧的大径 mm取 MPa则取5弹簧校核：根据： 综合上述两式可得：=106.48，可以满足要求，考虑到此经济型数控铣床有可能使用较大的切削用量，应选稍大转距的步进电机，以便留有一定的余量，决定采用130BF001步进电机，查得130BF001步进电机最高空载起动频率和运行频率满足要求。校核步进电机转距a、等效转动惯量计算传动系统折算到电机轴撒谎能够的总的转动惯量（）可以按下试计算： Kgcm2 试中：步进电机转子转动惯量(Kgcm2) 工作台及工件等移动部件的重量（N）； ，齿轮的转动惯量；初选反应式步进电机130BF001，其转子转动惯量为：=4.65 Kgcm2对于轴、轴承、齿轮、联轴节等圆柱体的转动惯量计算公式为： (Kgcm2)对于钢材，材料密度为代入上式，有：Kg/cm2式中： 圆柱体质量（kg）； 圆柱体直径（cm）； 圆柱体长度（cm）；因此： = Kgcm2 = Kgcm2 = Kgcm2代入式 考虑步进电机与传动系统惯性匹配问题： 基本满足惯性匹配的要求。第3章 液压驱动、控制系统的设计3.1液压驱动回路设计1. 液压系统回路分析本机械手采用液压驱动系统是由一些基本的回路组成，主要有以下回路：1.1调压回路液压系统的压力必须与负载相适应，以减少动力消耗和减少发热。本机械手采用双联定量泵供油，用溢流阀来调定压力，使系统在恒定的或限制的最高压力下工作。溢流阀所起到的作用：起安全阀的作用（防止液压系统过载）在系统正常工作的情况下，阀关闭不溢流，系统的压力决定于外载荷。当系统的压力达到阀的调定压力时，阀开启溢流。此时系统的压力就是阀的调定压力。图3.1.1 调压回路1.2调速回路由于俯仰运动采用的是双联同步运动的液压缸，因此要保证液压缸以相同的位移和速度运动。本设计采用分流阀控制同步回路，通过保证进入液压缸的流量相等来实现速度的同步，精度可达2%5%。此时，溢流阀的作用是维持系统压力恒定。在本节流调速回路中，溢流阀在工作时为常开，通过溢流出多余的油液而维持系统压力的基本平衡。通过中间缸活塞二边的运动保持两缸的流量基本相等。 图3.1.2 调速回路1.3保压回路本设计采用复合式泵的保压回路，当系统压力较低时，低压大泵和高压小泵同时供油；当系统压力升高到卸荷阀调定的压力时，大泵卸荷，小泵供油保持溢流阀调定的压力值。由于保压状态下液压缸只需要微量位移，仅用小泵供给，便减少系统发热，减低能耗。图3.1.3 保压回路1.4换向回路采用O型机能的三位四通换向阀，滑阀在中间位置时油路全封闭，液压缸锁紧。由于液压缸充满液压油，故能从静止到启动较平稳，且换向冲击小，换向复位精准。图3.1.4 三位四通换向阀当液压伸缩缸带动手爪夹持工件时须停留一段时间，这时活塞杆不需要移动，但是仍要保持一定的压力。此时可以将三位四通阀处在中间位置，通过中立加压能使整个回路转化为差动电路，不仅能为下步的油缸的运动加速，还能起到密封的功能。三位四通阀能通过电磁控制，因此，能够通过设定的程序来调控电信号的变化，从而通过三位四通电磁阀改变油路的变化。1.5缓冲回路本设计采用蓄能器减少冲击，当液压回路压力升高时，蓄能器吸收能量，减少冲击，实现缓冲。当液压系统工作时，由于泵的故障或突然断电等原因使得油泵不能正常供油时，为了确保工作安全，蓄能器可作应急动力源，向回路释放压力油，使工件不会脱落。图3.15 缓冲回路3.2控制系统方案设计该设计采用的是机械内在反馈开环控制系统方案。内在反馈系统内部各参数之间互为因果关系，这对动态性能有非常重要的影响，而且难以控制。此时，系统按照一定的规律联系相关的元素，通过信号的传输和交换。系统表现出处在运动状态下，是由于元素之间有着联系，有信息的传输与交换。因此，在系统中通过反馈校正来改善控制系统的性能。采用校正系统后，除了能收到校正效果外，还能消除系统的不可变部分中为反馈所包围的那部分环节的参数波动对系统的影响。当系统一些参数，特别是压力，随着工作条件的改变而发生大幅度的变化时，系统能够取出适当的反馈信号，即有条件采用反馈校正，是恰当的。下图为反馈校正框图：图3.2.1 反馈框图开环系统的优点是系统简单、成本低，但缺点是精度不高。3.3液压泵及液压原件选择液压泵选择在机械手工作过程中，手爪的伸缩和手臂的回转速度变化范围大，为了节省能量，减少系统发热，选用双联叶片泵供油。其中一个为小流量泵，另一个为大流量泵，两泵可分别向系统提供一定量的压力油，也可以同时向系统供应较大流量的液压油，以满足执行器对速度的要求。两泵可以通过溢流阀调定的压力来控制。选用双联叶片泵，其型号为YB-6/40，系统的压力为1.62.5MPa，电动机的功率为5.5Kw.同步转速为1500r/min。液压泵站的油箱容量为25L。在油箱处还应设置滤油器，滤油器在液压系统中，滤除外部或者系统运转中内部产生的液压油的固体杂质，使液压油保持清洁，延长液压原件的使用寿命，保证液压系统的工作可靠性。该设计中液压系统的压力为1.62.5 MPa，为一般液压系统，液压系统中固体颗粒的大小约为2550m选取的普通网式滤油器，装在液压泵的吸油管路上。该滤油器具有结构简单、通油能力大，清洗方便，容易拆换等特点。液压系统原件的选择溢流阀：Y6-60 ; 单向阀：Y10B ; 调速阀：Q63B ; 节流阀：L-25B ； 换向阀：34E-63B 。驱动缸的选定：驱动缸的内径和活塞杆外径的计算由方案设计得驱动缸的内径即为回转缸内直径，设此工作压力P=6.3Mpa则：缸筒内径 D=mm，按JB2183-77,选取D=40mm；由活塞杆直径d=0.45D=0.4540=18mm。按JB2183-77,选取d=20mm。驱动缸外径及行程：按GB1068-67得D=60mm；由GB2349-80选取缸的行程S=650mm。强度校核：A、壁厚校核：由于,故可视为薄壁，=2.4mm；显然=102.4mm,故壁厚安全。B、活塞杆的稳定性校核：活塞杆断面回转半径k=20/4=5mm；m=85,由于两端铰链n=1；故细长比l/k=630/7=90,而=85；故l/k,因mm4此时P=1005kN；而实际使用时，为了保证活塞杆不产生纵向弯曲，则PP/nF=1005/4=251.3kN。（nF=4）参 考 文 献1 天津大学工业机器手设计基础编写组.工业机器手设计基础M，天津；天津科技出版社，19802 华东纺织工学院,哈尔滨工业大学,天津大学,主编.机床设计图册M，上海；上海科学技术出版社，1981.53 何存兴.液压元件M，北京;北京机械工业出版社，19824 王占林.近代液压控制M，北京;北京机械工业出版社，19975 机械设计手册编辑组编.机床设计手册M.北京：机械工业出版社，1986.126 雷天觉.新编液压工程手册M，北京;北京理工大学出版社，19987 濮良贵，纪名刚机械设计 第七版M北京：高等教育出版社，200358 卜炎机械传动装置手册M北京：机械工业出版社1998129 陈宏钧实用机械加工工艺手册第二版M北京机械工业出版社，2003110 哈尔滨工业大学理论力学教研室编理论力学第六版M北京：高等教育出版社，2004411 刘鸿文材料力学 第四版M北京：高等教育出版社，2004312 张利平液压传动系统及设计M北京化学工业出版社，北京工业装备与信息工程出版社，2005813 马纲，王之栎，韩松元一种新型搬运码垛机械手的设计J北京：北京航空航天大学，10008314 章跃，张国生机械制造专业英语M北京机械工业出版社，19991215 杨叔子 杨克冲 机械工程控制基础 第五版M武汉：华中科技大学出版社，2005716 孙桓，陈作模，葛文杰. 机械原理 第七版M北京：高等教育出版社2006517 李广弟，朱月秀，冷祖祁.单片机基础M.北京：北京航空航天大学出版社，2007.618 李建勇.机电一体化M.北京：科学出版社，2004谢 辞本次设计是对自己大学四年来所学东西的一次总结，在设计中出现过许多的状况，也从中学习了许多。从分析论文的任务要求，到搜索相关的资料，拓展自己的知识面，一步步收获颇多。我最初做了一套设计方案，但到后来做到一定的程度时，我发现最初的设计有很大的缺陷，“从头再来”。这无疑是对自己设计的一次挑战和创新，我接受了颜老师给我的建议，从他的身上，我学到了许多，一种以身作则，一种负责的态度，一种豁达的人生观。一种学机械就必须按照一定的标准来衡量一切事物的方法论。感谢颜竟成老师对我的精心指导。