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畢業(yè)設(shè)計（論文）外文翻譯
題目 五軸磨床加工工具運動鏈的設(shè)計和分析
專 業(yè) 名 稱 機械設(shè)計制造及其自動化
班 級 學 號 068105337
學 生 姓 名 鄭帥棟
指 導 教 師 羅海泉
填 表 日 期 2010 年 5 月 18 日
五軸磨床加工工具運動鏈的設(shè)計和分析
E.L.J. Bohez，設(shè)計與制造工程部門，亞洲技術(shù)研究所
摘要：五軸CNC加工中心現(xiàn)在應(yīng)用得非常廣泛。大多數(shù)機器的運動學原理都是以直角笛卡兒坐標系統(tǒng)為基礎(chǔ)的。這篇文章對有可能的概念上的設(shè)計和基于理論上有可能的自由度的結(jié)合并且真實存在的器械進行了分類。本文還定義了一些有用的定量參數(shù)，例如：工作空間利用因素、機器加工工具的空間利用率、方位空間的指標和方位角。同時還分析了不同概念的優(yōu)缺點，給出了選擇的標準和機器結(jié)構(gòu)的設(shè)計。最近在工業(yè)中提出的一些基于斯圖爾特平臺的概念也將在這篇文章中進行簡要的論述。
關(guān)鍵詞：五軸；機器加工工具；運動鏈；工作空間；CNC；旋轉(zhuǎn)軸
1.介紹
機器加工工具的主要設(shè)計規(guī)范應(yīng)該滿足以下法則：
1） 運動件在工具和零件的定位和安置上應(yīng)該
有足夠的彈性。
2） 以可能的最快的速度進行定位和安置。
3） 以可能的最高的精確度進行定位和安置。
4） 加工工具和工件的快速切換。
5） 保護環(huán)境。
6） 可能的高速材料移動率。
一臺機器的加工工具的軸的個數(shù)通常是由機器自由度數(shù)或者是在機器滑動過程中獨立可控的運動數(shù)來決定的。隨著加工工具軸對應(yīng)Z坐標軸的產(chǎn)生，ISO軸命名法推薦使用右手坐標法則。一個三軸磨床有三個方向的線性滑動：X、Y和Z，這使得機器能放置在相應(yīng)軸向滑動范圍內(nèi)的任何一個位置。加工工具軸的方向在加工的時候保持不變。這就限制了與工件連接的加工工具的彈性，并最終導致很多不同的結(jié)構(gòu)。為了增加在可能的加工工具、工件定位中的彈性而不用重新設(shè)計結(jié)構(gòu)，我們將要在增加更多的機器的自由度。對于一個傳統(tǒng)的三線性軸機器，能通過提供旋轉(zhuǎn)滑動來實現(xiàn)。圖1就展示了一個五軸磨床的例子。
2.運動鏈接圖
制作一個機器的運動鏈接圖對于分析機器是很有用的。從運動鏈接圖中我們可以很快區(qū)別兩組軸：圖2展示了在圖1中五軸磨床的運動鏈接圖。從圖中我們可以看到，工件由四根軸運載，而加工工具只由一根軸運載。
五軸機器就像兩個相互協(xié)作的機器人，一個機器人運載工件，另一個機器人則運載加工工具。
為了得到工件和工具定位上最大的彈性，機器至少需要5個自由度，這意味著工具和工件能在任何角度下連接起來。從一個剛性的物體運動連接點的觀點來說，我們也可以理解對軸的個數(shù)的最低要求。為了定位兩個在空間上相互連接的剛體，每個剛體（工具和工件）需要6個自由度或者12個自由度。然而，任何不改變兩者之間定位的共同的平移和旋轉(zhuǎn)的存在將會使自由度數(shù)目減少6個。兩個剛體之間的距離是由工具的加工路徑來決定的，這個距離也將會允許減少一個多余自由度，這樣就使得最小的自由度數(shù)為5。
3.文化背景（略）
4.五軸機器運動結(jié)構(gòu)的分類
