航空航天自動(dòng)化之鑰匙_并聯(lián)機(jī)床應(yīng)用于航空加工領(lǐng)域

1、航空航天自動(dòng)化之鑰匙, 2007-05-29卡爾-埃里克 ·紐曼 瑞典 艾克斯康公司摘要眾所周知有 50多臺(tái)并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床 (PKM 用于航空航天行業(yè)的自動(dòng)化領(lǐng)域。 其未解決的技術(shù)問題, 阻礙了這種技術(shù)進(jìn)入更多的航空航天加工領(lǐng)域,這也是對(duì)所有并聯(lián)機(jī)床非常主要的障礙,即關(guān)節(jié)問題。 帶關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且難于進(jìn)行高剛性、 成本合適的無間隙加工, 這也就是為什么艾克斯康開發(fā)了一個(gè) 全新的并聯(lián)運(yùn)動(dòng)概念,稱之為艾克斯康,以滿足航空航天和汽車工業(yè)對(duì)靈活加工技術(shù)的需求。什么是并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床(PKM ?關(guān)節(jié)臂機(jī)器人20世紀(jì) 70年代初開發(fā)出了第一批電氣機(jī)器人,這種機(jī)器人技術(shù)是要應(yīng)用于一些極其單調(diào)和危險(xiǎn)的 工作

2、領(lǐng)域來替代人體勞動(dòng),如點(diǎn)焊、電弧焊和其他焊接處理等工作。最初設(shè)計(jì)的目標(biāo)是制造大工作范圍 的、靈活性高的機(jī)器人,以適應(yīng)某些有爭(zhēng)議應(yīng)用領(lǐng)域里精度和剛性要求不高的特點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo), 這種技術(shù)應(yīng)用了所謂的串聯(lián)技術(shù),也就是一個(gè)軸連著一個(gè)軸。這種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是,這種機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠向 各方向運(yùn)動(dòng),達(dá)到要求的靈活性和工作區(qū)域,但精度和剛性差。 傳統(tǒng)機(jī)床眾所周知,工業(yè)行業(yè)中使用的 CNC 機(jī)床對(duì)精度和剛性要求高并要有很好的清屑能力,只有這樣才 能夠加工出某些行業(yè)要求的微米級(jí)精度的部件。然而人們通常都沒意識(shí)到,市場(chǎng)上所有傳統(tǒng)機(jī)床也都是 應(yīng)用了類似機(jī)器人這樣的串聯(lián)技術(shù),所以也都會(huì)隨之產(chǎn)生精度和剛性方面的缺陷。于是為

3、了補(bǔ)償這種技 術(shù) “ 不足 ” ,機(jī)床生產(chǎn)商不得不把機(jī)床設(shè)計(jì)成寬床面的整體結(jié)構(gòu)來確保串聯(lián)結(jié)構(gòu)即使在末端連接處也能保 持很好的精度和剛性。 但是也正是這種整體結(jié)構(gòu)和寬大的床面又抵消了作為機(jī)器人來說很重要的靈活性。運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)床機(jī)床制造行業(yè)的研發(fā)者們一直夢(mèng)想著把機(jī)器人靈活性好、工作區(qū)域大與傳統(tǒng)機(jī)床精度、剛性高的優(yōu) 點(diǎn)結(jié)合在一起。所以在過去的 20年里人們一直著眼于運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)床(稱為 PKM 的開發(fā)。這種技術(shù)是 指是通過 3個(gè)或 3個(gè)以上平行的軸實(shí)現(xiàn) X,Y 和 Z 軸的運(yùn)動(dòng),這種結(jié)構(gòu)的剛性、精度十分顯著,而且還能 保證結(jié)構(gòu)的靈活性和工作區(qū)域。第一臺(tái)實(shí)際上證明這種技術(shù)的機(jī)床名為 Tricept ,是由

