虚拟轴机床——21世纪数控加工设备

虚拟轴机床——21世纪数控加工设备 虚拟轴机床——21世纪数控加工设备 6机电一体化Mechat~onics2005年第3期 虐拟轴挑床查世数控加重设备 VirtualAxisMachineT00l——N珊nericControlWorking Equipmentof21mCentury 荣烈润 摘要:对虚拟轴机床的概念,特点,发展概况,关键技术,发展趋势和应用前景作了介绍. 关键词:虚拟轴机床并联机构串联机构机器人 Abstract:Thispaperareintroducedconcept,characteristics,developingsurvey,keytechnol ogy,develo- pingtrendandappfiedprospectsofvirtualaxismachinetoo1. Keywords:virtualaxismachinetoolparaLlelmechanismseriesmechanismrobot 0引言 虚拟轴机床(virtualaxismachinetoo1)起源于 19世纪末,于1994年问世,它的出现立即引起了 世界工业强国的广泛关注,被称为21世纪的新型 数控加工设备,并被誉为"机床结构的重大革 命",为制造业所高度重视. 虚拟轴机床是机器人技术与机床技术相结合 的产物,在原理上是按照Stewart(人名)平台机 器人的运动原理和结构形式进行设计和工作的, 因此又被称为Stewart机床.机床的形状酷似六 足虫,故也被称为六条腿(Hexapod)机床.机床 的结构除了各种形式的Stewart平台外,还包括由 杆件组成的多面体框架结构.其主体在运动学上 属于并联运动机构,也有人把此类机床称为并联 机床(parallelstructuredmachinetools)o 在人们所熟悉的传统机床中,机床的工作轴 线是与三维直角坐标轴相对应的,而虚拟轴机床 突破了传统机床的工作轴线的概念.这类机床通 常由并联杆系构成,其典型结构是通过可以伸缩 的6条"腿"连接定平台和动平台,每条"腿"各自 单独驱动.控制6条"腿"的长度就可以控制装 有主轴头的动平台在空间中的位置及姿态,以满 足刀具运动轨迹的要求,实现具有6个自由度运 动的复杂曲面的加工.虚拟轴机床中没有传统机 床那样固定的三维坐标轴,传统意义的x.y,z轴 是自由地,虚拟地设定于机床控制系统之中.虚 拟轴机床的名称即由此得来. 1虚拟轴机床的特点 虚拟轴机床为并联机构,不同于传统机床的 串联机构.正由于采用了空间并联机构,使得虚 拟轴机床无论是在结构上还是在工作性能上都显 示出了许多突出的特点. 1.机床结构简单 虚拟轴机床主要由框架和可变长度杆等简单 构件组成,对于复杂的曲面加工,不需要传统机床 的x.y,z3个方向的工作台或刀架的复合运动,只 要控制六杆长度即可.机床以较为复杂的控制换 取机床结构的最大简化. 2.机床结构稳定,刚度高 传统机床结构不对称,使机床受力,受热不均 匀,机床易变形.虚拟轴机床为对称的封闭框架 结构,受力,受热均匀,由6根杆件分摊承担主轴 平台的受力,每根杆的受力要小得多,且只承受拉 力或压力,而不承受弯矩或扭矩,故刚度高,稳定 虚拟轴机床——.21世纪数控加工设备7 性好,在相同的机床自重下具有高得多的承载 能力. 3.机床动态性能好 在传统机床中,工作台,滑板等运动部件的质 量较大,电机,导轨及传统系统往往也不得不放在 运动着的部件上,这就增加了系统的惯性力,使动 态性能恶化,在高速加工时尤为突出.