航空航天自动化之钥匙_并联机床应用于航空加工领域

1、航空航天自动化之钥匙, 2007-05-29卡尔-埃里克 ·纽曼 瑞典 艾克斯康公司摘要众所周知有 50多台并联运动机床 (PKM 用于航空航天行业的自动化领域。 其未解决的技术问题, 阻碍了这种技术进入更多的航空航天加工领域,这也是对所有并联机床非常主要的障碍,即关节问题。 带关节结构复杂且难于进行高刚性、 成本合适的无间隙加工, 这也就是为什么艾克斯康开发了一个 全新的并联运动概念,称之为艾克斯康,以满足航空航天和汽车工业对灵活加工技术的需求。什么是并联运动机床(PKM ?关节臂机器人20世纪 70年代初开发出了第一批电气机器人,这种机器人技术是要应用于一些极其单调和危险的 工作

2、领域来替代人体劳动,如点焊、电弧焊和其他焊接处理等工作。最初设计的目标是制造大工作范围 的、灵活性高的机器人,以适应某些有争议应用领域里精度和刚性要求不高的特点。为实现这些目标, 这种技术应用了所谓的串联技术,也就是一个轴连着一个轴。这种技术的优势是,这种机械结构能够向 各方向运动,达到要求的灵活性和工作区域,但精度和刚性差。 传统机床众所周知,工业行业中使用的 CNC 机床对精度和刚性要求高并要有很好的清屑能力,只有这样才 能够加工出某些行业要求的微米级精度的部件。然而人们通常都没意识到,市场上所有传统机床也都是 应用了类似机器人这样的串联技术,所以也都会随之产生精度和刚性方面的缺陷。于是为

3、了补偿这种技 术 “ 不足 ” ,机床生产商不得不把机床设计成宽床面的整体结构来确保串联结构即使在末端连接处也能保 持很好的精度和刚性。 但是也正是这种整体结构和宽大的床面又抵消了作为机器人来说很重要的灵活性。运动并联机床机床制造行业的研发者们一直梦想着把机器人灵活性好、工作区域大与传统机床精度、刚性高的优 点结合在一起。所以在过去的 20年里人们一直着眼于运动并联机床(称为 PKM 的开发。这种技术是 指是通过 3个或 3个以上平行的轴实现 X,Y 和 Z 轴的运动,这种结构的刚性、精度十分显著,而且还能 保证结构的灵活性和工作区域。第一台实际上证明这种技术的机床名为 Tricept ,是由

4、卡尔 -埃里克 ·纽曼 先生研发的并联机床, 1994年就已投入实际工业生产中。 为何选并联机床?敏捷加工传统 3轴加工常遇到工件坐标系的参照点不是在工件内部就是与工件的中心线不一致的问题,因此 使工件与机床坐标系对齐是一项耗时又耗钱的工作。传统机床对此的解决方案是使用非常昂贵且不灵活 的伺服控制夹具,或通过使用高级的脱机测量设备手工调整每个工件。并联机床可以轻松地使用激光或传统测头并结合 5轴机床极高的加速度和快速运动的性能,在加工 前能够在几秒钟内飞快地测完工件,测完需要分析的所有指数,相应地调整相关程序数据。举一实例来 说,机翼剖面上的零件是不一致的,需要在加工前单独测、计算、

5、再放回机床坐标系,而所有这些工作 只用几秒钟。 敏捷加工一次装夹加工传统 3轴加工的另外一个问题是加工工件的所有 6个面,至少需要 2个夹具,有时用 3个夹具。这 种加工技术要求多次工件装夹,这会造成很多的问题诸如:不断给工件换夹具致使公差累加,相应出现 了 Cpk 问题,而且设计制造几个不同夹具的成本亦不菲。并联机床可以让主轴始终真正地指向一点向后退刀,这种独特的性能使得并联机床从理论上能够在 一次装夹内便可加工工件的所有面。如果此技术再用上述测头的话,就可以使用低成本的夹具,无需重 复性或固定精度,只要稳定性和刚性好就行。那么公差累加的所有问题也随之消失,工件的 Cpk 值也会 增加。3一

6、次装夹加工复合角度加工由于飞机和汽车设计的越来越高级, 随之对复合角度和圆插补的复杂加工需求也与日俱增。 要用传 统的龙门型机床做这类加工,它是随身带着很大的重量在加工,由于 5个笨重的轴需要不断再定位,通 常出现路径跟随问题及 /或生产率问题。对于并联机床来说其高度的动态性平面或是与复合角度面对它来说都是一样的,因此它十分适于未 来汽车制造期望的所有复杂加工。而且不难想象飞机、火车或建筑机械上的部件要求更先进的加工,却 是现今传统机床无法做到的,但只用并联机床就可以实现。 复合角度加工多重路径混合及消除拖刀3轴传统加工中一个老问题就是加工完美的纯平表面。采用多重路径加工,可这要求机床的刚性和

