CN109676200A - 一种曲面加工机床结构及其运动控制模型 - Google Patents

一种曲面加工机床结构及其运动控制模型 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种曲面加工机床结构，包括底座，底座上相邻垂直设置有纵向滑轨与横向滑轨，在底座的横向滑轨上设置有工作台，工作台上沿纵向设置有轴心相对的水平回转台和尾架；在底座的纵向滑轨上设置有滑座，滑座上固定连接有立柱，立柱上沿竖直方向滑动设置有滑板，滑板上固定安装有支座，支座中通过双关节机构安装有电主轴，电主轴前端安装有盘状刀具或指状刀具。本发明还公开了一种曲面加工机床结构的运动控制模型。本发明的机床结构及运动控制模型，为复杂曲面加工提供了一种新的解决方案。

Description

一种曲面加工机床结构及其运动控制模型
技术领域
本发明属于机械设计制造技术领域，涉及一种曲面加工机床结构，本发明还涉及该种曲面加工机床结构的运动控制模型。
背景技术
自由曲面是机械制造行业中最难加工的表面之一，如叶片曲面、叶轮曲面等，一般需要在五轴以上联动的数控机床上才能加工出来。目前五轴联动加工机床主要由三个直线运动和两个回转运动组成，主要布局方式有三种：1)工件侧为单自由度数控转台，刀具侧为单自由度数控摆头；2)工件侧为两自由度摇篮式数控转台；3)刀具侧为两自由度叉式万能摆头。
提高复杂自由曲面的加工效率，探索新的多轴联动机床结构永远是机床结构设计领域中永恒不变的主题。将机器人的灵活性与机床的高刚性相结合，研制一种曲面加工数控机床结构方案及其运动控制模型，不仅提高了机床加工灵活性，而且为曲面加工提供了一种新的机床结构方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种曲面加工机床新结构，解决了现有技术难以更好的提升多轴联动数控机床加工的灵活性、对复杂自由曲面加工效率提高不明显的问题。
本发明的另一目的是提供一种曲面加工机床结构的运动控制模型，提升多轴联动数控机床加工的控制，为复杂自由曲面高效加工提供一种新方案。
本发明采用的技术方案是，一种曲面加工机床结构，包括底座，底座上相邻垂直设置有纵向滑轨与横向滑轨，在底座的横向滑轨上设置有工作台，工作台上沿纵向设置有轴心相对的水平回转台和尾架；
在底座的纵向滑轨上设置有滑座，滑座上固定连接有立柱，立柱上沿竖直方向滑动设置有滑板，滑板上固定安装有支座，支座中通过双关节机构安装有电主轴，电主轴前端安装有盘状刀具或指状刀具。
本发明采用的另一技术方案是，一种曲面加工机床结构的运动控制模型，按照以下步骤实施，
步骤1、建立坐标系，以O-xyz为机床原点坐标系,即机床的基准坐标系；Ow-xwywzw为工件坐标系，Ot-xtytzt为刀具坐标系，O1-x1y1z1为滑座坐标系，O2-x2y2z2为滑板坐标系，O3-x3y3z3为A关节坐标系，O4-x4y4z4为C关节坐标系；O5-x5y5z5为工作台坐标系，O6-x6y6z6为水平回转台坐标系，
lxi,lyi,lzi分别表示i坐标系与i-1坐标系在x,y,z方向上的距离，i＝1,2,3,4，其中，lzw表示Ow-xwywzw坐标系与O5-x5y5z5坐标系在z方向上的距离，lzt表示Ot-xtytzt坐标系与O4-x4y4z4坐标系在z方向上的距离，lx5,ly5,lz5分别表示O5-x5y5z5坐标系与O-xyz坐标系在x,y,z方向上的距离；
x、y、z、A、B、C分别表示机床在三个移动方向上的进给量和三个转动方向的进给量；
