具有标准运动能力的智能台式数控机床外文文献翻译、中英文翻译

高精度车铣复合机床电主轴系统设计附录 1：外文翻译具有标准运动能力的智能台式数控机床摘要：提出了一种新型的带有小曲面的金属模具的新型数控机床。数控机床由三个单轴机器人组成。连接到 z 轴顶端的工具是球形研磨工具。数控机床的控制系统由一个力反馈回路、位置反馈回路和位置前馈线组成。力反馈回路控制着工具接触力和动摩擦力的抛光力。位置反馈回路控制在选择方向上的位置。此外，该位置前馈环将刀具位置信息与刀具位置数据进行了分析。摘要为了将传统工业机器人的应用极限，应用到一个非机械性的任务中，通过简单的位置/力的测量， 我们评估了在研磨工具尖端的位置不准确的反作用力。通过对一种透镜模型的测量和表面控制实验，证明了具有高分辨率的基本的位置/力控制能力。关键词：台式数控机床、模具制造、FI 小曲面、CAD/CAM、顺应运动、螺旋路径1 引言到目前为止，已经设计了多种抛光系统和机器人系统，根据不同的用户需求和各个工业领域所需的机床规格，报道了以下两项专题研究。一种是主从式控制机器人来支持抛光金属工件的加工方法，另一个是机器人应用混合位置/力的金属旋压系统控制器。另外，长谷川和山崎已经开发了一个抛光机器人，可以用来制作宠物瓶的吹制模具。摘要提出了一种具有顺应性控制能力的新型桌面 nc 机床，它具有一种具有小曲面的金属模具。数控机床由三个单轴机器人组成。连接到 z 轴顶端的工具是球形的研磨工具。数控机床的控制系统是由一个力反馈回路、位置反馈回路和位置前馈回路组成的。力反馈环控制着由工具接触力和动摩擦力组成的抛光力。位置反馈回路控制选择方向的位置。此外，正向前馈线在刀具定位数据(CL 数据)上引导工具提示。预计数控机床在模具上采用约 0.3 千层的表面处理，使表面具有高质量的表面效果。摘要为了将传统工业机器人的应用范围限定为一件不合格的任务，我们通过简单的位置/ 力的测量，评估了在磨具工具尖端引起位置误差的反作用。通过对透镜模型的相似测量和表面跟踪控制实验，证明了该数控机床的基本/受力控制能力。2 工业机器人的局限性在此基础上，对基于工业机器人的机器人伺服系统进行了有效刚度、有效位置的解析和力的解析。有效刚度指的是整体刚度，包括由工业机器人本身组成的特性，力传感器、附件、磨料磨具、工件、曲折和地板。工业机器人使用的是 6 型。一个 6自由度的紧力传感器被连接到手臂的末端，一个硬的球端研磨工具通过 aservo 主轴连接到顶端。图 1刚性球头磨具的工业机器人位置与接触力的静态关系图 1 显示了一个简单的接触实验所获得的位置和接触力之间的关系。该位置的数量是磨刀尖上的 z 方向分量，由正运动学计算，利用内部编码器的关节角来计算。通过接触铝工件的工具尖端，得到了力的数量，并由力传感器测量。当工具尖端接触到工件时，在 0.01 微米以下的小操作变量不能产生有效的力测量，因此我们进行了实验，同时给出了最小分辨率的 0.01 毫米的压印和 0.01 毫米的无压运动。在实验中，工具尖端接触到铝工件的速度较低，在接触工件之后。检测到接触力， 以每 0.01 毫米的速度压在工件上。图 1 中用黑色方块画的图显示了位置和接触力的关系。当刀尖的位置为 0.3 毫米时，力约为 36 N，因此范围内的有效效果估计为 120 N/mm。在接触运动之后，工具提示离开了工件一次，回到了 36 N 获得的位置。在那之后，工具又以每 0.01 毫米速度松开。这张图表显示的是位置和接触力的关系。从结果中可以看出，存在一个大的齿隙（0.1 毫米）。这个值几乎与一般工业机器人的重复定位精度相同。这就是我们要用一个工业机器人来设计一个抛光系统必须考虑的问题，即一个力控制系统在误差为 0.1 毫米位置不确定下接触里为 1.2N。