4、卡爾 -埃里克 ·紐曼 先生研發(fā)的并聯(lián)機(jī)床, 1994年就已投入實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中。 為何選并聯(lián)機(jī)床?敏捷加工傳統(tǒng) 3軸加工常遇到工件坐標(biāo)系的參照點(diǎn)不是在工件內(nèi)部就是與工件的中心線不一致的問題,因此 使工件與機(jī)床坐標(biāo)系對(duì)齊是一項(xiàng)耗時(shí)又耗錢的工作。傳統(tǒng)機(jī)床對(duì)此的解決方案是使用非常昂貴且不靈活 的伺服控制夾具,或通過使用高級(jí)的脫機(jī)測(cè)量設(shè)備手工調(diào)整每個(gè)工件。并聯(lián)機(jī)床可以輕松地使用激光或傳統(tǒng)測(cè)頭并結(jié)合 5軸機(jī)床極高的加速度和快速運(yùn)動(dòng)的性能,在加工 前能夠在幾秒鐘內(nèi)飛快地測(cè)完工件,測(cè)完需要分析的所有指數(shù),相應(yīng)地調(diào)整相關(guān)程序數(shù)據(jù)。舉一實(shí)例來 說,機(jī)翼剖面上的零件是不一致的,需要在加工前單獨(dú)測(cè)、計(jì)算、

5、再放回機(jī)床坐標(biāo)系,而所有這些工作 只用幾秒鐘。 敏捷加工一次裝夾加工傳統(tǒng) 3軸加工的另外一個(gè)問題是加工工件的所有 6個(gè)面,至少需要 2個(gè)夾具,有時(shí)用 3個(gè)夾具。這 種加工技術(shù)要求多次工件裝夾,這會(huì)造成很多的問題諸如:不斷給工件換夾具致使公差累加,相應(yīng)出現(xiàn) 了 Cpk 問題,而且設(shè)計(jì)制造幾個(gè)不同夾具的成本亦不菲。并聯(lián)機(jī)床可以讓主軸始終真正地指向一點(diǎn)向后退刀,這種獨(dú)特的性能使得并聯(lián)機(jī)床從理論上能夠在 一次裝夾內(nèi)便可加工工件的所有面。如果此技術(shù)再用上述測(cè)頭的話,就可以使用低成本的夾具,無需重 復(fù)性或固定精度,只要穩(wěn)定性和剛性好就行。那么公差累加的所有問題也隨之消失,工件的 Cpk 值也會(huì) 增加。3一

6、次裝夾加工復(fù)合角度加工由于飛機(jī)和汽車設(shè)計(jì)的越來越高級(jí), 隨之對(duì)復(fù)合角度和圓插補(bǔ)的復(fù)雜加工需求也與日俱增。 要用傳 統(tǒng)的龍門型機(jī)床做這類加工,它是隨身帶著很大的重量在加工,由于 5個(gè)笨重的軸需要不斷再定位,通 常出現(xiàn)路徑跟隨問題及 /或生產(chǎn)率問題。對(duì)于并聯(lián)機(jī)床來說其高度的動(dòng)態(tài)性平面或是與復(fù)合角度面對(duì)它來說都是一樣的,因此它十分適于未 來汽車制造期望的所有復(fù)雜加工。而且不難想象飛機(jī)、火車或建筑機(jī)械上的部件要求更先進(jìn)的加工,卻 是現(xiàn)今傳統(tǒng)機(jī)床無法做到的,但只用并聯(lián)機(jī)床就可以實(shí)現(xiàn)。 復(fù)合角度加工多重路徑混合及消除拖刀3軸傳統(tǒng)加工中一個(gè)老問題就是加工完美的純平表面。采用多重路徑加工,可這要求機(jī)床的剛性和

