多軸機床運動學建模原理探究與運用

1、多軸機床運動學建模原理探究與運用第1章緒論1.1研究背景及意義自動編程的前置處理部分按照規(guī)劃的工藝生成包含工件坐標系下刀具位置和姿態(tài)等信息的刀位文件，后置處理的主要任務是代碼編譯和機床各軸運動量求解。機床的運動學模型是實現(xiàn)機床運動求解和控制的基礎。同時在機床的進給速度控制、加工精度控制、機床幾何誤差補償?shù)确矫娑家褂脵C床的運動學模型。五軸機床一般是在三個平動軸的基礎上增加兩個轉(zhuǎn)動軸，因此與三軸機床相比，雖然五軸聯(lián)動加工可以提供豐富的刀具路徑規(guī)劃策略，但五軸機床的運動變得復雜，機床坐標系下無法直觀想象刀具相對于工件的運動。同時轉(zhuǎn)動軸和平動軸有多種布置方式，所以五軸機床的結(jié)構也變得多樣。因此尋求一

2、種具有通用性、可移植性及程式化的五軸機床運動學建模方法 并能夠應用到機床的設計、分析、裝配、控制及制造等過程中，對五軸機床的幵發(fā)研究具有重要的現(xiàn)實意義及應用價值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1五軸機床運動學建模的研究五軸機床運動學模型給出了機床各個運動軸的運動量與刀具坐標系和工件坐標系下的刀具 位置和姿態(tài)表達的關系。在此基礎上可以進行后置處理、進給速度控制等工作。國內(nèi)外學者主要從以下角度出發(fā)來描述機床運動學建模過程和方法：機構學、機器人學、多體系統(tǒng)。五軸機床也可看作一個空間機構，可以采用機構學來描述五軸機床的運動學模型。Takeuchi3,Lee4,She567,彭芳瑜8,鄭躍默9,李永橋等學

3、者從機構學角度出發(fā)，或者針對具體結(jié)構的五軸機床，或者針對結(jié)構相似的一類五軸機床這種分類處理的方式，利用齊次坐標變換矩陣表示機床各軸運動，在此基礎上建立機床的運動學模型。何耀雄等11采用機構學方法對機床的型和結(jié)構參數(shù)進行了分析和表達，給出了任意結(jié)構機床（串聯(lián)形式）的機構模型綜合表達式，結(jié)合坐標變換得到了任意結(jié)構機床的運動模型表達式。但是機床的機 構模型將機床機構分為兩條運動鏈，這就導致建模過程需要區(qū)分兩條運動鏈的型數(shù)目。同時以上研究均假定機床機構的所有的坐標系均與機床坐標系平行，增加了表示非正交形式運動軸的幾何誤差等固有誤差的難度。1.2.2五軸機床后置處理及轉(zhuǎn)角求解的研究后置處理作為自動編程的

4、一部分，是連接計算機輔助制造(CAM)系統(tǒng)和數(shù)控(CNC)系統(tǒng)的橋梁。如前所述,其主要任務是將前置刀位文件轉(zhuǎn)化為數(shù)控程序，涉及代碼編譯和各軸運動量計算。五軸機床后置處理中還可以集成進給速度控制、非線性誤差控制及精度控制等算法 19_2122。由于各類CAD/CAM軟件前置刀位文件格式不統(tǒng)一、機床結(jié)構形式及數(shù)控系統(tǒng)種類繁多，因此截至目前尚未有針對任意機床的后置處理器。國內(nèi)外企業(yè)和學者針對后置處理(器)做了大量的研究和開發(fā)，已經(jīng)形成較為完善的體系。國外一些大型CAD/CAM軟件廠商在其CAM系統(tǒng)中提供了后置處理模塊，用戶可以通過交互式 的方式針對指定類型的機床和數(shù)控系統(tǒng)進行設置，后置處理器根據(jù)設置

5、來生成機床的數(shù)控程序，如 UG 的 Post Builder，PRO/E 的 NCPOST 及 MasterCAM 的 pst 等。還有一些 CAD/CAM 軟件捆綁了專業(yè)后置處理軟件，如Cimatron采用了 ImsPost, CATIA可以釆用ImsPost或者 Cnet等。除此之外還有獨立的后置處理系統(tǒng)，如加拿大的Cam-Post,可以支持較多的機床和數(shù)控系統(tǒng)，用戶可以通過二次幵發(fā)修改其提供的機床數(shù)據(jù)庫模版以完成后置處理2324f2526。以上這些軟件可以對常見的五軸機床進行后置處理。國內(nèi)針對機床的后 置處理研究及開發(fā)，主要分為專用性和通用性兩類。前者是指針對具體的機床和數(shù)控系統(tǒng)，使用高

6、級編程語言開發(fā)滿足實際需要的后置處理器27282939。這種方式高效靈活，可以較為便捷地實現(xiàn)新的算法和功能。對于通用的后置處理系統(tǒng)，其要求輸入標準格式的刀位文件,結(jié)合機床及數(shù)控系統(tǒng)特性文件，輸出符合要求的數(shù)控程序。華中科技大學的HUSTCADM系統(tǒng)31及南京航空航天大學的超人CAD/CAM系統(tǒng)32是典型的代表，具有了較好的通用性和可靠性，但是均未能走向商業(yè)化。第2章基于多體系統(tǒng)的五軸機床運動學通用建模2.1基于工件坐標系的五軸機床分類從剛體運動學的角度分析，刀具作為一個剛體，相對于工件具有六個自由度。但是在加工過程 中,主軸帶動刀具旋轉(zhuǎn)，因此刀具作為回轉(zhuǎn)體，通過其旋轉(zhuǎn)軸線上的一點及旋轉(zhuǎn)軸線矢量

