R175柴油機(jī)機(jī)體加工自動(dòng)線上
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南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)
前 言
近年來，隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)、不知疲勞、不怕危險(xiǎn)、抓舉重物的力量比人手大等特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用。例如：在機(jī)床加工，裝配作業(yè)，勞動(dòng)條件差，單調(diào)重復(fù)易于疲勞的工作環(huán)境以及在危險(xiǎn)場(chǎng)合下工作等。
隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人與機(jī)械手的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，其技術(shù)性能也在不斷提高。在國(guó)內(nèi)，應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際的工業(yè)機(jī)器人特別是示教再現(xiàn)性機(jī)器人不斷增多，而且計(jì)算機(jī)控制的也有所應(yīng)用。在國(guó)外應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際的工業(yè)機(jī)器人多為示教再現(xiàn)型機(jī)器人，而且計(jì)算機(jī)控制的工業(yè)機(jī)器人占有相當(dāng)比例。帶有“觸覺”，“視覺”等感覺的“智能機(jī)器人”正處于研制開發(fā)階段。帶有一定智能的工業(yè)機(jī)器人是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展方向。
第1章 液壓機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì)
1.1機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案擬定
機(jī)械手是能夠模仿人手的部分動(dòng)作，按照給定的程序，軌跡和要求，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作動(dòng)作的自動(dòng)化機(jī)械裝置。在工業(yè)中應(yīng)用的機(jī)械手稱為“工業(yè)機(jī)械手”。能夠配合主機(jī)完成輔助性的工作，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手能夠獨(dú)立地按照程序，自動(dòng)重復(fù)操作。
根據(jù)課題的要求，機(jī)械手需具備上料，翻轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)位等功能，并按照自動(dòng)線的統(tǒng)一生產(chǎn)節(jié)拍和生產(chǎn)綱領(lǐng)完成以上動(dòng)作。設(shè)計(jì)可參考以下多種設(shè)計(jì)方案：
1.1.1 采用直角坐標(biāo)式，自動(dòng)線呈直線布置，機(jī)械手在空中行走，按照順序完成上料、翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)位等功能。這種方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，自由度少，易于配線，但需要架空行走，油液站不能固定，使得設(shè)計(jì)復(fù)雜程度增加，運(yùn)動(dòng)質(zhì)量增大。
圖1.1.1 直角坐標(biāo)式布局示意圖
1.1.2 機(jī)身采用立柱式，機(jī)械手側(cè)面行走，按照順序完成上料、翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)位的功能，自動(dòng)線仍成直線布置。這種方案可以集中設(shè)計(jì)液壓站，易于實(shí)現(xiàn)電氣，油路定點(diǎn)連接，但是占地面積大，手臂懸伸量較大。
圖1.1.2 立柱式機(jī)械手布局示意圖
1.1.3 機(jī)身采用機(jī)座式，自動(dòng)線圍繞機(jī)座布置，順序完成上料、翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)位等功能。這種方案具有電液集中、占地面積小、可從地面抓取工 件等優(yōu)點(diǎn)。
圖1.1.3 機(jī)座式機(jī)械手布局示意圖
1.2總體方案選定
抓取機(jī)構(gòu)采用夾鉗式。，送放機(jī)構(gòu)將被抓取的物體送放到目的地，由手臂、手腕、等裝置組成。整個(gè)機(jī)構(gòu)選用空間球體坐標(biāo)系，有五個(gè)自由度。采用屈伸式布置。手腕作抓取運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，手爪采用平面指型結(jié)構(gòu)，通過液壓缸通油，推動(dòng)活塞帶動(dòng)杠桿機(jī)構(gòu)合攏將工件加緊。
