基于RGRR-Ⅰ并联双自由度转动机构的混联五轴机床研究.pdf

机械制造 顾若波 ， 等 基 于 R G R R-I 并联双 自由度转 动机构 的混联 五轴机床研 究 基于 RGR R-I并联双 自由度转动机构 的混联五轴机床研究 顾若波， 姜铭， 陈秋亮 扬州大学 机械工程学院， 江苏 扬州 2 2 5 1 2 7 摘要 传统的串联式数控机床存在刚度低的缺点。并联双自由度转动机构 R G R R- I 刚度高， 且有着工作空间／ 机构尺寸比大、 耦合为零、 制造容 易等一系列的优点。运用 R G R R - I 构造的 并联双 自由度转动刀头摆动精度高、 工作空间大。基于混联五轴联动车床的工作要求， 研究能 实现绕 x y z 三个直线运动坐标移动， 两个运动轴坐标回转的混联五轴联动机床， 分析其工作机 理， 建立有关模型。该研究也可为其他混联机床的设计与制造提供借鉴。 关键 词 混联机床 ； 转动 ； 刚度 ； 自由度 中图分类号 T H1 1 2 文献标志码 B 文章编号 1 6 7 1 5 2 7 6 2 0 1 4 0 1 - 0 0 3 7 0 2 Re s e a r c h o n Hy b r i d Ma c h i n e To o l B a s e d o n RGRRI G U R u o - b o ， J I A N G Mi n g ， C HE N Q i u - l i a n g C o ll e g e o f Me c h a n ic a l E n g in e e r i n g ，Y a n g z h o u U n iv e r s i t y ， Y a n g z h o u 2 2 5 1 2 7 Ab s t r a c t T h e d is a d v a n t a g e o f t h e t y p ic a l s e r ie s ma c h in e t o o l is l o w s t iff n e s s ． b u t R GRR I i s n o t o n l y c h a r a c t e r is t ic of h i g h s t iff - n e s s， b u t a l s o of a f e w mo v i n g p a r t s，b i g c omp ar i s on o f wo r k sp a c e t o dime n s i o n，ea s y ma n u f a c t u r e。e t c． Th e 2 -DOF p ar all e l b i t too l s t r u ctu r e wit h R GRR I h a s t h e a d v a n t a g e s o f h ig h p r e c i s io n a n d l a r g e o p e r a t i o n s p a c e ． A c c o r d i n g to t h e r e q u i reme n t s of h y b r id ma - c h i n e t o o l ， t h i s p a pe r r e s e ar c h e s on t h e h y b r id mac h i n e t o ol whic h c a n t r av e l a l o ng t h e a x is of x y z a n d r o t a t e wit h t wo a x i s 0 f r e v o l u - t i o n， an a l y s e s it s wo r k in g p r in c i p l e a n d s e t s u p t h e mo de 1 ． The s t u d y a l s o g iv es a r e f er e n c e t o t h e d e s i g n an d ma nu f a c t u r i n g of o t h e r h y br i d ma c hine t o ols ． Ke y wo r d s h y b r id ma c h in e t o o l s ；r o t a t io n ；s t iff n e s s； d e g ree o f f r e e d o m 0 前言 五轴联动机床， 由于自由度多达 5 个， 刚性对切削速度 和加工品质的影响尤为突出。目 前五轴联动机床结构的主 流是采用传统的串联结构， 串联机构是现代加工装备中最常 用的结构类型， 理论上具有工作范围大， 灵活性好等特点， 但 精度低， 刚性差， 为提高精度和刚性， 不得不将部件制造得宽 大厚实， 由此导致了活动范围和灵活性能的下降 J 。