CN102079059B

CN102079059B - 闭式可控空间机构连杆轨迹实现曲面加工的方法

Info

Publication number: CN102079059B
Application number: CN 201010609603
Authority: CN
Inventors: 肖丽萍; 魏文军
Original assignee: Jiangxi Agricultural University
Current assignee: Jiangxi Agricultural University
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2030-12-28
Also published as: CN102079059A

Abstract

一种闭式可控空间机构连杆轨迹实现曲面加工的方法，其特征是包括以下步骤：（1）建立工件加工表面的直纹面模型坐标系，确定其母线和运动曲线；（2）确定一种常规的空间连杆机构，通过运动瞬间改变其某一连杆的杆长、副长或转角，来限定该连杆或其它连杆的运动轨迹；（3）将砂轮固定在沿空间轨迹曲线作空间运动的连杆上的一动点处，砂轮在自转作主运动的同时，该连杆沿空间轨迹曲线作空间运动，使切削刃沿空间轨迹曲线作第一进给运动，而该动点沿该连杆作第二进给运动，从而完成直纹面的加工。本发明实现了曲面零件的连续加工，避免加工中心或数控铣等点接触加工的多次进刀，提高加工效率，节约工时和成本。

Description

闭式可控空间机构连杆轨迹实现曲面加工的方法

技术领域

本发明属于精密加工、复杂零件制造技术领域，涉及一种空间机构连杆轨迹实现曲面加工的方法。

背景技术

随着生产的发展，在与制造业密切相关的航空航天、汽车、造船以及模具等工业领域，曲面零件得到了越来越广泛的应用，对高精度的设计、制造以及检测提出了更为严格的要求，同时也成为人们日益关注的研究热点。目前，曲面零件中最常见的是直纹面，飞机机翼、汽轮机叶轮、流体机械中的叶片类零件通常就采用直纹面作为型面；齿轮滚刀、某些特种回转刀具的刀槽曲面部分也是直纹面；某些模具型腔面也采用直纹面；甚至农业上用来耕翻土壤的犁头部分也是直纹面，等等。与自由曲面相比较，直纹面是一参数直线集，由直线在空间任意运动得到。传统加工方法是由专用机床（滚齿机、刨齿机、铣齿机等）或专用刀具（渐开线插齿刀、铣刀、滚刀）切削出零件曲面，其优点是精确加工和高效率，缺点是专用机床和不同规格的专用刀具，适应于专业厂家批量生产；现代加工方法是由数控车床、数控铣床、多轴加工中心等数控机床加工出任意复杂曲面，技术复杂，成本高。申请项目的新加工方法是由可控变杆长（变副长或扭角）闭式空间机构连杆上一直线轨迹形成被加工直纹面，实现曲面的连续切削加工。

发明内容

本发明目的在于提供一种可控空间机构连杆运动轨迹实现直纹面零件加工的方法。机构结构简单，运动灵活；方法可靠，效率高。

基于在保证加工精度的前提下提高加工效率，节约成本的目的，本发明将空间连杆机构的优点应用到直纹面零件的加工技术上。该方法包括以下步骤：

（1）建立工件加工表面的直纹面模型坐标系，确定该曲面的形成特征，即确定其母线和运动曲线。直纹面是直母线沿空间轨迹曲线Γ运动形成。

（2）确定一种常规的空间连杆机构，通过运动瞬间改变其某一连杆L的杆长、副长或转角，使其成为可控空间变杆长、变副长或变扭角的连杆机构，来限定该连杆L或其它连杆的运动轨迹，从而使该连杆L可沿空间轨迹曲线Γ运动得到直纹面。

（3）如图1所示。将砂轮固定在沿空间轨迹曲线Γ作空间运动的连杆L上的一动点M处，砂轮在自转作主运动的同时，该连杆L沿空间轨迹曲线Γ作空间运动，使切削刃沿空间轨迹曲线Γ作第一进给运动（即v_c方向），而该动点M沿该连杆L作第二进给运动（即v_f方向），从而完成直纹面Σ的加工。

本发明采用直线在空间任意运动的参数集形成直纹面的原理，实现了曲面零件的连续加工，避免加工中心或数控铣等点接触加工的多次进刀，提高加工效率，节约工时和成本。

附图说明

图1为直纹面加工示意图。

图2为本发明实施例1的齿轮齿廓面示意图。

图3为本发明实施例1的空间五杆RRRSR机构简图。

图4为本发明实施例1的机构上杆QQ′及动点m的运动轨迹示意图。

图5为本发明实施例1的动点m在θ₁＝190°～210°内空间运动轨迹。

图6为本发明实施例2犁头曲面及其加工示意图。

图7为本发明实施例2可控空间RSSP四杆机构简图。

具体实施方式

下面结合附图对发明作进一步的说明。

实施例1。

参见图2～图5，说明本发明的空间机构连杆轨迹实现齿轮一侧齿廓面的精加工（磨削）方法。

如图2所示为齿轮齿廓面的示意图，其一侧齿廓面BB′F′F可视为直纹面，即母线T沿曲线Γ运动形成。齿轮齿形曲线最常见的是渐开线，假设有基圆半径为20mm，将基圆沿周长为32等份，根据渐开线定义由等分点abcdef可求出该基圆上渐开线ABCDEF及其坐标参数。可见该渐开线在一个边长为10mm的方形框内。