英 文 翻 译A Cutter Orientation Modification Method for the Reduction of Non-linearity Errors in Five-Axis CNC MachiningABSTRACTIn the machining of sculptured surfaces，five-axis CNC machine tools provide more flexibility to realize the cutter position as its axis orientation spatially changes .Conventional five-axis machining uses straight line segments to connect consecutive machining data points ,and uses linear interpolation to generate command signals for positions between end points，Due to five-axis simultaneous and coupled rotary and linear movements, the actual machining motion trajectory is a non-linear path. The non-linear curve segments deviate from the linearly interpolated straight line segments, resulting in a non-linearity machining error in each machining step. These non-linearity errors, in addition to linearity error, commonly create obstacles to the assurance of high machining precision. In this paper, a novel methodology for solving the non-linearity errors problem in five-axis CNC machining is presented. The propose method is based on the machine type-specific kinematics and the machining motion trajectory. Non-linearity errors are reduced by modifying the cutter orientations without inserting additional machining data points. An off-line processing of a set of tool path data for machining a sculptured surface illustrates that the proposed method increases machining precision. KeywordNon-linear error; Machine kinematics; Machining motion trajectory. INTRODUCTIONIn conventional five-axis machining, a tool path, represented by the cutter locations data (CLDATA), consists of the spatially varying cutter positions and its axis orientations. These CLDATA are generated based solely on the geometrical properties of the machined surfaces and the cutter. These CLDATA are further processed into NC-codes which is specific to a particular machine configuration. Linear interpolation is then used to generate the required commands for positions along line segment connecting the machining data points. The simultaneous linear and rotary movements are involved in five-axis machining since ever new cutter axis orientation requires the motion at least one other axis. There are also coupling effects of the cutter axis will affect the position of the cutter. These simultaneous and coupled movements cause the cutter contract point (CC point) to move in a non-linear manner. As a result, the machining error in each motion step is made up of not only the linear segmentation approximation error but also an additional machining error. As shown in figure 1 for machining is either a concave surface or a convex surface, a line segment is used to connect two consecutive machining data points (the spindle chunk is the machine control point MCP). Linear interpolation generate intermediate positions along the line segment. The desire surface is design curve(either concave or convex). The linear segment approximates to design curve resulting in the linearity error,t. Apart from the linearity error . The non-linear CC point trajectory deviates from the straight line segment (the cutter gage length is constant and MCP is interpolated along the line segment)result in an additional machining error, referred to as the non-linearity error, n. In the case that the desire surface is concave(see figure 1a), the total machining error is difference of the non-linearity error and the linearity error : total=t-n. The non-linearity error, in this case, compensate for the total machining error(AIGP Post-processor,1996;Liu,1994). On the contrary, for the machining