抽屜式換煤機設(shè)計【含CAD圖紙、PROE三維】
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并聯(lián)機床中工件安裝定位系統(tǒng)的開發(fā)
趙曉明,邵 華,服部和也,堤正臣
1. 上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院, 上海200030;
2. 日本豐田工機公司技術(shù)研究所, 刈谷市44828652;
3. 日本東京農(nóng)工大學(xué)生物系統(tǒng)應(yīng)用科學(xué)研究科, 東京18428858
顧曉華 譯
摘 要: 并聯(lián)機床由于結(jié)構(gòu)和工作空間極其復(fù)雜, 在加工工件時經(jīng)常出現(xiàn)各種干涉. 以日本豐田工機公司的HexaM 并聯(lián)機床為模型, 討論了并聯(lián)機床的自己干涉、機床與工件的干涉、機床與周邊器械的干涉的檢查方法和回避方法. 提出了在不修改刀具軌跡的情況下, 通過調(diào)整工件的安裝位置來回避以上干涉的計算方法. 最后通過實驗, 證明了算法對于在實際加工前檢查可能出現(xiàn)的干涉,以及確定出無干涉的工件安裝位置是非常有用的.
關(guān)鍵詞: 并聯(lián)機床; 干涉檢查; 回避; 刀具軌跡; 安裝位置
近年來, 并聯(lián)機床的開發(fā)和應(yīng)用日益增多, 但由于其結(jié)構(gòu)及工作空間非常復(fù)雜, 在使用它加工工件時, 極有可能發(fā)生機床零件間的自己干涉及機床與工件的干涉. 另外, 如果像并聯(lián)機床HexaM 那樣,在工作臺上還安裝有自動換刀裝置等周邊器械, 在安裝工件時, 它可能會限制工件的安裝位置, 即出現(xiàn)工件與周邊器械的干涉, 加工時還可能出現(xiàn)機床與周邊器械的干涉.
關(guān)于并聯(lián)機床自己干涉的檢查方法和機床工作空間已有諸多研究. 其中, 筆者等以日本豐田工機公司的并聯(lián)機床HexaM 為模型, 探討了并聯(lián)機床自己干涉的檢查方法, 提出了工作空間的近似表達式. 另一方面, 在5 坐標(biāo)數(shù)控加工時, 刀具系統(tǒng)(刀具、夾頭和主軸) 與工件系統(tǒng)(工件和夾具) 干涉的檢查方法也有多種. 其中, 竹內(nèi)等從刀具系統(tǒng)表面上取若干個點作為干涉檢查點, 而工件表面均由較簡單的函數(shù)構(gòu)成, 當(dāng)干涉檢查點位于函數(shù)內(nèi)部時,可以判斷為機床與工件發(fā)生干涉; 筆者等提出的方法與此正好相反, 即是從工件系統(tǒng)表面上選取干涉檢查點, 看是否進入刀具系統(tǒng)來進行干涉檢查. 由于數(shù)控機床的周邊器械一般都不是放置在工作臺面上, 所以, 在這兩種檢查方法中, 都沒有考慮加工過程中機床與周邊器械的干涉問題.
以上這些研究詳細討論了并聯(lián)機床的自己干涉及機床與工件的干涉檢查和回避方法, 但在使用并聯(lián)機床前, 還存在如下幾個問題:
① 對于工作臺上有周邊器械等障礙物的機床, 應(yīng)考慮機床與周邊器械可能發(fā)生的干涉;
② 在檢查機床與工件的干涉時, 還應(yīng)考慮主軸夾板、夾板鉸鏈及連桿與工件可能發(fā)生的干涉, 但現(xiàn)有的CAM 軟件中并不包含這樣的干涉檢查;
③ 當(dāng)機床與工件存在干涉時, 一般總是通過調(diào)整刀具姿勢來回避干涉的. 事實上, 對于并聯(lián)機床, 除調(diào)整刀具姿勢外, 還可以通過調(diào)整工件的安裝位置來回避各種干涉. 而且, 這種回避方法的最大優(yōu)點是可以不改變現(xiàn)有的CAM 軟件.
本文以通用CAM 軟件輸出的刀具軌跡為基礎(chǔ), 提出了縮短檢查干涉時間的檢查點文件的組成方式, 并通過調(diào)整工件的安裝位置來回避可能發(fā)生的各種干涉, 提出了檢驗該工件能否進行加工以及可加工時工件最佳安裝位置的計算方法.
1 干涉檢查與干涉回避
本文使用的并聯(lián)機床HexaM、周邊器械(刀庫)和工件的安裝簡圖如圖1 所示. 因此, 對于本機床來說, 在加工過程中和安裝工件時可能發(fā)生的干涉有自己干涉、機床與工件的干涉、機床與周邊器械的干涉以及工件與周邊器械的干涉.