按照機器的旋轉(zhuǎn)和平移軸分類，我們可以把機器運動結(jié)構(gòu)分為四大類：（1）三個平移軸和兩個旋轉(zhuǎn)軸；（2）兩個平移軸和三個旋轉(zhuǎn)軸；（3）一個平移軸和四個旋轉(zhuǎn)軸；（4）五個旋轉(zhuǎn)軸。近乎所有存在的五軸機器設(shè)備都屬于（1）類。很多的定位焊接機器人、圈絲機器和激光加工中心也屬于這一類。只有有限的一些用來加工輪船推進器的五軸機器屬于（2）類。（3）和（4）類只有在設(shè)計需要增加更多自由度的機器人的時候才會用到。
五根軸可以分布在工具和工件之間的結(jié)合處。第一種分類是根據(jù)運載軸的工具和工件的數(shù)量和在運動鏈中各個軸的次序來劃分的。另一種分類是根據(jù)旋轉(zhuǎn)軸放置的位置（是在工具那邊還是在工件那邊）來劃分的?；诘芽▋鹤鴺说臋C器中的五個自由度是：三個平移運動X、Y、Z（一般表示為TTT）和兩個旋轉(zhuǎn)運動AB、AC、BC（一般表示為RR）。三個旋轉(zhuǎn)軸（RRR）和兩個直線運動軸（TT）的結(jié)合是很少見的。如果一根軸承載著工件，習慣上是用一個附加的標記來注釋它。圖1中的機器能以X’Y’A’B’Z。XYAB軸運載著工件，Z軸運載著工具。圖3中展示的是XYZA’B’，三根直線運動軸運載工具,兩根旋轉(zhuǎn)軸運載著工件。
4.1基于工件和工具運載軸次序的分類
理論上，如果認為在工具和工件運載軸的兩個運動鏈上的軸的次序有不同的結(jié)構(gòu)，可能的結(jié)構(gòu)的數(shù)目會非常大。同時只有兩根直線運動軸和三根旋轉(zhuǎn)軸結(jié)合也包括在內(nèi)。
在一個五軸機器中能以以下方式將一根工具運載軸和四根工件運載軸結(jié)合：對于X，Y，Z，A，B，C中任意一個可能作為工具運載的軸，其他工件運載軸可以在剩下的五根軸中選取。所以，對于任意可能的工具運載軸選擇（六選一或者有六種可能），在剩下的五根軸中選取四根進行不同結(jié)構(gòu)的排列個數(shù)為5*4！=120。所以，理論上只有一根工具運載軸的五軸機器就有6*120=720種可能。其他的結(jié)合方式也可以用這種方法分析。假設(shè)t代表工具運載軸的數(shù)目，w表示工件運載軸的數(shù)目（w+t=5），那么全部可能的結(jié)合數(shù)如下所示：
這個方程式的值恒等于6！或者當w+t=5時這個值等于720。在這些720的結(jié)合中，有一些只包含兩根直線運動軸。如果只考慮有三根直線運動軸的五軸機器，只有3*5！=360的結(jié)合也是仍是有可能的。這些結(jié)合的預設(shè)值Gt主要是由t的預設(shè)值決定的。這個預設(shè)值和由w的預設(shè)值所決定的G`w 的預設(shè)值是一致的，其中w=5-t。運用以上的定義，我們可以把五軸機器分為以下小群：（1）G0/G`5組；（2）G1/G`4組；（3）G2/G`3組；（4）G3/G`2組；（5）G4/G`1組；（6）G5/G`0組。
4.2基于旋轉(zhuǎn)軸的位置的分類
我們能根據(jù)旋轉(zhuǎn)軸裝配的位置對機器進行分類。
只有那些有兩根旋轉(zhuǎn)軸和三根線性軸的機器我們才會進一步考慮?？赡艿慕Y(jié)構(gòu)如下：
（a）旋轉(zhuǎn)軸裝配在工具桿上；
（b）旋轉(zhuǎn)軸裝配在機器平臺；
（c）兩者的結(jié)合。
如果機器的軸的R或者T的類型一樣，那么在工具或者工件運載運動鏈中軸的次序就不重要了。一般來說，如果在工件運載運動鏈中有根平移軸和根旋轉(zhuǎn)軸，在工具運動鏈中有根平移軸和根旋轉(zhuǎn)軸，那么結(jié)合的個數(shù)為[11]：
其中