of convex surface as shown in figure 1b, the non-linearity error adds onto the linearity error and enlarges the machining error: total=t+n(AIGP Post-processor,1996;Liu,1994). figure1. The multi-axis CNC machining errorConsequently the non-linearity error have caused difficulties for ensuring ultra-precision machining requirements. In the machining of airfoil surface, for example, the machining of the contour surface of airfoil to the edges is problematic. The surface curvature on these area changes abruptly, and thus the cutter orientation varies inconsistently from one cutter to the next. These abrupt cutter orientation variations inconsistently from one cutter location to the next .These abrupt cutter orientation are a typical non-linearity error problem.In order to solve the five-axis CNC machining error problem, efforts have been made to treat non-linearity errors in generate NC codes. Some researchers and postprocessor producers used “linearization processes” for this purpose. The basic function of “linearization processes ” are inserting machining data points between NC codes where the total machining error is out of the specified tolerance range. Takeuchi et al. (1990) inserted points by subdividing the line segment with equally space d interval. Cho et al. (1993) inserted data points by limiting the maximum machining error within the line interval from the start point to the inserted point to be the tolerance. And, both of them set the cutter orientations varying linearly in successive positions. In the Automation Intelligence Generalization Postprocessor (AIGP)(1996), a “linearization processes ” calculates the middle point (MP) between adjacent NC-codes and inserts the MP as an additional data in the NC code. The insertion can be performed further between the consecutive NC-coded until either all points are within the machining tolerance or until a maximum of 63 points are inserted between the consecutive data point. The current post-processors, such as the Vanguard Custom Post-processor Generator (1996) , the Ominimill Custom Postprocessor(1992),the AIX Numerical Control Post Generator(1996) , are all having the similar “linearization processes ” as in the AIGP. In the current CAD/CAM software. Unigraphics(2001), the UG /post postprocessors inserts data points between adjacent NC-codes, thereby simulating a straight line with series of small curves. The number of the inserted points is determined based on the maximum allowable deviation and an iteration method is used to segment the move. In the extreme case, namely after looping 20 times, if the deviation between the segmented arcs and the line are still out of the specified tolerance limit, the process is aborted. “linearization processes ” discussed above manipulate NC-codes by inserting extra machining data points. Although the produced NC-codes satisfy the machining requirement, they may contain dense sets of non-equally spaced data with constant or linearly varying cutter orientation. Consequently, the linearization process has raised the following problems. In the machining of complex contour surface, the cutter orientation varies from one cutter location to the next. The cutter position changes in this case can not be too small since the machine will produce either jerk motion or random rotary movements. As in an industrial procedure of machining airfoil surface of an impeller, a linearization process was used to reduce the non-linearity errors. Many data points were inserted between a pair of NC-codes. The insertion of many