腕部用銷軸將機(jī)械手定位在手臂上，并用螺母將其鎖死，同時(shí)利用鉸鏈連接，一端與液壓伸縮缸的活塞桿相連，通過活塞的直線運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)腕部使其能夠繞著回轉(zhuǎn)銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)。
回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過葉片式回轉(zhuǎn)油缸的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。
手臂相對(duì)于機(jī)身可作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，能有效地利用空間，并能繞過障礙物夾持和送放工件。手臂采用液壓直動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)，作俯仰運(yùn)動(dòng)，具有體積小、可集中控制、反向運(yùn)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)。
回轉(zhuǎn)工作臺(tái)用齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以利用擋塊定位，且定位誤差在0.5~1mm。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳遞扭矩大、傳動(dòng)效率高等特點(diǎn)。
圖1.21 液壓機(jī)械手
本設(shè)計(jì)的液壓機(jī)械手有五個(gè)自由度，包括機(jī)械手的抓取、回轉(zhuǎn)，手臂的拉伸、俯仰和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)五個(gè)動(dòng)作。其中將機(jī)械手抓取和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的液壓傳動(dòng)集成設(shè)計(jì)，既能使得設(shè)計(jì)緊湊，又能使液壓油路集中控制。便于安裝及維護(hù)，而且編排和改變控制程序容易，使用方便。
液壓機(jī)械手主要參數(shù)設(shè)計(jì)：
液壓機(jī)械手的主要參數(shù)可分為基本參數(shù)、（用于說明機(jī)械手主要性能的參數(shù)）、規(guī)格參數(shù)（標(biāo)牌上標(biāo)注的參數(shù)）、液壓參數(shù)（液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)）。
基本參數(shù)：
1.抓重
機(jī)械手的抓重是手臂所能抓取的物件的最大重量，而該液壓機(jī)械手是用于R175柴油機(jī)機(jī)體生產(chǎn)自動(dòng)線上，主要的加工對(duì)象是柴油機(jī)機(jī)體，根據(jù)柴油機(jī)的外形參數(shù) 250X170X140mm 而柴油機(jī)機(jī)體選用的材料是鑄鐵，密度為0.01g/mm2
柴油機(jī)機(jī)體的壁厚一般為15~25mm所以，可算出機(jī)體本身的質(zhì)量為12Kg，機(jī)械手應(yīng)該有一定的安全度，取安全系數(shù)為1.3，可得機(jī)械手的抓重為15Kg。
2.自由度
機(jī)械手的自由度標(biāo)志著機(jī)械手所具有的功能大小，自由度越大，機(jī)械手動(dòng)作越靈活，適應(yīng)性也越強(qiáng)，但是自由度多也帶來了結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造精度高等問題，一般的專業(yè)機(jī)械手具有3~4個(gè)自由度就能很好的完成專一的任務(wù)。根據(jù)自由度的計(jì)算公式，該設(shè)計(jì)中有機(jī)械手抓取動(dòng)作的V級(jí)移動(dòng)副，腕部和手臂以及工作臺(tái)的V級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)副，所以： 即機(jī)械手的自由度為5。
3.運(yùn)動(dòng)速度
機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度是指機(jī)械手在全程范圍內(nèi)的平均速度，它反映機(jī)械手的使用頻率與生產(chǎn)水平。機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度越高，則其使用效率越高，生產(chǎn)水平也就越高；但是速度越高機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過程中啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊和震動(dòng)，對(duì)于機(jī)械手的定位精度影響較大。在一般情況下，機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍、生產(chǎn)過程的平穩(wěn)性要求和定位精度要求而定。根據(jù)柴油機(jī)機(jī)體生產(chǎn)自動(dòng)線上的生產(chǎn)節(jié)拍30min/件，手臂工作的回轉(zhuǎn)半徑為1000mm，加工過程所需時(shí)間為26min，因此，機(jī)械手抓取和送放的運(yùn)動(dòng)速度為0.1m/s。