7、即可 確定刀具相對于工件的位置。又根據(jù)空間任意矢量可以通過已知矢量至多繞兩個坐標軸旋轉(zhuǎn) 得到,因此加工任意構型的零件，理論上刀具相對于工件至少需要五個獨立的自由度。因為獨 立的平動數(shù)目最多為三個，因此五軸機床可以有如下四種組合:(1)三個平動加兩個轉(zhuǎn)動;(2)兩個平動加三個轉(zhuǎn)動;(3)個平動加四個轉(zhuǎn)動；(4)五個轉(zhuǎn)動。但是考慮到機床的結(jié)構、剛度、 用途等因素，目前通用的五軸機床以三個平動加兩個轉(zhuǎn)動類型為主43。本文的研究對象即為這種類型的五軸機床。由于機床配置各異，任意選取和定義坐標系會給編程、數(shù)控系統(tǒng)的控制帶來不便，因此需要統(tǒng)一規(guī)定機床坐標軸名稱及運動的正負方向，這樣可使數(shù)控編程簡單方便，并

8、使所編程序?qū)ν活愋蜋C床具有互換性。我國現(xiàn)行的JB3051-99數(shù)控機床的坐標和運動方向的命名標準給了詳細的規(guī)定。從編制數(shù)控加工程序到機床上實際加工，五軸機床上主要涉及如下坐標系第3章基于運動學通用模型的五軸機床后置處理運動學通用方程及求解163.1五軸機床后置處理運動學通用方程 163.2無限旋轉(zhuǎn)C轉(zhuǎn)工作臺結(jié)構的五軸機床后置轉(zhuǎn)角求解 263.3后置轉(zhuǎn)角求解方法的實現(xiàn)及驗證 303.4本章小結(jié)32第4章基于運動學通用模型的五軸機床工作空間分析 334.1基于工件坐標系的五軸機床工作空間描述 334.2五軸機床工作空間分析流程與仿真 334.3本章小結(jié)40第5章基于運動學通用模型的五軸機床聯(lián)動加

9、工超程分析 415.1聯(lián)動加工超程現(xiàn)象415.2聯(lián)動加工超程原因 435.3聯(lián)動加工超程計算與判斷 455.4聯(lián)動加工超程的避免 485.5本章小結(jié)49結(jié)論本文針對五軸機床運動學通用模型的建立及其應用展開研究，主要研究內(nèi)容與成果如下：(1) 建立了基于多體系統(tǒng)的五軸機床運動學通用模型基于工件坐標系對三種基本類型的五軸機床進行了統(tǒng)一分類，推導了相對于矢量運動的齊次坐標變換矩陣。選擇工件為參考體對五軸機床的結(jié)構進行了描述,并利用參數(shù)組合(戊a, p, y,r, l,的統(tǒng)一確定相鄰兩體的齊次坐標變換矩陣，最終建立了五軸機床運動學通用模型。(2) 提出了無限旋轉(zhuǎn) C轉(zhuǎn)工作臺結(jié)構的五軸機床改進的后置轉(zhuǎn)角

10、求解方法根據(jù)五軸機床運動學通用模型，以3種正交結(jié)構的五軸機床為例推導了這3種機床的運動學通用方程。在此基礎上，針對現(xiàn)有C轉(zhuǎn)工作臺結(jié)構的五軸機床后置處理轉(zhuǎn)角求解中存在的不 足,研究四類含C轉(zhuǎn)工作臺正交結(jié)構的五軸機床，并以C'-A'結(jié)構機床為例，給出了改進的轉(zhuǎn)角計算的方法和求解流程，利用VC6.0幵發(fā)了集成新的方法的專用后置處理程序。通過對比生 成的代碼和進行仿真加工試驗，說明了本文所提方法的可行性和有效性。(3) 分析了基于工件坐標系的機床工作空間將機器人學中常用的工作空間應用到五軸機床中，定義和描述了基于工件坐標系的五軸機床工作空間：刀具位置和姿態(tài)的集合。給出了采用蒙特卡洛法進

11、行機床工作空間分析的流程。利用運動學通用模型推導了兩種五軸機床的運動學等式，并使用MATLAB軟件得到了機床工作空間的仿真結(jié)果。通過分析，確定了五軸機床工作空間形狀和位置的影響因素：刀具長度及工件的安裝位置。(4) 對聯(lián)動加工超程進行了定性分析和定量計算使用機床運動學通用模型定性分析了聯(lián)動加工超程原因：插補控制點超出機床工作空間，給出了聯(lián)動加工超程判斷與計算的方法。得出了每行數(shù)控代碼對應的刀具位置和姿態(tài)均在機床的工作空間不是加工可以進行的充要條件，只是其必要條件的結(jié)論。(5) 基于運動學通用模型建立了五軸機床幾何誤差模型在五軸機床運動學理想通用模型的基礎上，引入影響機床加工精度的誤差，推導了相

12、鄰體的實際任意坐標變換，建立了機床的幾何誤差模型。以DMU 100T機床為例建立了該機床的幾何誤差模型。實際加工的測量結(jié)果說明了補償了幾何誤差的機床加工精度得到了一定的提高 同時在一定程度上驗證了基于運動學通用模型的機床幾何誤差建模的正確性。參考文獻：1 周濟,周艷紅數(shù)控加工技術M.北京：國防工業(yè)出版社，2002.2 胡澤華.高性能五軸聯(lián)動數(shù)控關鍵技術研究D.廣東工業(yè)大學碩士論文，2012,6.3 Y. Takeuchi，T. Wata nabe. Gen eration of 5-axis Con trol Collisio n-free Tool PathandPostprocessing

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