而虚拟轴 机床采用并联结构,容易将电机及传统部件置于 框架上,运动平台上仅安装刀具,运动部件的数量 少,质量轻,减少了运动负荷,能够实现更快的动 态响应.在高速加工时,并联结构的优点更加 明显. 4.机床精度高 传统机床是串联传动结构,存在误差积累和 放大的问题.而虚拟轴机床采用并联结构,6根 驱动杆构成6个并联的传动链,六杆长度各自控 制,共同确定所需的刀具的工作位置.机床的误 差是6个轴误差的平均值,而不像串联机构那样 是各个轴的误差的叠加;因此,误差小而加工精 度高. 此外,结构刚度的提高,运动部件质量的减小 也会对加工精度产生良好的影响. 5.机床适应性强 虚拟轴机床的加工,主要是通过连接刀具的 动平台在空间改变位置和姿态实现的,而动平台 的运动则是通过调整六杆的长度进行控制的.对 于不同形状的零件,只要改变各杆的长度,就可以 实现刀具位姿的变化.因此,对于复杂形状的零 件,刀具调整方便,机床适应性强. 6.机床经济性好 虚拟轴机床结构简单,主要由框架及可变长 度杆等简单构件组成,易于制造.它产生运动可 以不需要消耗材料多的,质量大的床身或导轨,因 而既减轻了机床的质量,又降低了制造成本. 7.机床通用性,模块化程度高 虚拟轴机床的主要部件多为通用件,具有较 强的模块化功能,有利于针对不同加工需要进行 设备重组,显示出了良好的经济性能. 由于虚拟轴机床采用了不同于传统机床串联 机构的并联机构,它才显示出来了上述的特点. 串联机构(传统机床)与并联机构(虚拟轴机床) 基本特性的对比见表1. 表l串联机构与并联机构的基本特性对比 基本特性串联机构并联机构 串联连接沿笛卡儿并联连接,不沿固 设计思想坐标系运动,切削等负定的坐标系运动,切 削等负荷大致均匀荷不均匀分担 分布 低,弹性相互叠加,构高,刚性相互叠 剐度件承受拉,压力及弯矩,加.构件只承受拉, 扭矩压力 各个轴的误差相互各个轴的误差形误差传递 叠加成平均值 随着机床尺寸的增加即使大型机床,也动态性能 而变化能保持良好 求运动学正确简单.求运动学反解简运动学性能 一 般不需要坐标变换单,需要坐标变换 质量大,工件,工作台质量小,通常工运动部件 通常运动作,工作台不运动 紧密耦合且非运动耦合只有少量耦合 线性 复杂,只能作为一 简单,各轴分别控制,个完整系统加以控 控制按笛卡儿坐标位置,速制,按笛卡儿坐标位 度 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 和反馈简单置.速度检测和反馈 较复杂 复杂.只有少量调节与校正相对简单且较成熟 试验 工作空间 与机床所占大小 空间之比 制造和制造简单,成本 成本制造复杂.成本昂贵低廉 由上表可见,虚拟轴机床也存在一些如机床 控制较复杂,机床的工作空间相对于机床所占场 地较小等缺点.虚拟轴机床尚未全面占优.为 此,应该看到这两种机床之间不是相互替代的关 系,而是对偶,互补的关系.虚拟轴机床可以在传 统机床所不能涉足的领域(如复杂型腔,三维叶 轮等空间曲面的加工)大显身手. 2虚拟轴机床的发展概况 虚拟轴机床的发展历史起源于19世纪末. MaxwellCJ和MannheimA于189o一1894年进行 了空间机构理论研究.在上述两人的基础上,1956 年AhmannFG设计了一种一个自由度的空间并 联机构,用于在一种特定的导轨上移动物品. 1956年CoughVE设计了一种6个自由度并 8机电一体化Mechatronics2005年第3期 联机构专用于轮胎检测,该机构首次模拟"六足 虫"结构. 1965年StewartD采用.6个自由度的并联机 构开发了飞行模拟器,如图1所示,并于1966年 发表了有关此模拟器的 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 .