高精度車銑復(fù)合機(jī)床電主軸部件設(shè)計(jì)含3張CAD圖.zip

高精度車銑復(fù)合機(jī)床電主軸部件設(shè)計(jì)含3張CAD圖.zip,高精度,復(fù)合,機(jī)床,主軸,部件,設(shè)計(jì),CAD 高精度車銑復(fù)合機(jī)床電主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì) 附錄 1：外文翻譯 具有標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動能力的智能臺式數(shù)控機(jī)床 摘要：提出了一種新型的帶有小曲面的金屬模具的新型數(shù)控機(jī)床。數(shù)控機(jī)床由三個(gè)單軸機(jī)器人組 成。連接到 z 軸頂端的工具是球形研磨工具。數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)由一個(gè)力反饋回路、位置反饋回路和位置前饋線組成。力反饋回路控制著工具接觸力和動摩擦力的拋光力。位置反饋回路控制在選擇方向上的位置。此外，該位置前饋環(huán)將刀具位置信息與刀具位置數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。摘要為了將傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用極限，應(yīng)用到一個(gè)非機(jī)械性的任務(wù)中，通過簡單的位置/力的測量， 我們評估了在研磨工具尖端的位置不準(zhǔn)確的反作用力。通過對一種透鏡模型的測量和表面控制實(shí)驗(yàn)，證明了具有高分辨率的基本的位置/力控制能力。 關(guān)鍵詞：臺式數(shù)控機(jī)床、模具制造、FI 小曲面、CAD/CAM、順應(yīng)運(yùn)動、螺旋路徑 1 引言 到目前為止，已經(jīng)設(shè)計(jì)了多種拋光系統(tǒng)和機(jī)器人系統(tǒng)，根據(jù)不同的用戶需求和各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域所需的機(jī)床規(guī)格，報(bào)道了以下兩項(xiàng)專題研究。一種是主從式控制機(jī)器人來支持拋光金屬工件的加工方法，另一個(gè)是機(jī)器人應(yīng)用混合位置/力的金屬旋壓系統(tǒng)控制器。 另外，長谷川和山崎已經(jīng)開發(fā)了一個(gè)拋光機(jī)器人，可以用來制作寵物瓶的吹制模具。摘要提出了一種具有順應(yīng)性控制能力的新型桌面 nc 機(jī)床，它具有一種具有小曲面的金屬模具。數(shù)控機(jī)床由三個(gè)單軸機(jī)器人組成。連接到 z 軸頂端的工具是球形的研磨工具。數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)是由一個(gè)力反饋回路、位置反饋回路和位置前饋回路組成的。力反饋環(huán)控制著由工具接觸力和動摩擦力組成的拋光力。位置反饋回路控制選擇方向的位置。此外，正向前饋線在刀具定位數(shù)據(jù)(CL 數(shù)據(jù))上引導(dǎo)工具提示。預(yù)計(jì)數(shù)控機(jī)床在模具上采用約 0.3 千層的表面處理，使表面具有高質(zhì)量的表面效果。摘要為了將傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用范圍限定為一件不合格的任務(wù)，我們通過簡單的位置/ 力的測量，評估了在磨具工具尖端引起位置誤差的反作用。通過對透鏡模型的相似測量和表面跟蹤控制實(shí)驗(yàn)，證明了該數(shù)控機(jī)床的基本/受力控制能力。 2 工業(yè)機(jī)器人的局限性 在此基礎(chǔ)上，對基于工業(yè)機(jī)器人的機(jī)器人伺服系統(tǒng)進(jìn)行了有效剛度、有效位置的解析和力的解析。有效剛度指的是整體剛度，包括由工業(yè)機(jī)器人本身組成的特性，力傳感器、附件、磨料磨具、工件、曲折和地板。工業(yè)機(jī)器人使用的是 6 型。