近年 来， 并联机构由于具有运动部件质量轻， 惯量小， 更有利于实 现高速的进给运动， 理论精度高 避免了串联结构那样， 各轴 运动误差的累积和放大 等优点而得到迅猛发展； 但目前的 并联机构普遍存在工作空间较小， 难以测量空间位置导致不 易实现精确补偿， 运动编程较复杂等不足 ， 因此限制了其 在机械工程行业更广阔的发展。 串联、 并联机构在结构和性能特点上的对偶关系， 决 定了它们在应用上不是替代关系而应是优势互补l 8 3 。混 联机器人混合了并联机构和串联机构 ， 并兼具两者的特 点， 在很大程度上克服了纯并联机器人工作范围小的缺 点， 使并联机器人的应用更具灵活性和实用性， 各种不同 形式的串联并联结合， 为并联机器人带来了很大的发展空 间[ 3 -4 ] 。文献[ 5 ． 7 ] 介绍了众多西方发达 国家的混联切削 机器人 ， 如德国D y n a - M型混联加工中心和 V l 0 0型立式 车削中心、 瑞典基于 3自由度 T r i c e p t 并联机器人的 T MC 8 4 5型 5坐标数控铣床、 德国采用 S p ri t Z 3型并联主轴部 件的 E c o s p e e d型大型加工中心等。文献[ 8 1 0 ] 介绍了国 内学者研究混联机器人的进展。 R G R R - I 动机构工作空间／ 机构尺寸比大、 机构耦合度 为零、 无奇异位形且具有高刚度的特点， 在机器人、 机床等方 面得到运用“ 。本文运用 R G R R I 并联双自由度转动机构 构造出了双自由度转动刀头， 具有刀具的高速旋转 用于切 削 和Y 轴的转动； 结合传统的三坐标数控机床与单自由度 回转工作台， 设i十制造出一种新型混联五轴机床。 1 R GR R- I 并联摆动刀头设计 图 1为 R G R RI并联双 自由度转 动机 构 简称 R G R R - I ， 构件 0为机架 ， 圆锥齿轮 1 中心轮 和圆锥齿 轮 2 行星轮 啮合于 点 ， 圆锥齿轮 1 与圆锥齿轮2的回 转轴心线相交于 0点， 圆锥齿轮 1 的运动输入控制圆锥 齿轮 2 绕着其 自身轴线的旋转， 幅度为 0 。 一 3 6 0 。 ； 系杆 3 的运动输入控制圆锥齿轮 2绕着系杆 3的轴线进行摆动， 幅度为 - 9 0 。 ～ 9 0 。 ； 因此圆锥齿轮 2的运动输 出是双 自由 度转动。当圆锥齿轮 1 、 系杆 3作为运动输入， 分别转动 作者简介 顾若波， 硕士研究生， 主要从事机床结构设计以及机构刚度的研究。 Ma c h in e B u i ld i n g 8 Au t o m a ti o n ，F e b 2 0 1 4 ， 钉 J 3 7 3 8 ， 5 1 3 7 机械制造 顾若波， 等 基于 R G R R 一1 并联双 自由度转动机构的混联五轴机床研究 、／3 角度时， 圆锥齿轮 2作为运动输出构件在固定坐标 ㈩ 图 1 R GR R- I 并联双 自由度转动机构简图 Z ． 和 z 分别为圆锥齿轮 1 和圆锥齿轮 2的齿数 。 故 R G R R- I 并联机构可 以制作并联摆 动刀头 ， 即 绕摆动轴 轴 3 6 0 。 的转 动可 以带动刀具的旋转， 而绕 固定坐标系 Y轴做一9 0 。 一 9 0 。 的摆动可以驱动 刀具产 生摆动运动 ， 所设计 的 R GR R I 并联摆动刀头样机如 图 2所示 。 图 2 并联 摆动刀头 运用 R G R R - I 并联摆动 头搭建的混联五轴机床如 图3所示， 电机 1 产生 轴移动， 电机 3产生 轴移动， 电 机 5产生 Y轴移动， 电机4带动工作台产生 。 轴 c轴 旋 邑 乜 机2 图3 基于双 自由度摆动刀头的混联五轴机床 3 8 转， 电机 6 带动刀头产生Y轴 轴 摆动， 电机 2带动刀 具做切削运动 ； 电机 2 、 电机 6是 并联 摆动 刀头 的 两个 电 机。运用 R G R R I 并联摆动刀头可以便捷构造五轴联动 机床， 对异型曲面的加工有积极意义。 2 混 联五轴 联动 机床 结构 及工作 原理 新型的混联机床， 三个移动副采用传统的串联结构 ， 转动为 2个并联转动结构。现对其结构与工作原理 图 4 ， 图5 介绍如下。 图 4 新型混联五轴联动机床 床身 2安装在地基 1上， 工作台 3安装在床身 2上， 并可以作 、 Y方向移动， 立柱 1 3安装在床身 2上， 主轴箱 l 5可以沿立柱 1 3 做 。 轴方向的移动， 主轴箱 l 5驱动刀具 1 4旋转； 并联转动结构安装在T作台 3上， 并联转动结构 包括 第一组传动机构包括电机 4 、 减速器 5 、 中心轮 6均 安装在工作台3上， 电机4通过减速器 5驱动中心轮 6旋 转； 第二组传动机构包括电机 I 1 、 减速器 l O 、 中心轮 9和 系杆 8均安装在工作台 3上 ， 电机 1 1 通过 减速器 l O驱动 系杆 8 旋转 ， 系杆 8上安装行星齿轮7 ， 行星齿轮 7和中心 轮 6 、 中心轮 9相啮合， 行星齿轮 7上安装工作台 l 2 ， 且行 星齿轮 7和工作台 1 2为同一个构件。增加减速器的目的 是在同样的电机输出功率下增加力矩。增加中心轮 9的 作用在于可以增加数控机床的刚性。 