该论文奠定了 StewartD在空间并联机构中的鼻祖地位,相应的 平台机构也命名为Stewart平台. 图1Stewart的行模拟器 1979年PhamDT和CallionHM将Stewart平 台应用于机器人取得成功.1989年3个自由度的 并联机构——DELTA机构诞生,其动平台总是平 行于静平台.1990年可实现三维空间任意位姿定 位的6个自由度空间并联机构——HEXA机构诞 生.1993年美国德州自动化与机器人研究院研制 出可完成铣,磨,钻,镗,抛光和高能束等多种加工 的并联加工机械手.由美国Giddings&Lewis公司 费时6年研制成功的VARIAX(意为"变异型")加 工中心(见图2)首次在1994年的美国芝加哥国际 机床博览会(IMIS'94)上亮相受到举世瞩目. 图2VARIAX机床外观图 随后,日本,德国,俄罗斯,瑞士,意大利等工 业强国的研究机构,高等学校和企业纷纷加快研 制步伐,结构创新和理论研究成果大量涌现,并开 发出了许多不同形式的虚拟轴机床样机. 1.六杆伸缩式虚拟轴机床 此类机床的主轴组件由6条可伸缩的杆来支 承,通过调整各伸缩杆的长度,使机床主轴在其工 作范围内即可作直线运动或摆动运动.六杆机床 具有6个自由度的运动,虽然具体结构有所差别, 但原理基本一致,每条伸缩杆可采用滚珠丝杆驱 动或直线电动机驱动.由于每根杆只是受轴向 力,所以结构刚度高,可以降低其质量,适用于高 速运动.机床主轴的每一个位移都需通过6条伸 缩杆的独立运动来组合,必须保证每条伸缩杆在 运动结束时,能同时达到预定的位置.图3是六 杆伸缩式虚拟轴机床原理图. 图3六杆伸缩式虚拟轴机床原理图 图4六杆伸缩式虚拟轴机床(高速铣削) 图4为德国MikromatGmbH公司生产的数控 高速铣削加工中心Hexapod.它是典型的六杆伸 缩式虚拟轴机床.Y,z方向行程630mm,A轴 ?30.,C轴?15.,进给速度30m/min,主轴转速 30000r/min.图5所示为美国Ingersoll铣床公司 开发的HOH---600型卧式虚拟轴机床.图6所示 为日本丰田工机公司,丰田汽车公司和丰田中央 研究所联合开发的并行连杆型机床.图7所示为 俄罗斯Lapik公司研制的TM系列加工中心. 2.六杆等长虚拟轴机床 六杆等长虚拟轴机床与六杆伸缩式虚拟轴机 虚拟轴机床——.21世纪数控加工设备9 图5HOH--600型卧式虚拟轴机床 图6日本丰田公司开发的虚拟轴机床 图7俄罗斯Lapik公司的TM系列加工中心 床的差别,在于它的6条杆的长度是固定不变的. 6条杆在垂直导轨上作直线运动以实现主轴的6 个自由度的运动.这种机床结构紧凑,刚性较大, 部件种类很少,易于实现大批量生产,可降低机床 制造费用.图8所示为德国斯图加特(stuttgart) 大学研制的六杆等长虚拟轴机床. 3.三杆五轴虚拟轴机床 图9所示为德国汉诺威(Hannover)大学研制 的虚拟轴机床,该机床只有3条支承杆,每条支承 杆在一个倾斜的直线导轨上运动.3个直线运动 再加上主轴的两个旋转运动,便构成了5个自由 度的运动.该机床结构十分紧凑.由于把直线运 动和旋转运动进行了巧妙地组合.此外.在相同 的机床空间下,能获得比其他机床更大的工作空 间.瑞典Smttrieept公司已开始生产Trieept系列 的三杆五轴虚拟轴机床,如图l0所示. 图9汉诺威大学研制的虚拟轴机床 图1O瑞典Smttricept公司生产的虚拟轴机床 图3斯图加特大学研制的六杆等长虚拟轴机床 10机电一体化Mechatronics.2005年第3期 4.