一個(gè) 6 自由度的緊力傳感器被連接到手臂的末端，一個(gè)硬的球端研磨工具通過 aservo 主軸連接到頂端。 圖 1 剛性球頭磨具的工業(yè)機(jī)器人位置與接觸力的靜態(tài)關(guān)系 圖 1 顯示了一個(gè)簡單的接觸實(shí)驗(yàn)所獲得的位置和接觸力之間的關(guān)系。該位置的數(shù)量是磨刀尖上的 z 方向分量，由正運(yùn)動學(xué)計(jì)算，利用內(nèi)部編碼器的關(guān)節(jié)角來計(jì)算。通過接觸鋁工件的工具尖端，得到了力的數(shù)量，并由力傳感器測量。當(dāng)工具尖端接觸到工件時(shí)，在 0.01 微米以下的小操作變量不能產(chǎn)生有效的力測量，因此我們進(jìn)行了實(shí) 驗(yàn)，同時(shí)給出了最小分辨率的 0.01 毫米的壓印和 0.01 毫米的無壓運(yùn)動。 在實(shí)驗(yàn)中，工具尖端接觸到鋁工件的速度較低，在接觸工件之后。檢測到接觸力， 以每 0.01 毫米的速度壓在工件上。圖 1 中用黑色方塊畫的圖顯示了位置和接觸力的 關(guān)系。當(dāng)?shù)都獾奈恢脼?0.3 毫米時(shí)，力約為 36 N，因此范圍內(nèi)的有效效果估計(jì)為 120 N/mm。在接觸運(yùn)動之后，工具提示離開了工件一次，回到了 36 N 獲得的位置。在那之后，工具又以每 0.01 毫米速度松開。這張圖表顯示的是位置和接觸力的關(guān)系。從結(jié)果中可以看出，存在一個(gè)大的齒隙（0.1 毫米）。這個(gè)值幾乎與一般工業(yè)機(jī)器人的重復(fù)定位精度相同。這就是我們要用一個(gè)工業(yè)機(jī)器人來設(shè)計(jì)一個(gè)拋光系統(tǒng)必須考慮的問題，即一個(gè)力控制系統(tǒng)在誤差為 0.1 毫米位置不確定下接觸里為 1.2N。 3 具有順應(yīng)運(yùn)動的數(shù)控機(jī)床 3.1 臺式數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì) 圖 2 具有順應(yīng)運(yùn)動的數(shù)控機(jī)床 圖 2 顯示了 3 個(gè)單軸機(jī)器人數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，其位置分辨率為 1 m。該機(jī)床的大小分別為 850、645、700 米，單軸機(jī)器人是由 IAI 公司提供的高精度分辨率的位置控制設(shè)備，由一個(gè)底座、直線導(dǎo)軌、滾珠螺桿、交流伺服電機(jī)組成。在 x-y-z 方向上有效的劃劃是 400、300 和 100 毫米。為了適應(yīng)工具發(fā)展，在 z 方向機(jī)器人在工具和力傳感器之間使用了一個(gè)主軸電機(jī)。硬件框圖如圖 3 所示。 圖 3 由三個(gè)單軸機(jī)器人組成的數(shù)控機(jī)床硬件框圖 圖 4 顯示了采用剛性球頭磨具的數(shù)控機(jī)床的位置與接觸力之間的靜態(tài)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)在相同條件下進(jìn)行，如圖 1 所示。觀察到，影響減少，有效剛度約為 30/0.2 = 150n /mm。另一方面，圖 5 顯示了使用彈性球端磨料工具時(shí)的關(guān)系。根據(jù)彈性磨料工具的性能，可以看出，有效剛度變化為 30/0.36 =83.3 N/mm。可以看出，該力控制系統(tǒng)的有效剛度很大程度上受所使用的磨料工具的影響。對于彈性磨具稱為橡膠磨具,力分辨率約 0.083 N，可以執(zhí)行的位置分辨率 1μm。 圖 4 采用剛性球頭磨具的數(shù)控機(jī)床的位置與接觸力之間的靜態(tài)關(guān)系 圖 5 在有彈性球端磨具的數(shù)控機(jī)床上位置與接觸力之間的靜態(tài)關(guān)系 3.2 螺旋軌跡的弱耦合控制。 圖 6 采用弱耦合的 CL 數(shù)據(jù)基混合位置/力控制器的框圖 刀尖是由平移速度控制的。通過 wv（k）=wvt（k）+wvn（k）+wvp(k) （1） t t 其中 k 表示離散時(shí)間;上標(biāo) W 表示工作坐標(biāo)系。