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多领域应用的新颖五轴激光导向头

2008-03-29 09:41
铁马老言
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1 国内外发展现状

        在五轴机床中,3个移动轴和2个旋转轴分别控制刀具相对加工表面的位移和指向。将此五轴按照不同顺序串联可获得多种布局,其中两旋转轴直连正交的布局具有特殊优点:①符合运动学思维习惯;②与两转轴非直连结构相比,旋转轴改变刀杆空间指向时,刀尖相对工件的位置偏移较小,减少了移动轴补偿;③后置处理计算简单,一般类似于球镜刀半径补偿。该布局具体分为两种:①两旋转轴共同驱动工件,即双转盘结构;②两旋转轴共同驱动刀具,其结构类似机械臂。前者的刀轴安装简单、刚性好,多用于机加工;而后者可获得更高的转角速度、更灵便,多用于激光切割等领域而被称为导向头。

       导向头的典型结构如图1所示,旋转轴C、A与刀轴T相交于同一点,光束经过4次90°反射,从该几何交点射出,轴C和轴A分别控制刀具(或光束)的水平转角和俯仰角α,其光路与字符Ω形似,暂命名为Ω结构,以便表述。

        图2是Ω结构的简化版本,其应用也十分广泛。因为缩短了光路,上述三轴无法相交于一点。其优点是结构简单易于制造和安装,并且光路损耗较小;缺点是后置处理比Ω结构复杂,加工曲面时,需要移动轴来补偿图中的偏心距LCA。同时,移动轴行程的利用率也被降低。

        近年来,在激光切割领域处于领先地位的NTC(日平富山)和三菱等公司在其五轴激光加工系统中都采用了一种新型导向头(如图3),轴C按常规布置,另一旋转轴φ与轴C成45°角相交,刀轴T绕轴φ 旋转并与之保持45°。其光路与字符三形似,暂命名为∑结构。∑结构在国内相关领域尚不多见,其新颖的设计带来了许多优点,非常值得借鉴。

2 ∑结构的运动学特性

        如图3和图4,在∑结构中,轴C、轴φ和刀轴T相交于一点,并且在安装时保证刀尖(或激光焦点)精确位于该几何交点处。这就使得轴C和轴φ进行任意旋转时,刀尖位置不会被改变,因而在五轴联动过程中,加工轨迹的位置精度仅取决于三移动轴,而与两旋转轴元关。

        通过与传统的Ω结构进行比较正结构的优点在具体应用中主要体现在:

        ① 由于三系统的位置控制独立于转角控制,其位置精度的可靠性更高,这一点对于激光切割等加工尤其重要。因为加工中位置精度不仅决定了轨迹生成,还关系到导向头到工件表面的距离,这直接影响激光焦点和辅助吹气气嘴的位置,并最终影响切割质量,包括缝宽均匀性、切口平整性和背面挂渣状况等。此外,这一点对机床的安装和调试也十分有利。

       ② ∑结构中各导轨行程得以完全利用,而Ω结构中移动轴的加工范围通常小于其导轨行程。例如,考察Ω导向头加工图4中半径为R的半圆I-II-III-IV,其移动轴合成轨迹却是半径等于(R+Lr)的半圆(Lr为刀轴T的长度,图4中Lr=MII),因而,能够加工的最大工件半径相比立结构减少了Lr(暂且不考虑Z轴的行程限制)。

        ③传统的Ω导向头与∑结构相比,对于同样的加工对象,耗时和耗能更多,而且移动轴被迫以更高的速度运行,这对于半径很小的圆弧(包括整圆)的加工尤为不利,分析如下。

        目前激光切割通常采用吹氧辅助,为了实现切口平整、减少挂渣,切割速度较高,通常V≈15mm/s(薄板的对应速度更高)。在图4中,设R=lOmm, Lr=295mm,由几何关系可知,Ω导向头加工该半圆时,移动轴合成线速度为: VΩ=(Lr + R)V/R=450 mm/s

        该速度超过了一般机床的移动轴速度极限,多轴联动时该速度对各移动轴的动态特性也有很苛刻的要求,无形之中增加了机床的硬件成本,而∑结构则避免了该问题。

        ④立结构应用于机床的示教编程时特别方便。示教编程已经逐渐成为多轴加工机的必备功能,它可以在没有零件3D模型时,实现迅捷加工。示教编程时,一般只需获得移动轴坐标,基于移动轴坐标进行曲面重构之后,再可得到旋转轴坐标。

        在曲面的任意点位上,∑系统均可直接获取移动轴坐标,而Ω结构则必须进行刀具半径补偿的逆运算。另外,示教时需要在各个点位上手动对刀,调整刀尖(或测头尖端)位置刚好与加工点接触,并且调整刀轴尽量沿着曲面法向,操作十分麻烦。由于∑结构的移动轴和旋转轴运动独立,其示教工作的劳动强度要大大低于0 结构。固立结构的刀路数据后置处理。

        由前述分析可知,在3个移动轴方面,∑结构不需要特别的后处理,CAM软件基于零件3D模型生成的移动轴数据可直接用于后续加工,而Ω结构则需要进行后置处理,即在各移动轴原始数据上叠加对刀轴长度Lr的补偿。

        而在两旋转轴方面,情况却相反。∑结构需要额外地对水平转角进行补偿。这是因为轴φ在改变刀轴的俯仰角α时,也同时改变了刀轴的水平转角θ,产生的附加水平转角偏移为△c(见图4),轴C必须对此偏移进行补偿。具体分析如下。

        图4 中,辅助线IIs平行于X轴,M''''和N''''分别为M和N在轴C-轴φ平面内的投影。定义C为连杆JK绕轴C相对X轴正向的转角。定义φ为连杆PM绕轴φ相对其初始位置PQ的转角。点I处φ=O(点I处光路己省略),点W处φ=2n。定义曲面法矢的水平转角θ为法矢(IIM)的水平投影(IIN)与X轴的夹角。定义曲面法矢的俯仰角α为法矢(IIM)与其水平投影(IIN)的夹角。

        不失一般性,在点II处,现已知曲面法矢为IIM,其角度坐标为(θ,α),需求解轴C和轴φ的转角位置(c,φ) 。

        由图中几何关系可得,

        转角φ对水平转角θ产生的附加偏移为△c,图中对△c有如下关系:

        在水平面SIIQ内可得轴C位置为:C=θ+(-△c),其中,

        φ- α和△c-α的关系曲线如图5所示,φ-α曲线十分光顺,无奇异点,曲线整体上与斜率为2的直线接近,这些都有利于对刀轴矢量的控制。较为不利的是,曲线在起始段(α=0附近)斜率很大,此处对应φ轴的转速很高,不过该情形在实际加工中较少碰到。△c-α曲线与之类似。

        轴C 和轴φ在2Л范围内旋转时,∑结构的运动分解不唯一。例如图4 中点II处,导向头关于圆柱端面的镜像,也能使得刀轴T与该点法矢匹配。具体的运动分解由CAM软件根据加工类型定制,以提高加工效率。例如,对于水平面 (或接近水平)内的加工时,轴C允许2Л范围旋转,而轴φ限制在0-Л;加工图4所示的拉伸曲面的截断面时,轴φ允许2Л旋转,而轴C在拉伸方向(图4中圆柱轴向)附近作小范围摆动。

3 结论

        本文介绍了一种新颖的五轴加工导向头,并结合实际应用分析了该结构的多种优点。在切削力很小(或为零)的激光加工、高速锐和坐标测量等领域,该导向头结构均可获得很好的应用。

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