7、 精度非常好,即使條件滿足,實(shí)際上幾乎也不可能避免出現(xiàn)路徑之間的紋楞。用傳統(tǒng)機(jī)床主要有兩種途 徑來解決這個(gè)問題,一是使用運(yùn)動(dòng)軌跡可覆蓋整個(gè)表面的刀具,但需要機(jī)床馬力更大和穩(wěn)定性更好;二 是從機(jī)械方面將主軸在所謂的迎角位置上傾斜幾千度,讓所有的路徑按同一方向切削,但是耗時(shí)多。 像前面提到過的,并聯(lián)機(jī)床不管其主軸與工件表面是否垂直,很容易用一個(gè)按材料確定的迎角給并 聯(lián)機(jī)床進(jìn)行預(yù)編程,在加工表面時(shí)就讓機(jī)床用這個(gè)角度。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn),尤其是加工鈦合金且相等硬度材 料時(shí),刀具背面不接觸工件,這樣就延長(zhǎng)了刀具的使用壽命。 史 985年-埃里克 ·紐曼先生研發(fā)的第一個(gè)結(jié)構(gòu)為一個(gè)穩(wěn)心柱四圍安裝上 3個(gè)制

8、動(dòng)器的并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床 (PK 999年 器人獎(jiǎng),是工業(yè)領(lǐng)域最有威信獎(jiǎng)項(xiàng)之一,頒給了尼奧斯機(jī)器人的創(chuàng)始人和 Tricept 的發(fā)明人 卡爾2004年 10月 卡爾 -埃里克 ·紐曼和托馬斯 ·安德森成立了艾克斯康公司?！?發(fā) 展 最 場(chǎng) 所 用 ”分析現(xiàn)有的并聯(lián)機(jī)床運(yùn)動(dòng)并聯(lián)結(jié)構(gòu)從外觀來看像很多平行的 “ 手臂 “ 一端彼此相連,另一端與基座相連。這種設(shè)計(jì)就要求 IDOF 。運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)床(PKM 平行手臂的數(shù)目取決于其設(shè)計(jì)(讀專利說明 , 平行 歷 1由卡爾 M 專利問世。 1國際金機(jī) -埃里克 · 紐曼先生。這個(gè)獎(jiǎng)第一次頒發(fā)是在 1984年,頒給了福特公司的威海姆 &

9、#183;克西先生,紐曼 先生的上一屆獎(jiǎng)?lì)C給了豐田公司的 Hisanori Nakamura先生。新 的 并 聯(lián) 運(yùn) 動(dòng) 機(jī) 床 并 使 其 通 過 許 可 協(xié) 議 為 市關(guān)節(jié)點(diǎn)有 無效自由度(手臂的數(shù)量從 3-8個(gè)不等,但是不論哪種設(shè)計(jì)遵循的目標(biāo)都應(yīng)將靈活性與剛性結(jié)合在一起。因關(guān)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難于制造、剛性要好、無間隙、成本合理使其成為所有并聯(lián)機(jī)床的突出問題。這個(gè)技術(shù)問題限制了市場(chǎng)上的并聯(lián)機(jī)床數(shù)量,這也是為什么最成功的設(shè)計(jì)是那些關(guān)節(jié)點(diǎn)少、無效自由度 少的 并聯(lián)機(jī)床的設(shè)計(jì)是為做出一個(gè)可以移動(dòng)的箱體結(jié)構(gòu),從觀賞的角度來看,這樣很不錯(cuò),但是相應(yīng)產(chǎn) 度(IDOF 數(shù)量卻造成了問題。每一個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)有一個(gè)

10、以上的自由度,作用像一個(gè) 萬向 個(gè)無效自由度的還有足夠剛性和精度的 2自由度以上的關(guān)節(jié)點(diǎn)是另一個(gè)很 難的 艾克斯康的概念 并聯(lián)機(jī)床的設(shè)計(jì)概念解決了前面所有描述的并聯(lián)機(jī)床問題,并且突顯了并聯(lián)機(jī)床的所 目標(biāo),如高剛性與極好靈活性和動(dòng)態(tài)性相結(jié)合。這個(gè)新概念是:所用的下部關(guān)節(jié)點(diǎn)自由度不超過 1并聯(lián)機(jī)床的原因。 Tricept 是現(xiàn)今使用了最少的關(guān)節(jié)點(diǎn)和無效自由度的并聯(lián)機(jī)床,這也說明了 Tricept 為 什 么 在 今 天 的 并 聯(lián) 機(jī) 床 市 場(chǎng) 能 占70%的 份 額 的 原 因 。Hexapods 六軸結(jié)構(gòu)Tricepts12個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn) 30個(gè)自由度Parallelograms 平行四邊形結(jié)構(gòu)1

