【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 系結(jié)構(gòu)的研究 ? 研究方法上可采取的技術(shù)路線： 1. 以歐洲 OSACA為代表，從建立理想模型入手，逐步保證新開(kāi)發(fā)的控制器產(chǎn)品遵循理想模型 2. 以日本 OSEC為代表，建立中性語(yǔ)言，在現(xiàn)有 CNC系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過(guò)這種機(jī)制使 CNC部分地向用戶開(kāi)放 四、開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) （二）開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的研究 無(wú)論何種技術(shù)路線，均需確定嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)接口， 即確定開(kāi)放式的標(biāo)準(zhǔn)。原則： 1. 科學(xué)合理 2. 具有一定的前瞻性 ? 標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn) 1. 應(yīng)詳細(xì)定義軟件模塊和硬件結(jié)構(gòu)的接口 2. 業(yè)界的支持和嚴(yán)格遵守 3. 政府部門的支持與參與 第三節(jié) 并聯(lián)機(jī)床 一、概述 ? 數(shù)控機(jī)床方面的突破性進(jìn)展當(dāng)屬 20世紀(jì) 90年代中期問(wèn)世的并聯(lián)機(jī)床 ? 也稱虛擬軸機(jī)床或并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床 ? 機(jī)器人技術(shù)與數(shù)控機(jī)床技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，學(xué)科交叉的結(jié)果 ? 以空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，充分利用計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的潛力，以軟件取代部分硬件，以電氣裝置和電子器件取代部分機(jī)械傳動(dòng) 傳統(tǒng)機(jī)床 ? 以笛卡爾坐標(biāo)直線位移為基礎(chǔ)的機(jī)床結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)學(xué)原理 ? 傳統(tǒng)機(jī)床布局的特點(diǎn)是以床身、立柱、橫梁等作為支承部件，主軸部件和工作臺(tái)的滑板沿支承部件上的直線導(dǎo)軌移動(dòng) ? 按照 X、 Y、 Z坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)疊加的串聯(lián)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，形成刀頭點(diǎn)的加工表面軌跡。 并聯(lián)機(jī)床 ?以機(jī)床框架為固定平臺(tái)的若干桿件組成空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)，主軸部件安裝在并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)平臺(tái)上，改變桿件長(zhǎng)度或移動(dòng)桿件支點(diǎn)，按照并聯(lián)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理形成刀頭點(diǎn)的加工表面軌跡 并聯(lián)機(jī)床的優(yōu)點(diǎn) ? 剛度重量比大 因采用并聯(lián)閉環(huán)靜定或非靜定桿系結(jié)構(gòu)，且在準(zhǔn)靜態(tài)情況下，傳動(dòng)構(gòu)件理論上為僅受拉壓載荷的二力桿，故傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的單位重量具有很高的承載能力 ? 響應(yīng)速度快 運(yùn)動(dòng)部件慣性的降低，有效改善了伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，減小了伺服滯后和輪廓誤差，允許動(dòng)平臺(tái)獲得很高的進(jìn)給速度和加速度，加上采用了電主軸和直線電動(dòng)機(jī)等機(jī)電一體化部件，特別適合于各種高速數(shù)控加工 并聯(lián)機(jī)床的優(yōu)點(diǎn) ? 環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng) 便于可重組和模塊化設(shè)計(jì)，可構(gòu)成形式多樣的布局和自由度組合。