如果所用并聯(lián)機床的工作臺上沒有周邊器械或周邊器械放置的比較遠, 不會影響工件的安裝位置或加工過程中也不會出現(xiàn)機床與周邊器械干涉現(xiàn)象時, 則可省略機床及工件與周邊器械的干涉檢查.
圖1 并聯(lián)機床HexaM 簡圖
1. 1 自己干涉
1. 1. 1 檢查點的組成 在加工過程中, 所有刀具位置可以應(yīng)用文獻中所述方法檢查是否會發(fā)生自己干涉. 如果發(fā)生干涉, 則用調(diào)整工件的安裝位置來回避干涉. 工件的安裝位置改變后, 加工過程中的刀具位置自然也就改變了. 因此, 還須再次進行檢查,直到不發(fā)生自己干涉為止. 由于在每一個安裝位置上要對所有的刀具位置進行檢查, 計算時間必定很長. 為了縮短計算時間, 本文并非對所有刀具位置,而只是抽出少量的刀具位置(以下稱為檢查點) 進行干涉檢查. 因此, 抽出檢查點時必須要作到: 在檢查點如果不發(fā)生自己干涉, 則在其他的刀具位置也不會發(fā)生自己干涉. 設(shè)置檢查點的優(yōu)點是可以大量減少檢查次數(shù).
刀具距z 軸越遠、位置越高、傾斜程度越大, 就越容易發(fā)生自己干涉. 因此, 對于待加工的工件,從刀具軌跡中抽出最外測的點、刀具位置較高的點、刀具傾斜角較大的點作為判斷是否發(fā)生自己干涉的檢查點.
1. 1. 2 檢查干涉的方法 刀具位置和姿勢分別在直進空間圓和回轉(zhuǎn)空間圓內(nèi)時, 一定不會發(fā)生自己干涉. 所以, 自己干涉的檢查方法為: ① 讀取所有檢查點, 求出每一個檢查點所對應(yīng)的直進空間圓和回轉(zhuǎn)空間圓. ② 刀具位置和姿勢分別在對應(yīng)的直進空間圓和回轉(zhuǎn)空間圓內(nèi)時, 判定為在該檢查點不會發(fā)生自己干涉; 在所有的檢查點都不發(fā)生干涉時,則判定為在該安裝位置不會發(fā)生自己干涉. ③ 如果在某檢查點的位置或姿勢超出了直進空間圓或回轉(zhuǎn)空間圓, 則用文獻中所述的檢查干涉的方法進行復(fù)檢. 由于空間圓比一般的檢查干涉的計算量要小的多, 所以, 這樣的檢查方法可以縮短每次檢查的計算時間.
1. 1. 3 回避干涉的方法 由于在同一水平面內(nèi), 刀具位置在z 軸上時最不容易出現(xiàn)自己干涉. 所以, 如果在某個檢查點出現(xiàn)了自己干涉, 則將該檢查點與z 軸的連線作為回避方向. 然后, 將工件的安裝位置沿回避方向移動10 mm. 如果連續(xù)兩次回避方向的夾角大于150°, 可以認為回避方向已經(jīng)翻轉(zhuǎn), 在該水平面內(nèi)不存在能夠安裝的位置, 所以, 只能將工件的安裝位置向上提高. 本文中, 每次提高10 mm. 如果自己干涉是主電機與回轉(zhuǎn)絲杠下端的干涉,則說明工件過高或工件的安裝位置過高, 不能采用本機床加工.
1. 2 機床與工件的干涉
1. 2. 1 檢查點的組成 如圖2 所示, 機床與工件之間可能發(fā)生干涉的零部件有刀具、夾頭、主軸頭、主軸夾板、夾板鉸鏈和連桿. 工件可以認為是由加工表面和非加工表面構(gòu)成. 其中, 加工表面由加工點、與機床可能會發(fā)生干涉的非加工表面由非加工點構(gòu)成, 在此, 將加工點和非加工點統(tǒng)稱為查詢點.
圖2 并聯(lián)機床與工件干涉的檢查方法
查詢點與刀具、夾頭、主軸頭和主軸夾板發(fā)生的干涉稱為第1 類干涉.這類干涉只與刀具的姿勢有關(guān), 與工件的安裝位置無關(guān). 所以, 如果檢查到這類干涉, 只能通過調(diào)整刀具姿勢進行回避, 這就要修改CAM 軟件, 超出了本文討論的范圍.