3 具有顺应运动的数控机床3.1 台式数控机床的设计图 2具有顺应运动的数控机床图 2 显示了 3 个单轴机器人数控机床的发展，其位置分辨率为 1m。该机床的大小分别为 850、645、700 米，单轴机器人是由 IAI 公司提供的高精度分辨率的位置控制设备，由一个底座、直线导轨、滚珠螺杆、交流伺服电机组成。在 x-y-z 方向上有效的划划是 400、300 和 100 毫米。为了适应工具发展，在 z 方向机器人在工具和力传感器之间使用了一个主轴电机。硬件框图如图 3 所示。图 3由三个单轴机器人组成的数控机床硬件框图图 4 显示了采用刚性球头磨具的数控机床的位置与接触力之间的静态关系。实验在相同条件下进行，如图 1 所示。观察到，影响减少，有效刚度约为 30/0.2 = 150n/mm。另一方面，图 5 显示了使用弹性球端磨料工具时的关系。根据弹性磨料工具的性能，可以看出，有效刚度变化为 30/0.36 =83.3 N/mm。可以看出，该力控制系统的有效刚度很大程度上受所使用的磨料工具的影响。对于弹性磨具称为橡胶磨具,力分辨率约 0.083 N，可以执行的位置分辨率 1m。图 4采用刚性球头磨具的数控机床的位置与接触力之间的静态关系图 5在有弹性球端磨具的数控机床上位置与接触力之间的静态关系3.2 螺旋轨迹的弱耦合控制。图 6采用弱耦合的 CL 数据基混合位置/力控制器的框图刀尖是由平移速度控制的。通过wv（k）=wvt（k）+wvn（k）+wvp(k)（1）tt其中 k 表示离散时间;上标 W 表示工作坐标系。假设抛光力是接触力和摩擦力的合力，同时也得到了 x、y 和 z 方向力传感器测量的合力。图 6 显示了所提议的 CL 数据基混合位置/力控制器与弱耦合的框图。首先，wv （k）是基于 CL 数据的前馈控制律生成的被操纵变量. wv （k）是切向速度，由wvt（k）=Vtangent（k） （2）tangentn其中 V（k）是一个速度范数。是用 CL 数据计算的切向向量。另外，wvn（k）是由力反馈控制律生成的被操纵变量。wv （k）为正常速度。由nnormalddwv （k）=V（k）wo （k），wo （k）（3）其中是利用 CL 数据的方向分量计算的法向量。代表正常速度的标量 vnormal (k)是阻抗模型的输出，它是由力控制律所给出的。Vnormal（k）= +（4）fd其中 Kf 为力反馈增益，阻抗参数 Md 和 Bd 分别为期望质量和阻尼系数。t 采样时间。E (k)之间的误差是理想的抛光力 F 和规范的 sF(k)3 力传感器测量,（1）上标 S 表示传感器坐标系。同时，Wvp(k)是由位置反馈控制律所产生的被操纵变量。（2）开关矩阵 Sp = diag(Sx, Sy, Sz)使弱耦合控制的控制方向处于主动或非活动状态;Ep(k)= Wxd(k)Wx(k)是位置误差。所期望的位置 Wxd(k)是用 CL 数据计算的。其中;Kp=diag(Kpx,Kpy,Kpz)和 Ki=diag(Kix,Kiy,Kiz)是位置反馈控制的比例和积分增益。其次，考虑临界阻尼情况，提出了一种利用数控机床有效刚度的阻尼调优方法。当抛光力被控制时，力控制系统的特性可以根据所期望的质量和阻尼等阻抗参数的组合而变化。为了提高力控制的稳定性，需要适当地调整所期望的阻尼，它对力控制稳定性有很大的影响。Eq. 4 是由以下阻抗模型推导出来的 （7）其F 分别是力控制方向上的加速度，速度和力标量， 分别是理想的加速度、速度和力。力控制是灵活的， 被设为 0，假设 F 是数控机床力控制系统所给出的力，这个模型力F=-B （8）其中，Bm 和 Km 分别是数控机床的有效粘度和刚度系数。