11、2 個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn) 24 個(gè)自由度 18 個(gè)自由度Tricept 分析生出的所需的無效自由 鉸鏈一樣,而且只能夠承擔(dān)純軸向載荷,這樣就出現(xiàn)了作用力必需另外被吸收,例如由 Tricept 的中 心管部分吸收這樣的結(jié)果。出現(xiàn)在中心管上的最大問題是這個(gè)作用力對(duì)中心管造成了撓曲和扭轉(zhuǎn)力,而處理這二力結(jié)合十分困 難。在合理的成本內(nèi)加工出多 問題。且這類設(shè)計(jì)對(duì)軸向關(guān)節(jié)點(diǎn)的剛性有負(fù)面影響,這也會(huì)嚴(yán)重地影響整體剛性。新型艾克斯康 有(1-DOF ,使用 2個(gè)剛度(1-DOS 的制動(dòng)器,同一方向的線性和彎曲性。這種設(shè)計(jì)形成的實(shí)體結(jié)構(gòu)可 以完全解決施與機(jī)床各方的撓曲和扭矩力的影響。 這里描述的艾克斯康設(shè)計(jì)實(shí)際上是構(gòu)成了

12、一個(gè)金字塔形移動(dòng)的三腳架,這個(gè)結(jié)構(gòu)是通過 3個(gè)與旋轉(zhuǎn) 相連的 2剛度制動(dòng)器, 1個(gè)自由度的關(guān)節(jié)點(diǎn)把力傳遞到上了平臺(tái),不損失任何剛性。但是由于上平臺(tái) 關(guān)節(jié) 動(dòng)學(xué) “串并聯(lián)混合傳動(dòng)的三腳架機(jī)構(gòu)” 的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換是具有并 -串聯(lián)傳動(dòng)的一個(gè) 5軸的轉(zhuǎn)換, 見圖一和圖二。 種結(jié)構(gòu)使得旋轉(zhuǎn)性對(duì)稱刀具(銑刀、激光束在加工空間內(nèi)可相對(duì)對(duì)于工件定位。其路徑和路頭 點(diǎn)角度的影響 , 只有在 2個(gè)制動(dòng)器的上關(guān)節(jié)點(diǎn)為 2自由度并且第三個(gè)制動(dòng)器的上關(guān)節(jié)點(diǎn)為 3自由度 時(shí)才可能做出下關(guān)節(jié)點(diǎn)都為 1自由度,所有制動(dòng)器為 2剛度的設(shè)計(jì)。運(yùn) 功能性這徑上 有 5軸模塊的等量運(yùn)動(dòng)圖表的速度的編程近似于 3軸轉(zhuǎn)換。刀具對(duì)準(zhǔn)是作為子程序

13、的額外參量被編程的。實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換計(jì)算的是所 的合成運(yùn)動(dòng)。因而加工程序不是機(jī)床特有的。沒有必要使用 5軸加工作業(yè)用的傳動(dòng)專用的后處理 器。刀具的長(zhǎng)度補(bǔ)償包含在加工計(jì)算中。通過在一個(gè)單獨(dú)坐標(biāo)系里的刀具 -工件 -表面方位的清晰程序存儲(chǔ)器(TOFRAME ,可以垂直地把 刀具從工件上退回的。 圖一:在 XZ 平面的運(yùn)動(dòng)圖二:在 YZ 平面的運(yùn)動(dòng)模塊的等量運(yùn)動(dòng)圖表 軸的構(gòu)造:三角形基礎(chǔ)平臺(tái)的每個(gè)角用一個(gè)萬向接頭與一個(gè)直線軸相連。這些直 角形移動(dòng)平臺(tái) 臺(tái)的位置。每一個(gè)直線軸用轉(zhuǎn)動(dòng)軸使之與移動(dòng)平臺(tái)相連。第二個(gè)直線軸有一個(gè)額外的自由 度,也 聯(lián),另外兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸是與其串聯(lián)連接的。那么這個(gè)機(jī)器有 3個(gè)空線軸決定了三