在動(dòng)平臺(tái)上安裝刀具，可進(jìn)行多軸聯(lián)動(dòng)的銑、鉆、磨、拋光以及異型刀具刃磨等加工。如果裝備機(jī)械手腕、高能束源或 CCD攝像機(jī)等末端執(zhí)行器，還可完成精密裝配、特種加工與測(cè)量等作業(yè) ? 技術(shù)附加值高 并聯(lián)機(jī)床具有“硬件”簡(jiǎn)單，“軟件”復(fù)雜的特點(diǎn)，是一種技術(shù)附加值很高的機(jī)電一體化產(chǎn)品，因此可望獲得高額的經(jīng)濟(jì)回報(bào) 并聯(lián)機(jī)床的發(fā)展歷程 ? 1895年 數(shù)學(xué)家 Cauchy研究一種“用關(guān)節(jié)連接的八面體”， 開(kāi)始人類歷史上并聯(lián)機(jī)器的研究 ? 1938年 Pollard提出采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)來(lái)給汽車噴漆 ? 1949年 Caough提出用并聯(lián)機(jī)構(gòu)的機(jī)器檢測(cè)輪胎，這是真 正得到運(yùn)用的并聯(lián)機(jī)構(gòu) ? 1965年 德國(guó)人 Stewart發(fā)明了六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，并作為 飛行模擬器用于訓(xùn)練飛行員 ? 1978年 澳大利亞人 Hunttichu把六自由度的 Stewart平臺(tái) 機(jī)構(gòu)作為機(jī)器人機(jī)構(gòu) Stewart平臺(tái) ?上平臺(tái) —— 活動(dòng) ?下平臺(tái) —— 固定 ? 6個(gè)并聯(lián)、可獨(dú)立自由伸縮的桿件 ?每根桿和平臺(tái)間通過(guò)兩個(gè)球鉸鏈連成 輸入：伸縮桿的位移 輸出：動(dòng)平臺(tái)的空間位移和姿態(tài) 并聯(lián)機(jī)床設(shè)計(jì)理論 ?方案設(shè)計(jì) ?運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì) ?動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì) ?精度設(shè)計(jì) ?數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 方案設(shè)計(jì) ? 在給定所需自由度的條件下，尋求一個(gè)動(dòng)平臺(tái)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)桿副配置、驅(qū)動(dòng)方式和總體布局的各種可能組合 ? 按支鏈中伺服驅(qū)動(dòng)器數(shù)目不同，并聯(lián)機(jī)床分為：并聯(lián)、串并聯(lián)、混聯(lián) ? 前兩者：一條支鏈上僅含一個(gè)或一個(gè)以上的驅(qū)動(dòng)器，生成 3~6個(gè)自由度 ? 后者：通過(guò)兩個(gè)或多個(gè)少自由度并聯(lián)或串聯(lián)機(jī)構(gòu)的串聯(lián)組合，生成所需的自由度 并聯(lián)機(jī)構(gòu)局限性 ? 受鉸約束、支鏈干涉，特別是位置與姿態(tài)耦合等因素影響，致使動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)能力有限，難以適應(yīng)大傾角多坐標(biāo)數(shù)控加工需要 ? 趨勢(shì)：采用混聯(lián)機(jī)構(gòu)分別實(shí)現(xiàn)平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。特點(diǎn)： 1. 使平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)控制解耦； 2. 工作空間大，可重組 運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì) ?工作空間定義與描述 各支鏈工作子空間的交集，一般由多個(gè)空間曲面圍成的閉包。 通常將靈活度工作空間的規(guī)則內(nèi)接幾何形體定義為機(jī)床的編程工作空間 動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)位置和姿態(tài)的能力是相互耦合的，即隨著姿態(tài)的變化，工作空間縮小，通常會(huì)用降維的位置空間或姿態(tài)空間 運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì) ?工作空間分析與綜合 已知尺度參數(shù)和各關(guān)節(jié)變化范圍的條件下，評(píng)價(jià)動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)位姿的能力； ?