并联四杆虚拟轴机床 图11所示为德国亚琛(Aachen)工业大 学开发的另一种采用并联结构的机床.该 机床有两个用直线电机驱动的伸缩杆和两 个随动的折叠杆.改变两伸缩杆长度便可实 现主轴在一Y平面内的运动.将主轴装在一 个由直线电机驱动的z向滑台上以实现z向 运动.由于把z向运动部件的质量减少到最 低的程度,因而可大幅度地提高z向的进给 速度. 图ll德国亚琛工业大学研制的并联四杆虚拟轴机床 5.六滑台虚拟轴机床 瑞士机床和制造研究所(IWF)研制的一种新 型虚拟轴机床,称为六滑台(Hexaglide).其工作 原理和机床如图12所示. 图12瑞士IWF研究的六滑台虚拟轴机床 图13所示为德国斯图加特大学研制的另一 种结构的六滑台虚拟轴机床.其3对滑台分别位 于工件的左,右和上方,下方则为工作区.该机床 大大改善了机床工件的可接近性,工件空间对机 床空间之比较大.六杆长度相同,特别适合于长 工件的加工. 6.串并联虚拟轴机床 图14,图15所示为英国Geodetic公司开发的 串,并联机构混合使用的EvolutionG系列虚拟轴 机床,并在EMO97上展出. 在国外,与虚拟轴机床相关的专用功能部件, 如球铰,虎克铰,导轨,滚珠丝杠,控制器等的研究 及开发也在迅速崛起. 在我国,虚拟轴机床的研究和开发列入了国 家"九五"攻关 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 和"863高技术发展计划". 1998年,清华大学和天津大学联合开发了我国第 一 台Stewart机床原型样机VAMTLY(见图16). 在1999年中国国际机床展览会(CIMT'99)上,哈 尔滨工业大学展出了BJ一1虚拟轴机床,天津大 学和天津第一机床厂联合展出了3一HSS虚拟轴 机床. 哈尔滨工业大学开发了六轴并联机床.目 虚拟轴机床——21世纪数控加工设备11 图l3斯图加特大学研制的虚拟轴机床 图l4英国Geodetic公司G系列虚拟轴机床 图15并联结构的杆系和串联结构的主轴头 前,用这台机床已成功加工出汽轮机的叶片和模 具等复杂曲面零件. 清华大学与江东机床厂合作开发龙门虚拟轴 图16VAMTLY型虚拟轴机床 (并,串联混合式)四轴联动机床. 此外,国内还有多家高等学校,科研院所在进 行虚拟轴机床的设计理论,控制技术,样机制造等 关键技术的研究. 3虚拟轴机床的关键技术 虚拟轴机床是机器人技术与机床技术相结合 的产物,涉及到许多现代设计,制造,控制,测量, 建模,仿真等高新技术.虚拟轴机床技术的关键 技术有以下几个方面. 1.虚拟轴机床的设计技术 包括虚拟轴机床的运动分析,力学分析和由 6个伸缩杆的长度决定动平台位姿的理论及特例 等.它们涉及到机器人学,机构学,运动学,力学, 数学等多个领域. 2.虚拟轴机床的控制技术 包括虚拟轴机床的控制 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ,控制精度,数控 编程,故障自诊断,安全运行保障,生产线总控等 方面,其关键技术是通过对虚拟轴机床实轴(各 驱动杆)的控制,实现虚拟轴(传统概念的x,y,z 轴)的联动控制. 3.虚拟轴机床的误差分析技术 虚拟轴机床虽比传统机床具有更高的精度, 但仍有影响加工精度的因素,为此需要专门的误 差分析,校准,调节方法. 4.虚拟轴机床的制造技术 包括模块化技术, 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化技术,数字式交流伺 服控制系统,精确定位的机电技术等. 4虚拟轴机床的发展趋势 虚拟轴机床自1994年问世以来,虚拟轴机床 获得了突飞猛进的发展.