7 l 2 9 6 C 8 3 图 5 新型混联五轴联动机床 下转第 5 1 页 h tt p ffZ Z H D ． c h i n a j o u r n a 1 ． n e 1 ． C n E - m a i l Z Z H D c h a i n a j o u m a 1 ． n e t ． c n 机械制造与自动化 机械制造 陈清良， 等 钛合金大进给铣削数控加工程序优化及应用 5 结语 钛合金的高速高效切削加工一直是业内研究的热点 问题， 通过在粗加工过程中应用钛合金大进给铣削加工 方式， 大幅提高了钛合金飞机结构件的加工效率， 取得 了较好的经济效益。但在实际加工过程 中， 采用钛合金 大进给铣削加工方的同时， 沿袭传统钛合金数控编程方 式的加工将导致大量的效率丧失和产品品质问题， 在大 进给铣削的基础上进行针对性的数控加工程序优化在 实际生产中对 品质和效率的提升效果显著。随着钛合 金大进给铣削加工方在产品制造中的逐步推广应用 ， 针 对不同问题、 不同特征的程序优化技术将不断的发展改 进 ， 将在很大程度上实现钛合金的高效率加工， 并且提 升 了产 品的品质 。 参考文献 [ 1 ]孙聪 ， 王 向明， 等 ， 现代战斗机机体 结构特征 分析 [ M] ， 北京． 航空工业出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 2 ] 罗汉兵， 赵军， 李安海， 等． 高速铣削钛合金 T i 6 A 4 V铣削力试 验研究 [ J ] ， 组合机床与 自动化加工技术 ， 2 0 1 1 5 1 8 2 0 ． [ 3 ]楚王伟 ， 牟文平， 龚清洪， 等． 钛合金飞机结构件高效铣削技术 研究[ J ] ， 工具技术 ， 2 0 0 8 ， 4 2 8 4 3 ． 4 6 ． [ 4 ]李丹， 刘长清， 刘华． 基于虚拟加工技术的数控程序优化[ J ] ， 机械设计与研究 ， 2 0 0 6 ， 2 2 6 8 8 9 0 ． [ 5 ] 赵威， 何宁， 等． 薄壁结构的高效铣削加工[ J ] ， 航空精密制造 技术 ， 2 0 0 2 ， 3 8 6 1 2 - 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8 8 ． [ 3 ]J ． E ．G w i n n e t t ．A m u s e m e n t D e v i c e[ P] ，U n i t e d S t a t e s ， 1 93 1，1 7 8 9 6 8 0． [ 4 ]S t e w a r t A P l a tf o r m w i t h s i x d e g r e e s of f r e e d o m[ C] ，P r o c e e d i n g s o f I n s t i t u t e of Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ，1 9 6 5 ， 1 8 01 5 3 7 1 3 8 6 ． [ 5 ]K ． H ． H u n t ． K i n e m a t i c G e o e m t r y o f M e c h a n i s m s [ J ] ，O x f o r d C l a r e d o n Pr e s s ，1 9 7 8 1 0 1 8 ． [ 6 ]H ． M a c C a l l i o n ， D ． T ． P h a m ． T h e A n a l y s i s o f A 6 - D o F Wo r k S t a - t i o n f o r Me c h a n i z e d A s s e m b l y [ C] ，P r o c e e d i n g s of 5 r d C o n g r e s s o n TMM ，Mo n t r e al，Ca n a d a，1 9 7 9 6 1 1 - 61 6 ． [ 7 ]杜铁军． 机器人误差 补偿器研究 [ D] 秦皇 岛 燕 山大学学位 论文 ， 1 9 9 4 2 - 8 ． [ 8 ]朱思俊． 少自由度并联机构运动学及五自由度并联机构的相 关理论[ D ] 秦皇岛 燕山大学学位论文， 2 0 0 7 ． [ 9 ]王立平 ， 汪劲松． 新型并联机床的研究状况及应用前景[ J ] ． 航 空制造技术 ， 2 0 0 4 6 2 6 - 3 0 ． [ 1 O ]王艳 ， 孟祥志． 三杆混联数控机床 的运动学研 究 [ J ] ． 中国机 械工程 ， 2 0 0 5 ， 1 6 1 5 1 3 2 1 1 3 2 4 ． [ 1 1 ] 姜铭， 易红， 李鹭扬， 等． R G R R I 构造混联 6 R机器人[ J ] ． 机 械工程学报 ， 2 0 1 0， 4 6 1 3 0 3 6 ． 收稿 日期 2 0 1 30 1 0 7 5 1