data points caused the cutter position change to be nearly equal to zero while the cutter orientation changed abruptly. As a consequence, the machine rotary movements were rapid with infinite feedrate. Random rotary movements resulted and the workpiece was damaged. The insertion of machining data points can also cause non-constant federate along the cutting curve. The insertion of additional data results in non-equally spaced segment, while acceleration and deceleration steps are required for each segment. Thus, the feederate varies in each segment and may never reach the desired value. The result of varying feederate causes a nonsmooth surface finish and the unreachable feedrate increases overall machining time. In addition, the insertion of constant cutter orientation variation also causes severe roughness around the end points along the surface. Linearly inaccurately since the change in cutter orientation is not necessarily linear. The non-linearity error problem arises from the fact that five-axis machining motion trajectories are non-linear curve segments. The simultaneous and coupled rotary and translation movements generate the non-linearity motion trajectory, and the linear interpolation technique is not capable to curve fit the nonlinear path. One solution to is to design new interpolation methods. Liang et al.(2002)presented a combine 3D linear and circular (3D L&C) interpolation technique. The new 3D L&C interpolation can on-line drive the rotation movement pivot along a pre-designed 3D curve path, so that the CC point motion trajectory is a via a straight line connecting machining data points, thus, the non-linearity error can be eliminated. Five-axis machining movements are kinematically related to the cutter location data. In other word, the non-linear motion trajectory depends on the cutter orientation changes and non-linearity errors are related to the tool path generation. Thus, another solution to the non-linearity error problem can be approached from tool path(CLDATA)generation with the requirements that the machining errors are minimized and there is no interference between the workpiece and the cutter. In tool path generation, various techniques for different surface representations have been used by the CAD/CAM package producers (CLDATA,1996;Unigraphics, 1990)and researchers. Huang and Oliver (1992) . Bedi et al.(1997) presented a principle curvature alignment technique for five-axis machining using a toroidal shaped tool. Liu (1995)presented the single point offset and the double point offset algorithms for five-axis flank milling tool path generation based on differential geometry and analytical geometry. Morishge et al.(1999)presented a tool path generation method for five-axis CNC machining, which applies the C-space(a 3D configuration space)to determine collision-free cutter positions and its orientation. These research work on tool path generation are all based exclusively on the geometric of the machined surfaces and the cutter, without considering the machining-specific machining kinematics. As a result, the generated tool paths(the machining NC-codes transformed from these CLDATA)commonly cause obstacles for meeting the ultra-precision machining requirements, particularly for the cutter orientation generation in five-axis machining. Thus, the problem with present off-line tool path generation approaches is that the real machining kinematics is not directly incorporated. To ensure machining precision, cutter orientation generation should be based not only on the