14、 相對(duì)于基礎(chǔ)平 就是繞著直線軸的方向旋轉(zhuǎn)。與移動(dòng)平臺(tái)相連的是一個(gè)旋轉(zhuǎn)接頭和一個(gè)回轉(zhuǎn)接頭。兩種接頭都是用于在空間中定位主軸的。 關(guān)于頭三個(gè) 3軸的運(yùn)動(dòng)連接是并間自由 我們用小寫字母表示尺寸量如長(zhǎng)度,大寫字母表示空間點(diǎn),粗體字母表示方向矢量。下面的下筆 1到 3。內(nèi)部坐標(biāo)系 系就是軸 4與軸 5到軸 4垂線的交點(diǎn)。 (外接頭的萬向接頭的轉(zhuǎn)動(dòng)軸。 處的交點(diǎn)。 A1和 A2間的距離。和 w2間的角度。 相配。 。軸處 vi 和 wi 間垂線交點(diǎn)。按照要求從萬向接點(diǎn)外接頭到內(nèi),所以這個(gè)點(diǎn)是唯一的。H 方向和軸 5的刀具尺寸。 位長(zhǎng)度。 用領(lǐng)域 轉(zhuǎn)換 -“串并聯(lián)混合傳動(dòng)的三腳架機(jī)構(gòu)”有 3個(gè)空間自由度和

15、2個(gè)方向自由度,這種結(jié)構(gòu)使得 轉(zhuǎn)性對(duì)稱刀具(銑刀、激光束在加工空間內(nèi)可相對(duì)對(duì)于工件定位。把這種獲得的信息轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際 機(jī)床 度和 2個(gè)方向自由度。 符號(hào)表 i 從 BCS 基礎(chǔ)坐標(biāo)系 ICS MPS 移動(dòng)平臺(tái)坐標(biāo) OICS 基礎(chǔ)平臺(tái)原點(diǎn) OMPS 移動(dòng)平臺(tái)原點(diǎn),也 ui 固定于基礎(chǔ)平臺(tái) vi 固定于直線軸(內(nèi)接頭的萬向接頭的轉(zhuǎn)動(dòng)軸。 di 萬向接頭兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸之間的距離。 e 垂直于軸 2和 v2的偏移量 f 平行于 v2的偏移量Ai 萬向接頭的軸之間在外接頭 在內(nèi)坐標(biāo)系 X 方向上 第二直線軸與其縱向間的角度,也就是 v2qi vi和 wi 間的垂線長(zhǎng)度。這與相應(yīng)直線軸的值 q4 第四轉(zhuǎn)動(dòng)軸的角

16、度。 q5 第五轉(zhuǎn)動(dòng)軸的角度。 wi 在移動(dòng)平臺(tái)處的轉(zhuǎn)動(dòng)軸 Bi 在移動(dòng)平臺(tái)附近的轉(zhuǎn)動(dòng) 接頭的垂足是在那條垂線上 r 第四軸對(duì)于移動(dòng)平臺(tái)的方向矢量。觸點(diǎn),就是軸 5和穿過 OMPS 的垂線之間的交點(diǎn)。 c OMPS和 H 之間的距離 tool 刀具方向t1 沿軸 5的刀具尺寸。t2 垂直于刀具 t3 沿刀具方向的尺寸。不失普遍性,所有的方向矢量應(yīng)為單應(yīng)OEM 旋 總在直角坐標(biāo)系(WCS 內(nèi)給工件編程 , 而任何編好的或設(shè)定好的坐標(biāo)系框架的旋轉(zhuǎn)和平移都是相 對(duì)于,也是直角坐標(biāo)系的,基礎(chǔ)坐標(biāo)系(BCS 而進(jìn)行的。然后運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換 軸的運(yùn)動(dòng)命令。運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換需要機(jī)床構(gòu)造(運(yùn)動(dòng)學(xué)的信息,這些信息存儲(chǔ)在機(jī)床數(shù)據(jù)

