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21世纪数控加工装备:并联机床的开发应用

2010年01月07日 08:47中国机床商务网点击:2416

  20世纪70年代初世界上出现了第一批电气机器人,在一些极其单调和危险的工作领域,被用来替代人体劳动。这种机器人应用的就是串联技术,其技术优势是工作终端能够向各方向运动,具有足够的动态性能和灵活性,可到达要求的工作区域,但其精度和刚性较差。

  一直以来,机床制造业的开发者们梦想着将机器人的灵活性好、工作区域大与传统机床精度、刚性高的优点结合在一起。在过去的20年里,人们一直着眼于运动并联机床(PKM)的开发。

  21世纪的数控加工装备

  并联机床(Parallel Machine Tools),又称并联结构机床(Parallel Structured Machine Tools)、虚拟轴机床(Virtual Axis Machine Tools),也曾被称为六条腿机床、六足虫(Hexapods)。并联机床是基于空间并联机构Stewart平台原理开发的,是近年才出现的一种新概念机床,它是并联机器人机构与机床结合的产物,是空间机构学、机械制造、数控技术、计算机软硬技术和CAD/CAM技术高度结合的高科技产品。

  它克服了传统机床串联机构刀具只能沿固定导轨进给、刀具作业自由度偏低、设备加工灵活性和机动性不够等固有缺陷,可实现多坐标联动数控加工、装配和测量多种功能,更能满足复杂特种零件的加工。自其1994年在美国芝加哥机床展上首次面世即被誉为是“21世纪的机床”,成为机床家族中最有生命力的新成员。

  自其问世以来,并联机床的研发,总体上仍处于研究、试制、试用阶段,对并联机床的动力学特性及其加工精度影响规律等研究内容还处在起步阶段。以牺牲工作空间和灵活度为代价,试图获得高刚度、高承载能力、良好的运动特性,但到目前为止,国内外所开发出的并联机床并未达到所期望的精度能力。

  影响精度的因素

  加工精度是评价机床特性的重要指标之一,也可用误差来间接描述。影响并联机床精度的因素很多,可从归为两个方面:

  1、根据误差随时间的变化特性,将其分为静态误差和动态误差。静态误差,是指在不考虑刀具变形的情况下,并联机床在恒定栽荷下处于静力平衡状态时末端刀具的位恣,与机床不受载荷情形下末端刀具位姿的差异。它主要受机床结构参数误差、零部件载变形量的影响。加工过程中的热变形,同样会引起末端刀具位姿的偏差,它是一种变化缓慢的、准静态的误差源。

  动态误差,是指机床处于动态切削力作用下时,切削力的波动性、驱动力的波动性零部件及机床系统的柔性等引起的振动、冲击等,导致末端刀具位姿与理想位姿的偏差。

  2、根据引起误差的要素,将其分为几何误差和物理误差。

  几何误差,是指组成机床的各个五一节存在几何尺寸上的误差,一般只从刚体运动学上考虑。零部件制造公差、安装误差、驱动关节位移误差等属于几何误差。物理误差,是指环境因素引起的误差,如温度变化、受力等导致机床末端执行器的误差。

  目前,针对几何误差源对精度的影响规律的研究比较深入,而对物理误差源对精度影响规律的研究则比较笼统。要获得符合实际切削加工过程的精度变化规律,一个重要的途径就是分析动态载荷对加工精度的影响,包括载荷的影响(系统的静刚度问题)和载荷动态变化的影响(系统动刚度问题)和载荷的动态变化引起的振动对精度的影响。

  提高精度的对策

  由于各误差源之间的耦合作用,因此机床的精度是由综合误差决定的,有时消除或减小单项误差往往不能获得预期的效果。不仅要对单项误差对精度的影响规律作进一步研究,还要对各单项误差的耦合、综合效应进行研究。可以从以下几个方面入手:

  1、在几何误差的研究上,矢量环路分析法比较成熟,蛤需进一步提高结构参数的有效测量及标定精度。

  2、在静刚度特性方面,目前在实际试验中多采用预载以消除间隙的影响,但在动刚度特性方面,由于 切削载荷动态变化,间隙成为一个随机量,因此可用概率方法。

  3、在动态特性,尤其是振动的影响方面,对过大量试验获得振动特性参数。

  4、建立综合误差模型。在几何误差的基础上,考虑刚度特性引起的变形量及最终的偏差量,从理论上讲,只需要将其折算为位置误差或杆长误差即可。但要将振动引起的偏差量综合考虑进行,需要考察其有关机理 ,因为它是高频变化量。

注:文中一些观点援引自江苏省数字化制造技术重点建设实验室刘伟教授的《并联机床精度研究》,对此表示感谢!)

(来源:中华工控网)

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