尺度綜合 根據(jù)編程空間內(nèi)預(yù)先給定的位姿能力，通過(guò)相應(yīng)的解耦算法，確定各關(guān)節(jié)變量的變化范圍和尺度參數(shù) 動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì) ?已知?jiǎng)悠脚_(tái)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，求解鉸內(nèi)力和驅(qū)動(dòng)力 ?建模方法：牛頓 歐拉法、拉格朗日方程、虛功原理、凱恩方程等 ?虛功原理 —— 首選 原理：易于由雅各比和海塞矩陣建立操作空間和關(guān)節(jié)空間的速度和加速度的映射關(guān)系，從而構(gòu)建各運(yùn)動(dòng)件的廣義速度和廣義慣性力 動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì) ? 動(dòng)態(tài)性能：并聯(lián)機(jī)床加工效率、精度的指標(biāo) ? 動(dòng)力性能評(píng)價(jià)指標(biāo)： 動(dòng)態(tài)條件數(shù) 動(dòng)態(tài)最小奇異值 動(dòng)態(tài)可操作性橢球半軸長(zhǎng)幾何均值 ? 動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)目標(biāo) 1. 提高整機(jī)單位重量的靜剛度 2. 通過(guò)質(zhì)量和剛度的合理匹配，使振動(dòng)能量平衡 3. 有效降低刀具與工件間相對(duì)動(dòng)柔度的最大負(fù)實(shí)部，抵抗切削震顫 精度設(shè)計(jì) ? 并聯(lián)機(jī)床誤差來(lái)源 靜態(tài)誤差 1. 零部件制造與裝配 2. 鉸鏈間隙 3. 伺服控制 4. 穩(wěn)態(tài)切削載荷 5. 熱變形 動(dòng)態(tài)誤差 系統(tǒng)動(dòng)特性與切削過(guò)程耦合引起振動(dòng)而產(chǎn)生的誤差 精度設(shè)計(jì) ? 精度設(shè)計(jì)可概括為精度預(yù)估與精度綜合兩個(gè)互逆的過(guò)程 ? 精度預(yù)估： 1. 按某一精度等級(jí)設(shè)定零部件的制造公差 2. 根據(jù)閉鏈約束建立誤差模型 3. 統(tǒng)計(jì)預(yù)估刀具在工作空間的位姿方差， 4. 最后通過(guò)靈敏度分析修改相關(guān)工藝參數(shù) 5. 達(dá)到預(yù)期精度 精度設(shè)計(jì) ? 精度綜合： 1. 預(yù)先給定刀具在工作空間中的最大允許位姿誤差 2. 反求應(yīng)分配給零件的制造公差 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) ?從機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)觀點(diǎn)看： 并聯(lián)機(jī)床與傳統(tǒng)機(jī)床的區(qū)別：動(dòng)平臺(tái)在笛卡爾空間中的運(yùn)動(dòng)是關(guān)節(jié)空間伺服運(yùn)動(dòng)的非線性映射 ?并聯(lián)機(jī)床的控制 通過(guò)位置正解模型，將事先給定的刀具位姿及速度信息變換為伺服系統(tǒng)的控制指令，并驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)刀具的期望運(yùn)動(dòng) 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) ? 高速高精度軌跡控制 —— 高性能硬件和軟件 ? 軟件： 1. 用戶界面 2. 數(shù)據(jù)預(yù)處理 3. 插補(bǔ)計(jì)算 4. 虛實(shí)變換 5. PLC控制 6. 多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) ? 插補(bǔ)算法 1. 根據(jù)精度要求在操作空間中離散刀具軌跡 2. 根據(jù)硬件提供的插補(bǔ)周期，按時(shí)間軸對(duì)離散點(diǎn)作粗插補(bǔ) 3. 通過(guò)虛實(shí)變換將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到關(guān)節(jié)空間 4. 送入開(kāi)放式多軸運(yùn)動(dòng)控制卡精插補(bǔ) 操作空間中兩離散點(diǎn)間的直線勻速運(yùn)動(dòng) 對(duì)應(yīng)到關(guān)節(jié)空間中各軸的變速運(yùn)動(dòng) 若關(guān)節(jié)空間中各軸作勻速運(yùn)動(dòng) 對(duì)應(yīng)在操作空間中合成復(fù)雜的曲線軌跡 第四節(jié) 若干國(guó)內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)簡(jiǎn)介