基于多体动力学的少自由度并联激光切割头设计

基于多体动力学的少自由度并联激光切割头设计

0激光切割头运动轨迹控制方案随着激光应用技术的发展，三维激光切分器具有先进、灵活、适应性强等特点，在国外的汽车、航空等行业得到了广泛应用。使用三维激光切割,不仅可以节省样板及工装设备,还大大缩短了生产准备周期。目前大多数三维激光切割机的主机传动机构均为串联方式。串联机构的切割头运动轨迹控制都是建立在笛卡尔坐标系中,动作控制过程的数学运算简单,但是机械结构复杂、笨重,设备动态响应速度差,零部件寿命低,无论光束以何种方式传输,都需要价格昂贵的三维激光切割头。针对上述问题,本文创新地设计了一种结构更加灵巧、刚性更大、惯性更小、精度更高的少自由度并联机构的数控激光切割机,它以光纤为光束传输介质,通过五个简单的直线驱动装置来实现对切割头在三维空间X、Y、Z、A、C五轴运动的控制。并运用多体动力学软件ADAMS对其在特定工况下的运动学特性进行了仿真,为进一步深入研究以及产品化提供了依据和参考。1个自由度的实现方式并联机床又称虚拟轴机床,是机床技术、机器人技术以及数控技术相结合的产物,与传统的串联机床相比,属于结构简单、数学运算复杂、知识密集型产品。它具有刚度大、响应快、精度高、适应性强、技术附加值高等突出优点,是近年来数控机床发展的重要方向。本文设计的少自由度并联激光切割机示意图见图1。图2为切割头局部示意图,图3为激光头安装支架的结构示意图。五个自由度及其定义方式如下:①X轴为横梁3沿机身1上的X向导轨的运动;②Y轴为溜板2沿横梁3上的Y向导轨的运动;③Z轴为溜板8沿Y轴溜板2上的Z向导轨的运动;④A轴为十字架11通过转动副与Z轴溜板8连接,并可在±90°的范围内进行旋转运动;⑤C轴为激光头安装支座10通过转动副与十字架11连接,并可在±90°的范围内进行旋转运动。X轴运动控制与普通的龙门式二维激光切割机相同,而Y、Z、A、C四轴的运动是通过并联机构来实现的。活动连接于横梁3上且只能够沿Y向运动的四个可控的直线驱动装置4、5、6、7分别通过两端均为万向铰接的连杆40、50、60、70与激光头安装支架10相连接,通过四个直线驱动装置间的同向、反向驱动来完成对切割头安装支座10的位置与姿态的控制,进而实现切割头对空间曲线的切割。通常,并联机构在其工作空间内会存在奇异点限制,当机构处于奇异点时,驱动装置将无法达成驱动命令而造成控制误差。在本文的机构设计中,零件10的四个万向铰接点在YOZ平面呈对称分布,而在XOZ面上的投影高度L1<L2<L3<L4,与此同时四个连杆40、50、60、70的长度完全相同,以此来清除工作空间内机构奇异点的限制。2头位姿间的对应关系本文设计的少自由度并联五轴激光切割机是以少自由度并联机构为基础,多变量、高度非线性、多参数耦合的复杂系统。当激光切割头以一定的形式运动时,其速度、加速度与四个直线驱动装置的运动速度、加速度中间有严格的依赖关系。从机构学角度来看,激光切割头在笛卡尔坐标中的运动是四个可控直线驱动装置运动的非线性映射,即直线驱动装置间的相互位置与切割头位姿间的对应关系是非线性的。运动学仿真的目的是通过考察各可控直线驱动装置及各部件的相对运动状态,检验机构是否发生干涉,考察和评价系统的速度和加速度特性。系统的速度、加速度、驱动力以及惯量比等诸多参数都是在设计时必须重点考虑的指标,这些参数是否匹配合理对系统性能具有决定性的影响。传统方法对上述参数及其在不同位置的变化情况进行定量分析有很大困难,而ADAMS却能够有效地处理此类复杂问题。因此,运用多体动力学分析软件ADAMS对系统的各个参数及其变化过程进行仿真具有重要的意义。在ADAMS中建立的动力学模型如图4所示。篇幅所限,本文仅对Z轴、A轴及C轴在各自的行程范围内进行了逆运动学仿真,得到了Z轴在其最高定位速度90m/min以及A轴、C轴在最高定位角速度270°/s匀速运动工况下,四个直线驱动装置的速度曲线,仿真结果如图5～图7所示。本文通过运动学分析,确定了在特定工况下可控直线驱动装置的速度曲线,为后期的结构设计、驱动参数的选择以及运动控制提供了理论依据和数据参考。影响机床性能的因素很多,本文在运动学仿真过程中考虑的因素有限,其结果具有一定的局限性,还需要作进一步深入的研究。3激光切割发展展望并联机构在三维激光切割领域的应用是个全新的课题,是机器人技术向激光加工领域的扩展,能给激光加工的发展带来全新的变化,对激光切割机产品设计的创新具有重要意义。本文结合三维激光切割的特点,采用全新的方法设计的少自由度五轴联动激光切割机具有结构简单、零部件数目少、刚度大、动态响应速度快、切割精度高等特点,虽然机床硬件简单,但控制系统软件复杂,故具有更高的技术附加值。并联五轴激光切割机涉及到光、机、电、机器人等诸多方面的内容,是一个复杂的系统。由于研究水平有限,本文难免有浅陋之处。激光切割机的发展是一个长期的、艰辛的过程,需要多方面的工作,笔者认为我们可以在以下几个方面进行更深入的研究:(1)开发高性能数控系统或者对现有数控系统进行二次开发,开发相应的三维