查詢點與夾板鉸鏈或連桿發(fā)生的干涉稱為第2類干涉.這類干涉是能夠通過調(diào)整工件安裝位置回避的.下面介紹這兩類干涉的檢查點的組成方法.
設(shè)有一圓錐體, 其頂點為刀具中心、圓錐角H0為包含刀具、夾頭、主軸頭和主軸夾板的最小角度;刀具中心到夾板鉸鏈的最小距離為d 0; 在刀具軸方向上的最小距離為h0, 則H0、d 0 和h0 可以根據(jù)機床零部件的結(jié)構(gòu)尺寸和夾板鉸鏈的最大回轉(zhuǎn)角等參數(shù)求出.
對于任一加工點P , 計算P 與所有查詢點Q 的連線PQ 和刀具軸的夾角H、線段的長度d 以及線段PQ 在刀具軸線方向上投影的長度h. 因此, 滿足條件H< H0 的查詢點作為第1 類干涉的檢查點; 滿足條件d < d 0 且h< h0 的查詢點作為第2 類干涉的檢查點.對于所有的加工點,均求出這兩類檢查點,并存入檢查點文件.
1. 2. 2 檢查干涉的方法 在檢查是否出現(xiàn)第1 類干涉時, 首先將刀具、夾頭、主軸頭和主軸夾板(簡稱為刀具系統(tǒng)) 以及第1 類干涉的檢查點向x z 平面投影, 然后, 檢查落入刀具系統(tǒng)投影內(nèi)的檢查點是否與刀具系統(tǒng)發(fā)生干涉. 由于第1 類干涉與工件的安裝位置無關(guān), 所以, 在計算工件的安裝位置之前, 只需進行1 次這樣的檢查計算.
由于工件安裝位置的不同, 必將導(dǎo)致夾板鉸鏈和連桿的位置與姿勢的變化. 所以, 工件的安裝位置每次調(diào)整后, 都必須檢查是否會發(fā)生第2 類干涉. 因此, 如何減少第2 類干涉的檢查點是縮短檢查時間的關(guān)鍵. 本文中, 判斷第2 類干涉檢查點的條件是滿足d < d 0 且h < h0, 這對于較小的工件或者較平坦的工件, 可以大幅度地削減檢查點數(shù).
1. 2. 3 回避干涉的方法 當(dāng)出現(xiàn)干涉時, 其回避方法與出現(xiàn)自己干涉時的回避方法相同.
1. 3 機床與周邊器械的干涉
1. 3. 1 檢查點的組成 圖3 為并聯(lián)機床HexaM中的周邊器械、工件以及加工時刀具軌跡的俯視圖.從圖3 可以看出, 周邊器械設(shè)置在工作臺的第1 象限, 所以, 將刀具軌跡中心的第1 象限的外測點(·)作為干涉的檢查點.
圖3 機床與周邊器械干涉的檢查點與回避方向
1. 3. 2檢查干涉的方法 可能與周邊器械發(fā)生干涉的機床零件有刀具、夾頭、主軸頭、夾板鉸鏈、連桿和主軸夾板, 它們的形狀為圓柱體和有界平面構(gòu)成的多面體, 而周邊器械的外形為多面體.所以,周邊器械與機床零件之間可以沿用“有界平面與圓柱體”及“有界平面與有界平面”的干涉檢查方法.即在所有的檢查點上, 計算構(gòu)成周邊器械的有界平面與機床零件的圓柱體或有界平面之間是否有交點.如有交點, 說明發(fā)生干涉; 如無交點, 則說明不發(fā)生干涉. 如上所述, 工件安裝位置的不同必將帶來機床零件位置和姿勢的變化, 所以, 每次設(shè)定新的工件安裝位置之后, 必須再次檢查是否發(fā)生機床與周邊器械的干涉.
1. 3. 3 回避干涉的方法,如果機床與周邊器械發(fā)生干涉, 則將周邊器械前表面的法線方向作為回避方向, 回避方法與發(fā)生自己干涉時的回避方法相同.
1. 4 工件與周邊器械的干涉
為了能快速地檢查出在安裝時工件與周邊器械是否存在干涉, 首先將工件向xy 平面投影,并用有界多邊形包絡(luò)工件的投影.然后,使用“有界平面與有界平面”來檢查工件與周邊器械的干涉. 每次給出工件安裝位置以后, 都必須進行這種干涉檢查.如果工件與周邊器械發(fā)生干涉, 則將周邊器械前表面的法線方向作為回避方向, 回避方法與發(fā)生自己干涉時的回避方法相同.