可选取空间RRRSR机构为基本机构，如图3所示为该机构简图。取 i = e _E=[1,0,0]^T、 j = e ₅=[0,1,0]^T、 k = i × j =[0,0,1]^T，建立静坐标系E- ijk 。l ₁、l ₂、l ₃、l ₄、l ₅是各杆杆长，α ₁、α ₂、α ₅是相应构件的扭角，θ ₁、θ ₂、θ ₃、θ ₅是相应运动副的相对转角，

Figure 2010106096033100002DEST_PATH_IMAGE001

是运动副的副长。Q′点为杆2端点，Q点为杆2上任意点，其位置由机构参数n，p，β，γ确定：n、p为连接杆杆长，其位置由β、γ决定，β是矢量 e _B绕与之垂直的单位矢量 e ₂旋转至 e _n所经过的角度，γ是矢量

绕与之垂直的单位矢量 e _n旋转至 e _p所经过的角度。m是QQ′杆上一动点。

分析齿廓面渐开线的特点和空间连杆机构运动特性可知，将机构上连杆QQ′ 作为齿轮齿廓面母线L，并利用MATLAB软件编程、计算、调试后可确定该机构各参数数值如表1，给定主动件曲柄转角θ ₁＝0～360°，可得到杆QQ′上两端点的运动轨迹分别为Ω₁，Ω₂，即杆QQ′运动轨迹为曲面Σ，如图4所示。

表1 空间RRRSR机构各参数数据表（长度单位为mm，角度单位为°）

Figure 2010106096033100002DEST_PATH_IMAGE003

将刀具（砂轮）安装在空间机构QQ′杆上，磨削点过动点m且可随动点运动。当机构运动时，动点m沿QQ′杆移动，即刀具主运动为动点随机构一起的空间运动v _c，进给运动为动点在QQ′杆上的移动v _f。当主动件曲柄运动360°后，刀具可加工整个曲面Σ。经过MATLAB软件分析，计算、调试后得到，在主动件运动转角θ ₁在190°～210°期间，杆QQ′运动轨迹与齿轮齿廓面逼近。根据得到的渐开线数据点ABCDEF（图1），再通过细微调整机构各参数数值，可得到相应的刀具运动轨迹ABCDEF（图5），使该期间内杆QQ′的运动轨迹与齿轮齿廓面相似，误差可控制在0.01mm内。通过调整机构摆放位置，且利用控制器将主动件运动控制在θ ₁＝180°～220°内，使空间RRRSR机构上杆QQ′实现齿轮齿廓曲面精加工，相当于母线L的运动Γ轨迹，而得到运动轨迹，即需加工的齿廓面，如图5所示。

实施例2。

参见图6～7，说明本发明的空间机构连杆轨迹实现犁头型直纹面零件的加工。

与实施例1方法相同，首先分析犁头型直纹面的特点，并提取重要数据，如图6所示J曲线分别为犁头曲面形成的轨迹曲线，母线为直线，再经过分析、计算、编程、调试等确定机构类型和各结构参数数值，或将机构的杆长（或副长、扭角）设为变量，使其为可控构件Pk（如图7所示），实现机构连杆运动曲面轨迹与所需加工曲面逼近，然后通过再次调整机构位置或参数数值等，使得连杆运动曲面与犁头曲面相似，误差控制在0.01mm内，最后将刀具固定在空间机构的某一连杆I上，随机构作走刀运动v _c，沿杆作进给运动v _f，使得空间连杆轨迹实现犁头等零件的加工。

Claims

1.一种闭式可控空间机构连杆轨迹实现曲面加工的方法，其特征是包括以下步骤：

（1）建立工件加工表面的直纹面模型坐标系，确定其母线和运动曲线；

（2）确定一种常规的空间连杆机构，通过运动瞬间改变其某一连杆的杆长、副长或转角，使其成为可控空间变杆长、变副长或变扭角的连杆机构，来限定该连杆的运动轨迹，使该连杆可沿空间轨迹曲线运动得到直纹面；

（3）将砂轮固定在步骤（2）中沿空间轨迹曲线作空间运动的该连杆上的一动点处，砂轮在自转作主运动的同时，该连杆沿空间轨迹曲线作空间运动，使切削刃沿空间轨迹曲线作第一进给运动，而该动点沿该连杆作第二进给运动，从而完成直纹面的加工。