每一組的結(jié)合的個數(shù)在下面中將會一個個給出。所有組的結(jié)合總數(shù)為60。從設(shè)計的觀點來說，這是我們所考慮的選擇的數(shù)量中較為容易處理的一個。
5.五軸機器的工作空間
在定義五軸機器設(shè)備的工作空間之前，要適當?shù)亩x加工工具的工作空間和工件的工作空間。加工工具的工作空間就是通過沿著工具運載軸路線描繪出工具掃過參考點（例如工具尖端）而得到的。工件運載軸的工作空間也是用同樣方法定義的（把機器平臺的中心選擇作為參考點）。這些工作空間能由計算掃過過的體積決定[6]。
基于以上的定義，我們能定義一些對于不同類型機器比較、選擇和設(shè)計有用的定量參數(shù)。
5.1.工作空間利用因素
這個因素可以定義為，工件空間和工具空間的交集與工具空間和工件空間的并集的比。公式為
5.2.可加工的體積大小
一旦工件相對于工件參考點是固定的，并且一個特殊的工具相對于工具參考點也是固定的，那么我們就有可能確定可加工的體積的大小?？杉庸さ捏w積就是能夠在工件上切除的全部體積。機器工具空間和工件的交集給出了可以切除的材料的總量，或者說是可加工的體積（這是對于特殊的工件和工具機構(gòu)來說的）。
5.3.機器工具空間效率
機器工具空間效率的定義為：機器工具空間（省略了一部分）和包含著機器的最小凸起體積。
5.4.五軸機器的定位空間指數(shù)
一個我們用來估計定位的最大范圍的方法是為了決定能在機器上用兩根旋轉(zhuǎn)軸加工的球的最大部分。空間定位指數(shù)定義為能夠由用所有旋轉(zhuǎn)軸加工的機器來加工的最大的球頂體積除以機器工具空間。
如果這個指數(shù)趨近于1，這就意味著所有的旋轉(zhuǎn)軸能夠在整個機器工具空間中運用。如果這個指數(shù)比1小，這就意味著大概百分之的工作空間能運用所有的旋轉(zhuǎn)軸。
以上的定義都是理論上的定義。實際上的定位空間指數(shù)會因為避免零件和機器、工具和工件之間的碰撞而進一步受到限制。能夠加工的球頂變小就說明了這一點。
6.五軸機器的選擇標準
我們的目的不是對五軸機器對于某一項特定的運用的選擇或者設(shè)計進行一個徹底的研究。我們只是論述能用來判斷五軸機器的選擇的主要的標準。
6.1.五軸機器設(shè)備的應(yīng)用
應(yīng)用能在布置和造型上進行區(qū)分。圖12和圖13說明了五軸的布置和五軸造型上的區(qū)別。
6.1.1.五軸布置
如圖12所示，一個在不同角度有著很多孔和平面板的零件，僅僅用一臺三軸磨床來加工這個零件是不可能的。如果我們在用一臺五軸機器，那么工具能在任何方向和工件定位連接起來。一旦達到了正確的位置，在大多數(shù)軸固定的情況下，我們就可以對孔和平面板進行加工了。平面板中能包括獨立結(jié)構(gòu)的2D平面。如果我們僅僅是要鉆孔，那么理論上一軸CNC同步控制就足夠了，而加工2D平面時兩軸同步控制就夠了。然而，三軸同步現(xiàn)在也很普遍了。當我們把工件和工具放置在連接在一起的時候，這就增加了在開始切削前的快進的速度。
6.1.2.五軸造型
圖13所示為一個五軸造型的例子，為了加工這個形狀復雜的表面，我們需要在切削時控制好與零件接觸的刀具的位置。刀具工件的位置在每一步工序中都會改變。CNC控制器需要在材料切除過程中同步控制五軸。更多關(guān)于造型的細節(jié)能在參考文獻[13]中找到。五軸的機器有如下的應(yīng)用：（1）生產(chǎn)刀刃，如： 壓縮機和渦輪的漿；（2）燃料泵的注射器；（3）頭飾的外形；（4）醫(yī)學器官例如人造心臟閥；（5）復雜表面的鑄型。
6.2.軸結(jié)構(gòu)的選擇