7、 精度非常好,即使条件满足,实际上几乎也不可能避免出现路径之间的纹楞。用传统机床主要有两种途 径来解决这个问题,一是使用运动轨迹可覆盖整个表面的刀具,但需要机床马力更大和稳定性更好;二 是从机械方面将主轴在所谓的迎角位置上倾斜几千度,让所有的路径按同一方向切削,但是耗时多。 像前面提到过的,并联机床不管其主轴与工件表面是否垂直,很容易用一个按材料确定的迎角给并 联机床进行预编程,在加工表面时就让机床用这个角度。另一个优点,尤其是加工钛合金且相等硬度材 料时,刀具背面不接触工件,这样就延长了刀具的使用寿命。 史 985年-埃里克 ·纽曼先生研发的第一个结构为一个稳心柱四围安装上 3个制

8、动器的并联运动机床 (PK 999年 器人奖,是工业领域最有威信奖项之一,颁给了尼奥斯机器人的创始人和 Tricept 的发明人 卡尔2004年 10月 卡尔 -埃里克 ·纽曼和托马斯 ·安德森成立了艾克斯康公司。“ 发 展 最 场 所 用 ”分析现有的并联机床运动并联结构从外观来看像很多平行的 “ 手臂 “ 一端彼此相连,另一端与基座相连。这种设计就要求 IDOF 。运动并联机床(PKM 平行手臂的数目取决于其设计(读专利说明 , 平行 历 1由卡尔 M 专利问世。 1国际金机 -埃里克 · 纽曼先生。这个奖第一次颁发是在 1984年,颁给了福特公司的威海姆 &

9、#183;克西先生,纽曼 先生的上一届奖颁给了丰田公司的 Hisanori Nakamura先生。新 的 并 联 运 动 机 床 并 使 其 通 过 许 可 协 议 为 市关节点有 无效自由度(手臂的数量从 3-8个不等,但是不论哪种设计遵循的目标都应将灵活性与刚性结合在一起。因关节点结构复杂、难于制造、刚性要好、无间隙、成本合理使其成为所有并联机床的突出问题。这个技术问题限制了市场上的并联机床数量,这也是为什么最成功的设计是那些关节点少、无效自由度 少的 并联机床的设计是为做出一个可以移动的箱体结构,从观赏的角度来看,这样很不错,但是相应产 度(IDOF 数量却造成了问题。每一个关节点有一个

10、以上的自由度,作用像一个 万向 个无效自由度的还有足够刚性和精度的 2自由度以上的关节点是另一个很 难的 艾克斯康的概念 并联机床的设计概念解决了前面所有描述的并联机床问题,并且突显了并联机床的所 目标,如高刚性与极好灵活性和动态性相结合。这个新概念是:所用的下部关节点自由度不超过 1并联机床的原因。 Tricept 是现今使用了最少的关节点和无效自由度的并联机床,这也说明了 Tricept 为 什 么 在 今 天 的 并 联 机 床 市 场 能 占70%的 份 额 的 原 因 。Hexapods 六轴结构Tricepts12个关节点 30个自由度Parallelograms 平行四边形结构1

11、2 个关节点 24 个自由度 18 个自由度Tricept 分析生出的所需的无效自由 铰链一样,而且只能够承担纯轴向载荷,这样就出现了作用力必需另外被吸收,例如由 Tricept 的中 心管部分吸收这样的结果。出现在中心管上的最大问题是这个作用力对中心管造成了挠曲和扭转力,而处理这二力结合十分困 难。在合理的成本内加工出多 问题。且这类设计对轴向关节点的刚性有负面影响,这也会严重地影响整体刚性。新型艾克斯康 有(1-DOF ,使用 2个刚度(1-DOS 的制动器,同一方向的线性和弯曲性。这种设计形成的实体结构可 以完全解决施与机床各方的挠曲和扭矩力的影响。 这里描述的艾克斯康设计实际上是构成了

12、一个金字塔形移动的三脚架,这个结构是通过 3个与旋转 相连的 2刚度制动器, 1个自由度的关节点把力传递到上了平台,不损失任何刚性。但是由于上平台 关节 动学 “串并联混合传动的三脚架机构” 的运动转换是具有并 -串联传动的一个 5轴的转换, 见图一和图二。 种结构使得旋转性对称刀具(铣刀、激光束在加工空间内可相对对于工件定位。其路径和路头 点角度的影响 , 只有在 2个制动器的上关节点为 2自由度并且第三个制动器的上关节点为 3自由度 时才可能做出下关节点都为 1自由度,所有制动器为 2刚度的设计。运 功能性这径上 有 5轴模块的等量运动图表的速度的编程近似于 3轴转换。刀具对准是作为子程序

13、的额外参量被编程的。实时转换计算的是所 的合成运动。因而加工程序不是机床特有的。没有必要使用 5轴加工作业用的传动专用的后处理 器。刀具的长度补偿包含在加工计算中。通过在一个单独坐标系里的刀具 -工件 -表面方位的清晰程序存储器(TOFRAME ,可以垂直地把 刀具从工件上退回的。 图一:在 XZ 平面的运动图二:在 YZ 平面的运动模块的等量运动图表 轴的构造:三角形基础平台的每个角用一个万向接头与一个直线轴相连。这些直 角形移动平台 台的位置。每一个直线轴用转动轴使之与移动平台相连。第二个直线轴有一个额外的自由 度,也 联,另外两个旋转轴是与其串联连接的。那么这个机器有 3个空线轴决定了三