虚拟轴机床目前有如下 几方面的发展趋势. 发展多样化结构的虚拟轴机床 1. 机电一体化Mechatronics2005年第3期 虚拟轴机床的原型为Stewart平台,但目前世 界工业强国争相发展多样化结构的虚拟轴机床. 这主要体现在6条腿与动平台的连接方式,6条 腿的驱动方式,6条腿的运动方式等方面,如多数 虚拟轴机床采用滚珠丝杠副及伺服电机驱动,而 英国Geodetic公司则采用滚珠螺母回转来驱动, 俄罗斯的则采用液压或摩擦驱动.这主要与各开 发公司的技术特长有关. 2.发展具有3个自由度的三杆机构的虚拟 轴机床 随着虚拟轴机床技术的进步,出现了一系列 虚拟轴机床的变形机构,其中以具有3个自由度 的三杆机构最为突出.比较典型的有:瑞典 NEOS机器人公司研制的Tricept系列三杆机器人 (见图17和图18);天津大学与天津第一机床厂 联合研制的3一HSS虚拟轴机床等等. 3.积极发展与虚拟轴机床配套的功能部件 目前,与虚拟轴机床配套的功能部件已相继 问世.如虚拟轴机床专用的球面支承,万向联结 器,伸缩杆,六轴精密定位系统等关键部件都有专 门的生产厂制造生产.如果这些功能部件尺寸规 格齐全,那么,制造一台虚拟轴机床本体则只需要 自制框架和工作台了. 5虚拟轴机床的应用前景 随着虚拟轴机床的飞速发展,它的优越性和 可能的应用前景已为越来越多的人们所重视.虚 拟轴机床在一定范围内可实现多坐标数控加工, 特别适合于复杂型腔,三元叶轮,叶片及异形零件 等三维空间曲面的加工,具有广阔的应用前景. 目前,国外虚拟轴机床技术除了在机械加工 图17瑞典NEOS公司的Tricept 系列3杆机器人 图18用5台Tricept系列组成的单兀 对轿车保险杠进行钻孔和铣削 领域中应用外,还在下面几个方面得到了成功的 应用. 1.六轴精密定位系统 图19是德国PhysikInstrumente(PI)公司开 图19Pl公司的精密运动平台及三维CAD软件 虚拟轴机床——2l世纪数控加工设备 发的M850型6条腿精密运动平台.其,y轴 重复定位精度为?2m,Z轴为?1tzm,A,,C 轴为4-2arcsec,已应用于航天飞机与空间站的 对接,高精度望远镜镜面平台的定位,微波天线 试验台及光学机构的定位,精密加工的刀具控 制等场合. 2.三坐标测量机(CMM) 图20所示是美国佛罗里达大学研制的并联 测量机.它采用六轴可伸缩杆结构,可灵活地进 行高精度,高速的测量. 图2o三坐标测量机 图2l意大利COMAU公司研制的机器人 3.机器人 图21所示为意大利COMAU公司研制的基 于并联机构的3条腿机器人TriceptHP1.具有6 可最大承受15000N的外力,抓取60kg 个自由度, 的工件,可应用于焊接,装配和搬运. 图22所示为国外厂商所设想到的3种应用 前景. 图22三种应用前景设想 6结束语 当前,国际上对于机电产品的发展有一个总 趋势,即将硬件(包括机械部件)的复杂性向软件 (包括计算机系统和应用软件)转移,从而得到构 造简单而技术含量高的智能机电产品.虚拟轴机 床的发展正符合这一总趋势.可以预见,随着虚 拟轴机床的13益成熟和应用范围的扩大,从而会 在某些领域内成为传统机床的有力补充,这是肯 定无疑的. 参考文献 李迎.虚拟轴机床的应用研究与发展趋势.机械设计与制造 工程,1999,28(3) 杨向东.虚拟轴机床研究开发.中国机械工程,l998,9(11) 汪劲松.VAMTLY虚拟轴机床.制造技术与机床,~998(2) 颜永年.先进制造技术.北京:化学工业出版社,2O02 朱晓春.先进制造技术.北京:机械工业出版社,2OO4