geometry of the machined surfaces but also on the machine type-specific kinematics. In this paper, a novel methodology for solving the non-linearity error problem in five-axis machining is presented. The method optimizes the CLDATA based on machine-specific kinematics and machining motion trajectory, whereby the cutter orientations are modified to reduce the non-linearity errors provided that there is no interference between the cutter and the workpiece. A software program for implementing the proposed method is presented. As an application of proposed method, a case study is presented, which shows an increase in machining precision as compared with those processed by the existing AIGPs method.PROPOSED TOOL PATH GENERATION METHODThe machining non-linearity errors depend upon the actual CC point trajectory, since a CC point trajectory is a function of the machine rotary variables, each actual CC point trajectory can be manipulated within the tolerance limit by changing the machine rotary variables, provided that there is no interference between the workpiece and the cutter. Further more, because of the machine rotary variables are kinematically related to the cutter orientation changes, the non-linearity error problem can be approached by manipulating cutter orientations. To proposed method reduces the non-linearity errors by determining the acceptable machine rotary variables employing the machine motion trajectory model, and by modifying the cutter orientation through the machine kinematic relations. It must be emphasized that the machine kinematic properties and motion trajectory are machine type-specific. Hence, the modification of CLDATA has to be carried out in teams of machine variables and subsequent use of the kinematic transformation to determine the modified CLDATA.The procedure of the proposed method starts with the transformation of the CLDATA to machining NC-codes by employing the machine-type specific inverse kinematic model. In teams of machine variables, the actual machining motion trajectory is determined by using the specific machine motion trajectory model. Then, the machining errors are determined. The linearity error is a function of surface local curvature on the cutting curve and the step-forward distance. From the cubic spline cutting curve function, the surface local curvature can be determined. The linearity error for each move then can be computed from the adjacent CC point data and the surface local curvature. By knowing the linearity error, the allowable non-linearity error can be determined as the difference of the linearity error from the specified machining tolerance. Using the machine trajectory model and the line segment equation, the maximum deviation can be determined. By taking sample points on both of the CC non-linear curve and the line segments, the maximum chord deviation is the maximum non-linearity error. In the steps where the maximum non-linearity error exceeds the allowable non-linearity error, the proposed method modifies the machine rotary variable changes. The modification is carried out by increasing/decreasing a machine rotary variable variation a small angle in the plane containing the two original cutter vectors, and by adding/subtracting the angle to the original machine rotary variables. The new rotary variables are then used to calculate the resultant non-linearity error, which in turn is compared again with the allowable non-linearity error. Thus, by using the difference between the allowable non-linearity error and modified non-linearity error