1. 5 檢查點的插補
從上述內(nèi)容知道, 除工件與周邊器械的干涉檢查外, 其他的干涉檢查都是在檢查點處計算是否存在干涉. 因此, 如果檢查點之間的距離過大, 則存在著在檢查點沒有干涉, 而在檢查點之間會發(fā)生干涉,而這樣的干涉又沒有被發(fā)現(xiàn)的可能. 這在實際加工時是絕對不允許的.
要解決檢查點之間可能存在的干涉問題, 主要有兩種方法: 一是簡單函數(shù)與多面體求交的方法;二是將檢查點之間的距離縮小. 第1 種方法對于檢查機床與工件的干涉特別有效, 但不能用來解決自己干涉; 第2 種方法對于各種干涉的檢查都適用, 但如果檢查點之間的距離過小, 則檢查點的數(shù)量巨大,檢查干涉的計算時間會很長. 所以, 本文中設(shè)定一個安全距離, 根據(jù)這個安全距離來縮短檢查點之間的距離,以便達到檢查結(jié)果既要可靠, 檢查時間又要短的目的. 具體方法如下.
在進行判斷兩個物體是否干涉時,首先將其中一個物體擴大5 mm. 如果擴大后兩個物體有交點,則判定為兩個物體有干涉. 如果交點在距物體表面5 mm 以內(nèi),實際上還是沒有發(fā)生干涉.即如果判定兩個物體不存在干涉, 那么, 兩個物體的距離應(yīng)在5mm以上.在此,將這5mm稱為安全距離.
對于由CAM 系統(tǒng)輸出的查詢點和刀具軌跡,如果相鄰的查詢點的距離或刀具軌跡的距離大于安全距離, 則在查詢點之間或刀具軌跡間插補一些點.即經(jīng)過插補后的查詢點間及刀具軌跡間的距離均小于安全距離. 所以, 當(dāng)在兩個檢查點上不發(fā)生干涉時, 則在它們之間也不會發(fā)生干涉. 因此,用安全距離判斷是否需要插補, 既可以防止漏檢干涉, 又不過多地增加計算時間.
2 工件安裝位置的計算方法
2. 1 工件的最佳安裝位置
本文將“墊塊高度最低; 距工作臺中心距離最短”作為衡量工件最佳安裝位置的標(biāo)準(zhǔn).具體地說,就是首先以工件底面放置在工作臺上(此時, 墊塊的高度為0)、刀具軌跡在xy 平面上的投影中心與工作臺中心重合時(距工作臺中心距離為0),作為工件的最佳安裝位置. 如果在該位置存在干涉不能安裝時, 為保證墊塊高度最低, 則將工件在同一水平內(nèi)由內(nèi)向外移動, 尋找不會出現(xiàn)干涉的安裝位置. 如果在同一水平面內(nèi)找不到不發(fā)生干涉的安裝位置,則將工件逐漸向上(加大墊塊高度) 移動后,再在同一水平面內(nèi)繼續(xù)尋找,直到找到安裝位置或者得出在本機床上不能加工的結(jié)論為止.
2. 2 最佳安裝位置的計算方法
基于工件最佳安裝位置的概念,本文提出了加工時工件安裝位置計算步驟如下:
(1) 讀取基本數(shù)據(jù). 包括有:刀具夾頭的半徑和伸出長度;查詢點;刀具軌跡;周邊器械的位置和在xy 平面上的投影等.
(2) 判斷能否在本機床上進行加工.根據(jù)工件的查詢點和刀具軌跡,計算工件在xyz方向的外形尺寸和刀具的移動距離.當(dāng)工件的外形尺寸或刀具的移動距離過大,給出該工件在機床上不能加工的警告后,結(jié)束系統(tǒng)的運行.
(3) 生成檢查各類干涉的檢查點文件.其中有:檢查自己干涉、機床與工件的第1 類和第2 類干涉、機床與周邊器械干涉的檢查點文件.
(4) 檢查是否存在機床與工件的第1 類干涉.如果存在, 由于該干涉無法通過移動工件安裝位置來回避, 所以, 在給出“存在無法回避的第1 類干涉”的警告后, 結(jié)束系統(tǒng)運行.
(5) 設(shè)定刀具軌跡中心C (x , y , z ) 的初始位置為了滿足工件最佳安裝位置的定義, C (x , y , z ) 的初始置設(shè)定為: x = 0; y = 0; z = s. 其中, s 為刀具軌跡中心到工件底面的距離.
(6) 計算刀具軌跡中心C 的位置. 根據(jù)干涉的檢查方法和回避方法, 不斷移動刀具軌跡中心的安裝位置, 直到找到不會出現(xiàn)干涉的安裝位置或給出該工件不能在本機床上加工的警告為止.