17、中。應(yīng)用 梁第一例在航空航天領(lǐng)域使用并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床機(jī)器人技術(shù)是在 1995年,用 Tricept 600型系列號(hào) 5的機(jī) 橫梁。加工橫 床加工小型 在航空航天使用并聯(lián)機(jī)床 CNC 技術(shù)的第一例應(yīng)用是在 1999年, 用 Tricept 800型系列號(hào) 1的機(jī)床加 工大型橫梁,見下圖艾克斯康技術(shù)類型的第一例探討的應(yīng)用是加工結(jié)合了其它類型部件的大型橫梁工件,見下圖。 結(jié)構(gòu)加工 & 裝配在航空航天領(lǐng)域里最著名的用于加工和裝配的并聯(lián)機(jī)床系統(tǒng)來自于西班牙的 Loxin 公司, 此系統(tǒng)包 列機(jī)床, 臥式安裝在翼型或框體夾具兩側(cè), 每側(cè) 2臺(tái), 見下圖。 臥式安裝可以讓 Tricept 在沿 含 4臺(tái)

18、 Tricept 800系 著平行于夾具的導(dǎo)軌上移動(dòng), 某些情況下 Tricept 機(jī)床也能安裝在 z-軸方向上。 這樣機(jī)床能夠上下運(yùn) 動(dòng),能加工比機(jī)床實(shí)際工作范圍要高的翼型或框體工件。以上所說系統(tǒng)在這類應(yīng)用領(lǐng)域使用的非常成功,至今已安裝了 30多臺(tái)機(jī)床。 航天航空領(lǐng)域探討的圍繞新艾克斯康技術(shù)的最新應(yīng)用是使用 2臺(tái)或更多臺(tái)的大型 X700型機(jī)床,分 別安裝在 Z 軸方向上用于上下運(yùn)動(dòng), 整體加工單元在平行于夾具的導(dǎo)軌上移動(dòng) (見下圖 。 今天人們鉆研 著這些系統(tǒng)并結(jié)合之前提到過的敏捷加工、復(fù)合角度加工、一次裝夾及多種混合路徑的能力,以適用于 所需高動(dòng)態(tài)性、大工作范圍的多種加工和裝配作業(yè)。 自動(dòng)

19、化及人工裝配的結(jié)合另外一種可能性是雙面裝配,機(jī)床安裝在兩個(gè)夾具之間,一面是自動(dòng)化裝配的同時(shí)另一面可以安全 地進(jìn)行人工裝配。這是應(yīng)一家需要將自動(dòng)和人工裝配混合的航空航天制造商的需求,目前這類系統(tǒng)正在 討論中。主動(dòng)測(cè)量補(bǔ)償 AMC 我們一直處于從事并聯(lián)機(jī)床開發(fā)、加工、安裝和售后的中心地帶近 20 年，這使我們清楚地知道到這 種類型設(shè)備的一大問題即校準(zhǔn)和鑒定。這就是為什么艾克斯康與 Optikos Q 合作開發(fā)了一項(xiàng)獨(dú)特的校準(zhǔn) 系統(tǒng)運(yùn)用 3 個(gè)裝在下部連接桿上的角度編碼器。 這種技術(shù)使測(cè)量艾克斯康并聯(lián)機(jī)床 5 軸動(dòng)力操作頭的真實(shí)位置成為可能。并且能夠校準(zhǔn)、驗(yàn)證上部 三角架中的所有參數(shù)并能把參數(shù)變成運(yùn)動(dòng)模型，這使得世界上第一次出現(xiàn)了有能力在所有公差方面像真 正的 CNC 機(jī)床一樣表現(xiàn)的并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床系統(tǒng)。 此系統(tǒng)稱之為 AMC， 主動(dòng)測(cè)量補(bǔ)償， 它是把機(jī)床編成空間中的不同位置， 通過把三腳