步骤2、从机床原点坐标系O-xyz到工件坐标系Ow-xwywzw的坐标变换矩阵如下：
步骤3、从机床原点坐标系O-xyz到刀具坐标系Ot-xtytzt的坐标变换矩阵如下：
则刀具坐标系Ot-xtytzt相对于工件坐标系Ow-xwywzw的位姿为：
[wTt]＝[wT0][0Tt]＝[0Tw]-1[0Tt]
其中，
其中，cA＝cos(A)，sA＝sin(A)，cB＝cos(B)，sB＝sin(B)，cC＝cos(C)，sC＝sin(C)，
步骤4、机床的正解求解过程是已知三个移动方向运动部件、三个转动方向运动部件的进给量x、y、z、A、B、C，求得刀具坐标系相对于工件坐标系的位姿[wTt]，
其中，
步骤5、机床的逆解求解过程是末端执行器-刀具的位姿已经给定，即[wTt]中各元素是已知的，通过如下方程组可以求解出机床三个移动方向运动部件、三个转动方向运动部件的进给量x、y、z、A、B、C的值：
由上述方程组可求解得解析解。
本发明的有益效果是，机床工件侧包括两个运动自由度，即工作台做X向直线运动和位于工作台上的水平回转台的绕Y轴回转运动，其中回转运动直接带动工件做旋转进给运动；刀具侧包括四个运动自由度，即滑座带动立柱做Y向直线运动，滑板沿立柱做Z向垂直进给直线运动，A、C摆头分别做绕X、Z轴的回转运动。所有的运动自由度单元支撑在一个底座上，通过这六个运动自由度实现主轴头相对工件的自由灵活加工。其中，三个回转运动自由度相当于机器人结构中的关节运动，具有运动的灵活性，解决复杂曲面灵活性加工难题；直线运动扩大了加工空间，并具有机床结构的高刚性。回转运动自由度分别位于工件和主轴头的两侧，其中靠近工件具有一个B向回转运动、靠近主轴头具有A、C两个回转运动，直线运动远离主轴头和工件，这样的运动组合确保机床结构作业空间大、加工灵活性高，同时便于结构布局和运动控制，保证机床总体结构受力合理，便于提高机床整机性能，对复杂曲面的高性能加工具有重要意义。
附图说明
图1是本发明采用盘状刀具加工的机床总体结构图(工件方向观测)；
图2是本发明采用盘状刀具加工的机床总体结构图(立柱方向观测)；
图3是本发明采用指状类刀具加工的机床总体结构图；
图4是本发明的曲面加工机床运动控制模型。
图中，1.底座，2.工作台，3.水平回转台，4.工件，5.盘状刀具，6.电主轴，7.C关节，8.立柱，9.L形连接件，10.支座，11.滑板，12.A关节，13.滑座，14.尾架，15.指状刀具。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
参照图1、图2，本发明的曲面加工机床结构是，包括底座1，底座1上相邻垂直设置有纵向滑轨与横向滑轨，在底座1的横向滑轨(沿X向)上设置有工作台2(称为工件侧)，工作台2上沿纵向(沿Y向)设置有轴心相对的水平回转台3和尾架14，水平回转台3中独自安装工件4、或者与尾架14一起共同夹持支撑工件4；
在底座1的纵向滑轨(沿Y向)上设置有滑座13(称为刀具侧)，滑座13上固定连接有立柱8，立柱8上沿竖直方向(沿Z向)滑动设置有滑板11，滑板11上固定安装有支座10，支座10中通过双关节机构安装有电主轴6，电主轴6前端安装有盘状刀具5。
参照图1、图2，双关节机构是，支座10中支撑安装有A关节12，A关节12的回转轴上固定安装有L形连接件9，L形连接件9外端固定安装有C关节7，C关节7的回转轴下端固定安装有电主轴6。
A关节12的回转轴与C关节7的回转轴为垂直布置，便于数控编程。