(7) 輸出工件的安裝位置. 在(6) 中如果求得了不會出現(xiàn)干涉的刀具軌跡中心的位置, 則根據(jù)該值和工件的結(jié)構(gòu)尺寸, 計算并輸出工件的安裝位置.
3 解析、實驗結(jié)果
對于圖4 所示的外形尺寸為350mm ×350mm×150 mm 工件, 當(dāng)采用垂直加工時, 使用通用的CAM 軟件CAMAND 生成加工時的刀具位置和刀具姿勢(與加工點的法線相同). 圖中, 刀具軌跡中的位置點數(shù)為123 201 點. 刀具為球頭銑刀、直徑10mm、從夾頭中伸出長度50 mm , 夾頭直徑60 mm、從主軸中伸出45 mm.
圖4 工件及刀具軌跡
根據(jù)上述算法, 本文開發(fā)出并聯(lián)機床切削加工時工件安裝位置計算系統(tǒng). 計算了加工圖4 所示工件時的安裝位置, 計算時間(計算機的CPU: AMD A THLON 850MHz) 約15 min.
3. 1 檢查點數(shù)
在CAMAND 軟件生成的刀具軌跡中,由于不存在相鄰刀具軌跡大于安全距離, 所以, 不需要插補輔助點. 還有, 圖4 所示的工件上, 除加工面之外,其余表面均不可能與機床發(fā)生干涉,所以,查詢點全部由刀具軌跡點構(gòu)成. 從查詢點中抽出的自己干涉檢查點數(shù)為2382點;機床與周邊器械干涉的檢查點數(shù)為248 點;機床與工件的第1種、第2種干涉的檢
查點數(shù)均為0 點.工件與周邊器械的干涉檢查則成為2個四邊形求交點的問題.
3. 2 安裝位置的解析、實驗結(jié)果
工件安裝位置的變化過程如圖5 所示. 從計算過程知道,當(dāng)工件安裝位置較低且靠近工作臺中心時,容易發(fā)生機床與周邊器械的干涉;如果工件的安裝位置距中心較遠, 則容易發(fā)生機床的自己干涉.最后,當(dāng)工件的安裝高度達到70 mm 時,才找到了不發(fā)生干涉的可安裝位置.
圖5 工件安裝位置的變化過程
圖6 為將工件安裝在圖5 中位置★時的安裝簡圖.從圖6 可以看出, 工件底面中心并不在工作臺的中心上, 而是從工作臺中心偏離(- 42.05,- 42.05,70)mm.這是因為,要回避機床與放置在工作臺第1象限的周邊器械發(fā)生的干涉, 就必須將工件向工作臺第3 象限移動, 同時還要向上移動, 安裝時必須給工件下放置70 mm 高的墊塊.
圖6 工件的最終安裝位置
為了檢查圖6 所示安裝位置以及將該位置做適當(dāng)取整后是否會出現(xiàn)干涉, 本文使用機床HexaM進行實驗, 安裝位置和實驗結(jié)果如表1 所示. 其中,最小間隙是采用目測方法得到的.
表1中,除在第3 行位置(x = - 35, y = - 35, z= 70)mm 之外安裝工件時, 解析結(jié)果和實驗結(jié)果相同,即不會出現(xiàn)干涉.而在第3行所示位置安裝工件時, 由實驗知, 機床與周邊器械的最小間隙是3mm ,這比本解析系統(tǒng)設(shè)定的安全距離5 mm小,在解析時自然被判定為出現(xiàn)干涉. 雖然解析結(jié)果與實驗結(jié)果不同,但仍然可以認為解析結(jié)果是合理的、正
確的. 因此, 可以說本文中提出的計算方法和開發(fā)的工件安裝位置計算系統(tǒng)是有效的,在實際加工中是可用的.
4 結(jié) 論
本文以日本豐田工機公司的并聯(lián)機床HexaM為模型, 探討了在使用并聯(lián)機床加工時,機床的自己干涉、機床與工件、機床與周邊器械以及工件與周邊器械的干涉的檢查方法, 以及通過調(diào)整工件的安裝位置來回避干涉的方法.最后,通過一系列的解析結(jié)果和實驗結(jié)果的對比, 證明了本研究提出的計算工件安裝位置的算法和開發(fā)的軟件是正確的. 從以上的論述過程中還可得到如下結(jié)論:
(1) 所開發(fā)的系統(tǒng)能夠自動算出在本機床上能否按照給定的加工軌跡加工給定的工件.
(2) 在判斷可以加工的情況下,能算出不會發(fā)生干涉的工件安裝位置.
本文提出的干涉檢查方法和回避方法是有效的,能解決實際問題.
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