假設(shè)拋光力是接觸力和摩擦力的合力，同時(shí)也得到了 x、y 和 z 方向力傳感器測量的合力。圖 6 顯示了所提議的 CL 數(shù)據(jù)基混合位置/力控制器與弱耦合的框圖。首先，wv （k）是基于 CL 數(shù)據(jù)的前饋控制律生成的被操縱變量. wv （k）是切向速度，由 wvt（k）=Vtangent（k） （2） tangent n 其中 V （k）是一個(gè)速度范數(shù)。 是用 CL 數(shù)據(jù)計(jì)算的切向向量。另外，wv n （k）是由力反饋控制律生成的被操縱變量。wv （k）為正常速度。由 n normal d d wv （k）=V （k）wo （k），wo （k） （3） 其中是利用 CL 數(shù)據(jù)的方向分量計(jì)算的法向量。代表正常速度的標(biāo)量 vnormal (k)是阻抗模型的輸出，它是由力控制律所給出的。 Vnormal（k）= + （4） f d 其中 Kf 為力反饋增益，阻抗參數(shù) Md 和 Bd 分別為期望質(zhì)量和阻尼系數(shù)。Δt 采樣時(shí)間。E (k)之間的誤差是理想的拋光力 F 和規(guī)范的 sF(k)∈?3 力傳感器測量, （1） 上標(biāo) S 表示傳感器坐標(biāo)系。同時(shí)，Wvp(k)是由位置反饋控制律所產(chǎn)生的被操縱變 量。 （2） 開關(guān)矩陣 Sp = diag(Sx, Sy, Sz)使弱耦合控制的控制方向處于主動或非活動狀態(tài);Ep(k)= Wxd(k)?Wx(k)是位置誤差。所期望的位置 Wxd(k)是用 CL 數(shù)據(jù)計(jì)算的。 其中;Kp=diag(Kpx,Kpy,Kpz)和 Ki=diag(Kix,Kiy,Kiz)是位置反饋控制的比例和積分增益。 其次，考慮臨界阻尼情況，提出了一種利用數(shù)控機(jī)床有效剛度的阻尼調(diào)優(yōu)方法。當(dāng)拋光力被控制時(shí)，力控制系統(tǒng)的特性可以根據(jù)所期望的質(zhì)量和阻尼等阻抗參數(shù)的組合而變化。為了提高力控制的穩(wěn)定性，需要適當(dāng)?shù)卣{(diào)整所期望的阻尼，它對力控制穩(wěn)定性有很大的影響。Eq. 4 是由以下阻抗模型推導(dǎo)出來的 （7） 其F 分別是力控制方向上的加速度，速度和力標(biāo)量， 分別是理想的加速度、速度和力。力控制是靈活的， 被設(shè)為 0，假設(shè) F 是數(shù)控機(jī)床力控制系統(tǒng)所給出的力，這個(gè)模型力 F=-B （8） 其中，Bm 和 Km 分別是數(shù)控機(jī)床的有效粘度和剛度系數(shù)。7 和 8 導(dǎo)致了下面的二階滯后系統(tǒng)。 （9） (9)的臨界阻尼情況導(dǎo)致。 （10） 用 10 計(jì)算所需阻尼的基本值。注意：在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，給出了力控制系統(tǒng)的有效剛度。 4 實(shí)驗(yàn) 在本節(jié)中，對所提出的數(shù)控機(jī)床的基本性能進(jìn)行了評價(jià)，并對力控制系統(tǒng)和位置控制系統(tǒng)進(jìn)行了評價(jià)。在數(shù)控加工后，使用塑料透鏡模具進(jìn)行了 profi ling 控制實(shí)驗(yàn)，如圖 7 所示。目標(biāo)模具通常采用直徑和深度分別為 30 毫米和 5 毫米的形式加工。每個(gè)凹面區(qū)域都是軸對稱的，然而模具本身是軸對稱的。注意常規(guī)的自動非對稱系統(tǒng)不能處理這樣的軸對稱工件。 圖 7 在控制現(xiàn)場一條螺旋形的路徑 圖 8 位置控制結(jié)果沿著螺旋路徑 在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，一個(gè)小的彈性球以 2 毫米/秒速度在端磨料工具接近加工部分的中心。當(dāng)檢測到為 5n 后，工具提示開始沿著螺旋路徑開始，這是所需拋光力的 1/2。在彈性球端磨具的情況下，有效剛度 Km 估計(jì)為 30/0.36= 83.3 N/mm。