上述的工作台2、滑座13、滑板11、A关节12、C关节7各自设置有驱动部件或转动部件，所有的驱动部件或转动部件均与总控制器信号连接，协调一致完成加工动作。
本发明装置工作原理是，
在工件侧，通过水平回转台3带动工件4做围绕Y轴的回转运动B，尾架14可以在另一端支撑工件4；工作台2通过水平回转台3和尾架14带动工件4做X向直线运动，从而实现了工件侧的两个运动自由度；
在刀具侧，盘状刀具5通过电主轴6带动做旋转切削主运动；通过C关节7带动盘状刀具5做围绕Z轴的回转运动C；通过A关节12实现盘状刀具5围绕X轴的回转运动A；通过滑板11带动盘状刀具5实现沿Z向的垂直进给运动；通过滑座13实现盘状刀具5沿Y向的直线进给运动。
本发明的机床结构，将上述结构和运动部件固定在底座1上，其中三个直线运动轴X、Y、Z的布局具有机床结构的高刚性，三个回转运动轴A、B、C的布局具有机器人的高灵活性，尤其将一个回转运动分配给工件，避免了因回转关节过多而造成的弱刚性影响。另外，工件位于底座1的一侧，具有开放的加工空间，方便装卸工件；直线运动远离工件和刀具，保证了机床整体结构的高刚性；回转运动靠近工件和刀具两侧，保证了加工的高灵活性，更好地适应复杂曲面加工。
本发明的机床结构，盘状刀具5可以是铣刀、砂轮、抛光轮等工具，通过不同的盘状刀具可以实现铣削加工、磨削加工或拋磨加工等，从而扩大了本曲面加工机床的应用领域。
参照图3，本发明的曲面加工机床通过A关节、C关节的运动变换，也可以采用指状刀具15，如立铣刀、端铣刀等，实现立式加工及任意角度的面加工，大大提高了曲面加工的灵活性。
参照图4，本发明的曲面加工机床运动控制模型，按照以下步骤实施，
步骤1、建立坐标系，以O-xyz为机床原点坐标系,即机床的基准坐标系；Ow-xwywzw为工件坐标系，Ot-xtytzt为刀具坐标系，O1-x1y1z1为滑座坐标系，O2-x2y2z2为滑板坐标系，O3-x3y3z3为A关节坐标系，O4-x4y4z4为C关节坐标系；O5-x5y5z5为工作台坐标系，O6-x6y6z6为水平回转台(B关节)坐标系，
lxi,lyi,lzi(i＝1,2,3,4)分别表示i坐标系与i-1坐标系在x,y,z方向上的距离，其中，lzw表示Ow-xwywzw坐标系与O5-x5y5z5坐标系在z方向上的距离，lzt表示Ot-xtytzt坐标系与O4-x4y4z4坐标系在z方向上的距离，lx5,ly5,lz5分别表示O5-x5y5z5坐标系与O-xyz坐标系在x,y,z方向上的距离。
x、y、z、A、B、C分别表示机床在三个移动方向上的进给量和三个转动方向的进给量。
通过机床坐标运动实现刀具与工件之间的相对运动轨迹，为了建立该机床运动控制模型，首先确定机床的基准坐标系，然后分别建立刀具侧和工件侧运动控制模型，再把两部分运动控制模型相结合，形成机床整机运动控制模型，进而确定出机床运动控制用的正、逆解。
步骤2、从机床原点坐标系O-xyz到工件坐标系Ow-xwywzw的坐标变换矩阵如下：
步骤3、从机床原点坐标系O-xyz到刀具坐标系Ot-xtytzt的坐标变换矩阵如下：
则刀具坐标系Ot-xtytzt相对于工件坐标系Ow-xwywzw的位姿为：
[wTt]＝[wT0][0Tt]＝[0Tw]-1[0Tt]
其中，
其中，cA＝cos(A)，sA＝sin(A)，cB＝cos(B)，sB＝sin(B)，cC＝cos(C)，sC＝sin(C)，
步骤4、机床的正解求解过程是已知各运动部件(三个移动方向、三个转动方向)的进给量x、y、z、A、B、C，求得刀具坐标系相对于工件坐标系的位姿[wTt]，