7 和 8 导致了下面的二阶滞后系统。 （9） (9)的临界阻尼情况导致。 （10）用 10 计算所需阻尼的基本值。注意：在实际实验中，给出了力控制系统的有效刚度。4 实验在本节中，对所提出的数控机床的基本性能进行了评价，并对力控制系统和位置控制系统进行了评价。在数控加工后，使用塑料透镜模具进行了 profi ling 控制实验，如图 7 所示。目标模具通常采用直径和深度分别为 30 毫米和 5 毫米的形式加工。每个凹面区域都是轴对称的，然而模具本身是轴对称的。注意常规的自动非对称系统不能处理这样的轴对称工件。图 7在控制现场一条螺旋形的路径图 8位置控制结果沿着螺旋路径在实验开始时，一个小的弹性球以 2 毫米/秒速度在端磨料工具接近加工部分的中心。当检测到为 5n 后，工具提示开始沿着螺旋路径开始，这是所需抛光力的 1/2。在弹性球端磨具的情况下，有效刚度 Km 估计为 30/0.36= 83.3 N/mm。所期望的质量Md 和力反馈增益 Kf 分别设置为 0.01。此外，由于力控制系统的粘度很小，所以假定Kf Bm= 0。因此，10 导致 Bd = 0.183 Ns/mm。其次，解释了 x、y 和 z 方向的控制系统。通过反馈控制律对抛光力和 z 方向位置进行调节，并根据 CL 数据对 x 方向和方向位置进行反馈控制。在 x-y 平面上观察到的 CL 数据，这是理想的轨迹，形成了一个 0.8 毫米螺距的螺旋路径。图 8 显示了位置控制结果，其中 x-y 平面在 4 毫米处的螺距约为 0.7 mm。这是由于当工具沿螺旋路径上升时，由力反馈控制律所控制的变量逐渐产生 x 和 y 方向。换句话说，原因是只有 z 方向的位置被一个位置闭环控制，x 和 y 方向的位置通过力控制系统的约束，由力控制系统的操纵变量来修正，通过力控制系统的约束。同样，z 方向位置通过一个微弱的闭环控制，利用 0.001 的小增益，使弱耦合对力反馈环是主动的。尽管在这种情况下,Z 方向上平均误差约 2.7m。因此得到了 z 方向位置的平均误差。 （11）其中 N 是 CL 数据中的总步数，即，“GOTO”语句的数量。 是 CL 数据第 n步的 z 方向分量， 为从编码器获得的工具尖端的 z 方向位置。k 是被 设置时的离散时间。图 9抛光力的控制结果|S F(k)|图 9 说明了抛光力的控制效果。在传感器坐标系中，以上第二和第三网络数据显示 X，Y 和 Z 向力传感器坐标系。下图显示规范| | S F | |。从 S 和 FX 中可以看出， 由于沿螺旋路径的位置控制，力控制的方向经常不同。同时，虽然 x- y 方向的力测量随着工具的增加而增加，而 z 向力逐渐减小，|SF|可以很好地遵循参考值 10n。5 结论本文通过关节式六自由度工业机器人实验，研究了位置和力的分辨率以及由此产生的有效刚度，此外，还考虑了改进的技术点，以开发一种新的非晶化系统，该系统可应用于曲面的小工件。其次，结合单轴机器人设计了一台分辨率为 1m、分辨率为 0.083 N 的台式数控机床。针对数控机床，提出了一种具有柔度控制的混合位置和力控制器，在此基础上，可根据不同的非晶化策略选择位置控制、力控制或弱耦合控制。此外，我们还介绍了一种基于临界阻尼情况下的期望阻尼的系统调谐方法，该方法考虑了工具尖端的位置与力之间的静态关系。最后，在螺旋路径上进行了一种轴向非对称塑料透镜模具的一种多轴对称凹曲面的实验，以评价其位置和力控制的特点。因此，提出的桌面数控机床具有理想的位置和力控制性能，适用于塑料透镜模具的非晶化任务。在今后的工作中，我们计划开发一个 1 毫米的小型球形磨料工具，并进一步将所建议的系统应用于有几个小凹区域的 LED 透镜模具的非晶化过程。凹面积的直径为 4