所期望的質(zhì)量Md 和力反饋增益 Kf 分別設(shè)置為 0.01。此外，由于力控制系統(tǒng)的粘度很小，所以假定Kf Bm= 0。因此，10 導(dǎo)致 Bd = 0.183 N·s/mm。 其次，解釋了 x、y 和 z 方向的控制系統(tǒng)。通過反饋控制律對拋光力和 z 方向位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，并根據(jù) CL 數(shù)據(jù)對 x 方向和方向位置進(jìn)行反饋控制。在 x-y 平面上觀察到的 CL 數(shù)據(jù)，這是理想的軌跡，形成了一個(gè) 0.8 毫米螺距的螺旋路徑。圖 8 顯示了位置控制結(jié)果，其中 x-y 平面在 4 毫米處的螺距約為 0.7 mm。這是由于當(dāng)工具沿螺旋路徑上升時(shí)，由力反饋控制律所控制的變量逐漸產(chǎn)生 x 和 y 方向。換句話說，原因是只有 z 方向的位置被一個(gè)位置閉環(huán)控制，x 和 y 方向的位置通過力控制系統(tǒng)的約束，由力控制系統(tǒng)的操縱變量來修正，通過力控制系統(tǒng)的約束。同樣，z 方向位置通過一個(gè)微弱的閉環(huán)控制，利用 0.001 的小增益，使弱耦合對力反饋環(huán)是主動的。盡管在這種情況下,Z 方向上平均誤差約 2.7μm。因此得到了 z 方向位置的平均誤差。 （11） 其中 N 是 CL 數(shù)據(jù)中的總步數(shù)，即，“GOTO”語句的數(shù)量。 是 CL 數(shù)據(jù)第 n步的 z 方向分量， 為從編碼器獲得的工具尖端的 z 方向位置。k 是被 設(shè)置時(shí)的離散時(shí)間。 圖 9 拋光力的控制結(jié)果||S F(k)|| 圖 9 說明了拋光力的控制效果。在傳感器坐標(biāo)系中，以上第二和第三網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)顯示 X，Y 和 Z 向力傳感器坐標(biāo)系。下圖顯示規(guī)范| | S F | |。從 S 和 FX 中可以看出， 由于沿螺旋路徑的位置控制，力控制的方向經(jīng)常不同。同時(shí)，雖然 x- y 方向的力測量隨著工具的增加而增加，而 z 向力逐漸減小，||SF||可以很好地遵循參考值 10n。 5 結(jié)論 本文通過關(guān)節(jié)式六自由度工業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)，研究了位置和力的分辨率以及由此產(chǎn)生的有效剛度，此外，還考慮了改進(jìn)的技術(shù)點(diǎn)，以開發(fā)一種新的非晶化系統(tǒng)，該系統(tǒng)可應(yīng)用于曲面的小工件。其次，結(jié)合單軸機(jī)器人設(shè)計(jì)了一臺分辨率為 1μm、分辨率為 0.083 N 的臺式數(shù)控機(jī)床。針對數(shù)控機(jī)床，提出了一種具有柔度控制的混合位置和力控制器，在此基礎(chǔ)上，可根據(jù)不同的非晶化策略選擇位置控制、力控制或弱耦合控制。 此外，我們還介紹了一種基于臨界阻尼情況下的期望阻尼的系統(tǒng)調(diào)諧方法，該方法考慮了工具尖端的位置與力之間的靜態(tài)關(guān)系。最后，在螺旋路徑上進(jìn)行了一種軸向非對稱塑料透鏡模具的一種多軸對稱凹曲面的實(shí)驗(yàn)，以評價(jià)其位置和力控制的特點(diǎn)。因此，提出的桌面數(shù)控機(jī)床具有理想的位置和力控制性能，適用于塑料透鏡模具的非晶化任務(wù)。在今后的工作中，我們計(jì)劃開發(fā)一個(gè) 1 毫米的小型球形磨料工具，并進(jìn)一 步將所建議的系統(tǒng)應(yīng)用于有幾個(gè)小凹區(qū)域的 LED 透鏡模具的非晶化過程。凹面積的直徑為 4 毫米。 致謝：九州山口高技術(shù)企業(yè)發(fā)展基金會(KYUTEC)支持這項(xiàng)工作。 參考文獻(xiàn) [1] 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