14、 相对于基础平 就是绕着直线轴的方向旋转。与移动平台相连的是一个旋转接头和一个回转接头。两种接头都是用于在空间中定位主轴的。 关于头三个 3轴的运动连接是并间自由 我们用小写字母表示尺寸量如长度,大写字母表示空间点,粗体字母表示方向矢量。下面的下笔 1到 3。内部坐标系 系就是轴 4与轴 5到轴 4垂线的交点。 (外接头的万向接头的转动轴。 处的交点。 A1和 A2间的距离。和 w2间的角度。 相配。 。轴处 vi 和 wi 间垂线交点。按照要求从万向接点外接头到内,所以这个点是唯一的。H 方向和轴 5的刀具尺寸。 位长度。 用领域 转换 -“串并联混合传动的三脚架机构”有 3个空间自由度和

15、2个方向自由度,这种结构使得 转性对称刀具(铣刀、激光束在加工空间内可相对对于工件定位。把这种获得的信息转变为实际 机床 度和 2个方向自由度。 符号表 i 从 BCS 基础坐标系 ICS MPS 移动平台坐标 OICS 基础平台原点 OMPS 移动平台原点,也 ui 固定于基础平台 vi 固定于直线轴(内接头的万向接头的转动轴。 di 万向接头两个转动轴之间的距离。 e 垂直于轴 2和 v2的偏移量 f 平行于 v2的偏移量Ai 万向接头的轴之间在外接头 在内坐标系 X 方向上 第二直线轴与其纵向间的角度,也就是 v2qi vi和 wi 间的垂线长度。这与相应直线轴的值 q4 第四转动轴的角

16、度。 q5 第五转动轴的角度。 wi 在移动平台处的转动轴 Bi 在移动平台附近的转动 接头的垂足是在那条垂线上 r 第四轴对于移动平台的方向矢量。触点,就是轴 5和穿过 OMPS 的垂线之间的交点。 c OMPS和 H 之间的距离 tool 刀具方向t1 沿轴 5的刀具尺寸。t2 垂直于刀具 t3 沿刀具方向的尺寸。不失普遍性,所有的方向矢量应为单应OEM 旋 总在直角坐标系(WCS 内给工件编程 , 而任何编好的或设定好的坐标系框架的旋转和平移都是相 对于,也是直角坐标系的,基础坐标系(BCS 而进行的。然后运动转换 轴的运动命令。运动转换需要机床构造(运动学的信息,这些信息存储在机床数据

17、中。应用 梁第一例在航空航天领域使用并联运动机床机器人技术是在 1995年,用 Tricept 600型系列号 5的机 横梁。加工横 床加工小型 在航空航天使用并联机床 CNC 技术的第一例应用是在 1999年, 用 Tricept 800型系列号 1的机床加 工大型横梁,见下图艾克斯康技术类型的第一例探讨的应用是加工结合了其它类型部件的大型横梁工件,见下图。 结构加工 & 装配在航空航天领域里最著名的用于加工和装配的并联机床系统来自于西班牙的 Loxin 公司, 此系统包 列机床, 卧式安装在翼型或框体夹具两侧, 每侧 2台, 见下图。 卧式安装可以让 Tricept 在沿 含 4台

18、 Tricept 800系 着平行于夹具的导轨上移动, 某些情况下 Tricept 机床也能安装在 z-轴方向上。 这样机床能够上下运 动,能加工比机床实际工作范围要高的翼型或框体工件。以上所说系统在这类应用领域使用的非常成功,至今已安装了 30多台机床。 航天航空领域探讨的围绕新艾克斯康技术的最新应用是使用 2台或更多台的大型 X700型机床,分 别安装在 Z 轴方向上用于上下运动, 整体加工单元在平行于夹具的导轨上移动 (见下图 。 今天人们钻研 着这些系统并结合之前提到过的敏捷加工、复合角度加工、一次装夹及多种混合路径的能力,以适用于 所需高动态性、大工作范围的多种加工和装配作业。 自动

19、化及人工装配的结合另外一种可能性是双面装配,机床安装在两个夹具之间,一面是自动化装配的同时另一面可以安全 地进行人工装配。这是应一家需要将自动和人工装配混合的航空航天制造商的需求,目前这类系统正在 讨论中。主动测量补偿 AMC 我们一直处于从事并联机床开发、加工、安装和售后的中心地带近 20 年，这使我们清楚地知道到这 种类型设备的一大问题即校准和鉴定。这就是为什么艾克斯康与 Optikos Q 合作开发了一项独特的校准 系统运用 3 个装在下部连接杆上的角度编码器。 这种技术使测量艾克斯康并联机床 5 轴动力操作头的真实位置成为可能。并且能够校准、验证上部 三角架中的所有参数并能把参数变成运动模型，这使得世界上第一次出现了有能力在所有公差方面像真 正的 CNC 机床一样表现的并联运动机床系统。 此系统称之为 AMC， 主动测量补偿， 它是把机床编成空间中的不同位置， 通过把三脚