在設(shè)計和選擇一個結(jié)構(gòu)時，零件的尺寸和重量是首要的標準。重型工件要求工件運動鏈短。同時，水平加工平面又是較好的一種設(shè)計，這種設(shè)計會使定位和處理工件變得很便利。把一個重型工件放在一個單獨旋轉(zhuǎn)軸運動鏈上將會很大程度上增加定位的彈性。從圖4中我們可以看出，用一個單獨水平旋轉(zhuǎn)軸來運載工件會使得機器更加具有彈性。
在很多情況下，我們應(yīng)該把工具運動鏈保持得盡量短，因為我們還必須運載工具軸驅(qū)動裝置。
7.基于斯圖爾特平臺的新的機器概念（略）
8.結(jié)論
理論上，五軸機器有很多構(gòu)成方式。近乎所有經(jīng)典的笛卡兒坐標五軸機器都屬于由三根線性軸和兩根旋轉(zhuǎn)軸，或者三根旋轉(zhuǎn)軸和兩根線性軸組成的系列。這個系列又可以細分為有著720種情況的六組。就算只考慮三根線性軸的情況，在每個系列中仍然有360種組合。這些不同的組合是根據(jù)在工具和工件運載運動鏈中軸的次序來區(qū)分的。
如果在對由三根線性軸和兩根旋轉(zhuǎn)軸組成的五軸機械進行分組時，只考慮在工具和工件運動鏈中旋轉(zhuǎn)軸的位置，那么我們能五軸機器分為三組。在第一組中，兩根旋轉(zhuǎn)軸安置在工件運動鏈。在第二組中，兩根旋轉(zhuǎn)軸安置在工具運動鏈。在第三組中，每個運動鏈都安置一根旋轉(zhuǎn)軸。每一組仍然有20種可能的情況。對于一個特定的應(yīng)用領(lǐng)域，要從這些組合中選出一組最好的是一項很復雜的工作。為了使這項工作變得容易些，我們定義了一些用于比較的指數(shù)，例如：機器刀具空間、空間利用因素、定位空間指數(shù)、定位角度指數(shù)和機器刀具空間效率。列出了用來計算機器刀具空間和在機器上能加工的最大球頂?shù)闹睆降乃惴āＴ敿氄撌隽藘蓚€運用這些指數(shù)的例子。第一個例子論述的是加工珠寶的五軸機器的設(shè)計。第二個例子則闡明了一臺機器在線性軸中有著相同范圍，在這種情況下，旋轉(zhuǎn)軸選項的選擇（略）。
運用得最廣泛的五軸機器的兩根旋轉(zhuǎn)軸安置在運動鏈末端處的工件一側(cè)。這種結(jié)構(gòu)給出了一種對于機器刀具結(jié)構(gòu)的模塊設(shè)計。然而，從應(yīng)用的觀點來說，這種模塊設(shè)計并不總是最理想的。因為理論上存在很多可能的結(jié)構(gòu)，很明顯的是，對于一個特殊的工件裝置需要一個合適的特定的五軸機器。模塊設(shè)計應(yīng)該以在所有的五軸結(jié)合中的模塊性為基礎(chǔ)。當前在設(shè)計中的模塊性是以三線性軸機器為基礎(chǔ)的。
五軸磨床使得機器結(jié)構(gòu)的數(shù)量變小。這對增加精確度和減小大部分尺寸是有幫助的。然而，它也有一些缺點：（1）五軸機器的高價；（2）增加的旋轉(zhuǎn)軸的同時也增加了定位誤差；（3）在同等的進給下，在機器軸上的切削速度更高。
在購買五軸機器之前必須要對需要加工的產(chǎn)品的范圍進行深入的研究。那些零件也應(yīng)該分為五軸定位或者是五軸造型，或者兩者都是。例如，有著旋轉(zhuǎn)平臺的機器對于生產(chǎn)諸如壓縮機的旋轉(zhuǎn)工件是很好的。一根旋轉(zhuǎn)軸在刀具側(cè)，一根旋轉(zhuǎn)軸在工件側(cè)，這樣的布置將會提供更大的工作空間利用因素。
最近所介紹的虛擬軸機器有著一個主要的優(yōu)點：潛在的更高的動力響應(yīng)和更高的硬度。然而，它的工作空間利用因素比經(jīng)典的五軸機器要低。這些機器的更高強度使得他們非常適于高速磨所需要的高速桿[19]的設(shè)計。
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