其中，
步骤5、机床的逆解求解过程是末端执行器-刀具的位姿已经给定，即[wTt]中各元素是已知的，通过如下方程组可以求解出机床各运动部件的进给量x、y、z、A、B、C的值：
由上述方程组可求解得的解析解有多种形式，需要根据实际加工情况来选择。
其中的一种解析解形式如下：
其中，

Claims (4)

1.一种曲面加工机床结构，其特征在于：包括底座(1)，底座(1)上相邻垂直设置有纵向滑轨与横向滑轨，在底座(1)的横向滑轨上设置有工作台(2)，工作台(2)上沿纵向设置有轴心相对的水平回转台(3)和尾架(14)；
在底座(1)的纵向滑轨上设置有滑座(13)，滑座(13)上固定连接有立柱(8)，立柱(8)上沿竖直方向滑动设置有滑板(11)，滑板(11)上固定安装有支座(10)，支座(10)中通过双关节机构安装有电主轴(6)，电主轴(6)前端安装有盘状刀具(5)或指状刀具(15)。
2.根据权利要求1所述的曲面加工机床结构，其特征在于：所述的双关节机构是，支座(10)中支撑安装有A关节(12)，A关节(12)的回转轴上固定安装有L形连接件(9)，L形连接件(9)外端固定安装有C关节(7)，C关节(7)的回转轴下端固定安装有电主轴(6)。
3.一种曲面加工机床结构的运动控制模型，其特征在于，按照以下步骤实施，
步骤1、建立坐标系，以O-xyz为机床原点坐标系,即机床的基准坐标系；Ow-xwywzw为工件坐标系，Ot-xtytzt为刀具坐标系，O1-x1y1z1为滑座坐标系，O2-x2y2z2为滑板坐标系，O3-x3y3z3为A关节坐标系，O4-x4y4z4为C关节坐标系；O5-x5y5z5为工作台坐标系，O6-x6y6z6为水平回转台坐标系，
lxi,lyi,lzi分别表示i坐标系与i-1坐标系在x,y,z方向上的距离，i＝1,2,3,4，其中，lzw表示Ow-xwywzw坐标系与O5-x5y5z5坐标系在z方向上的距离，lzt表示Ot-xtytzt坐标系与O4-x4y4z4坐标系在z方向上的距离，lx5,ly5,lz5分别表示O5-x5y5z5坐标系与O-xyz坐标系在x,y,z方向上的距离；
x、y、z、A、B、C分别表示机床在三个移动方向上的进给量和三个转动方向的进给量；
步骤2、从机床原点坐标系O-xyz到工件坐标系Ow-xwywzw的坐标变换矩阵如下：
步骤3、从机床原点坐标系O-xyz到刀具坐标系Ot-xtytzt的坐标变换矩阵如下：
则刀具坐标系Ot-xtytzt相对于工件坐标系Ow-xwywzw的位姿为：
[wTt]＝[wT0][0Tt]＝[0Tw]-1[0Tt]
其中，
其中，cA＝cos(A)，sA＝sin(A)，cB＝cos(B)，sB＝sin(B)，cC＝cos(C)，sC＝sin(C)，
步骤4、机床的正解求解过程是已知三个移动方向运动部件、三个转动方向运动部件的进给量x、y、z、A、B、C，求得刀具坐标系相对于工件坐标系的位姿[wTt]，
其中，
步骤5、机床的逆解求解过程是末端执行器-刀具的位姿已经给定，即[wTt]中各元素是已知的，通过如下方程组可以求解出机床三个移动方向运动部件、三个转动方向运动部件的进给量x、y、z、A、B、C的值：
由上述方程组可求解得解析解。
4.根据权利要求3所述的曲面加工机床结构的运动控制模型，其特征在于，所述的步骤5中，一种解析解形式如下：
其中，
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