4.行程范圍
機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)的行程范圍與機(jī)械手的抓重、坐標(biāo)形式、驅(qū)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)精度等多方面因素有關(guān)，對(duì)于通用型和多功能機(jī)械手，行程范圍和回轉(zhuǎn)范圍應(yīng)盡可能大些，使其適應(yīng)性能大幅度地增強(qiáng)。機(jī)械手的手臂伸縮應(yīng)與行程范圍及工作半徑相適應(yīng)，以保證機(jī)械手的剛度，定位精度。機(jī)械手的行程為機(jī)械手的最大工作區(qū)間，即球體的面域。
5.位置精度
位置精度是衡量機(jī)械手工作質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)，它包括位置設(shè)定精度和重復(fù)定位精度。我們所說的位置精度是指重復(fù)定位精度。
位置精度的高低取決于位置的控制方式及機(jī)械書運(yùn)動(dòng)部件本身的精度和剛度，此外，它還與機(jī)械手的抓重及運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。目前工業(yè)機(jī)械手大多數(shù)都采用點(diǎn)位控制，這種控制只要求運(yùn)動(dòng)起點(diǎn)和終點(diǎn)的位置精度，而不管起點(diǎn)到終點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)過程。因此，可以采用行程開關(guān)和電位計(jì)定電控元件，進(jìn)行位置精度的控制。
液壓參數(shù)：
1.油壓設(shè)計(jì)校核 液壓系統(tǒng)參數(shù)是根據(jù)執(zhí)行元件和泵的類型進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)擬定的液壓系統(tǒng)圖，計(jì)算出各個(gè)液壓控制閥及輔件的壓力與流量的系統(tǒng)參數(shù)，而液壓系統(tǒng)參數(shù)的計(jì)算必須逐一將各工作階段形成的參數(shù)計(jì)算出后，經(jīng)過分析比對(duì)，加權(quán)折扣后才能確定系統(tǒng)參數(shù)。選取系統(tǒng)的工作壓力為1.6MPa ，液壓泵的工作壓力和流量,考慮到進(jìn)油路的壓力損失取=0.3×106Pa，油液的泄漏系數(shù)取λp=1.1，抓取動(dòng)作和回轉(zhuǎn)動(dòng)作所需的工作壓力為=1.1MPa，選用的流量為4.5L/min
MPa
L/min
符合設(shè)計(jì)的要求。
因此 擬定的液壓系統(tǒng)方案中，油壓參數(shù)定位1.6MPa。
第2章 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
2.1抓取機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
抓取機(jī)構(gòu)的工作原理
工業(yè)機(jī)械手的抓取機(jī)構(gòu)又稱手部，是用來直接抓取工件或握持工件的部件。
本設(shè)計(jì)采用的是夾鉗式機(jī)械手，通過液壓缸內(nèi)活塞的直線運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)杠桿機(jī)構(gòu)和手爪，緊緊的包絡(luò)，用包絡(luò)力和摩擦力對(duì)工件施加完全約束，使得工件相對(duì)于手爪固定，完成抓取任務(wù)。
2.1.1夾持力的計(jì)算
當(dāng)機(jī)械手水平夾持工件時(shí)
圖2.11 水平夾持物體受力圖
根據(jù)手指受力分析，可得：
聯(lián)立可解得：
夾緊工件所需的力； 工件的重力 ；， 尺寸。
根據(jù)任務(wù)書的要求，代入=15Kg , 并取=50mm , =80mm。
可得：N
因工件在傳輸?shù)倪^程中會(huì)產(chǎn)生慣性力，震動(dòng)等影響，故實(shí)際力
機(jī)械效率， =0.85~0.95 取=0.9
安全系數(shù)，=1.2~2 取=1.5
工作情況系數(shù)，
N
2.1.2液壓缸驅(qū)動(dòng)力的設(shè)計(jì)計(jì)算
圖2.12 液壓缸驅(qū)動(dòng)手爪受力圖
因?yàn)?
所以
由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可得 mm，mm 。
N
mm，mm 。
2.1.3夾緊液壓缸主要尺寸的確定
驅(qū)動(dòng)力, 系統(tǒng)工作壓力 取 N/mm2 ， 機(jī)械效率取=0.9
按照J(rèn)B-826-66的標(biāo)準(zhǔn)，取,
液壓缸壁厚的確定
根據(jù)
試驗(yàn)壓力， MPa
許用應(yīng)力 選取30鋼為液壓缸材料，可得=200 MPa
將數(shù)據(jù)代入：mm
根據(jù)工藝的要求 ,取mm
液壓缸外徑及長(zhǎng)度的確定：
長(zhǎng)度 取 .
2.1.4液壓活塞缸的設(shè)計(jì)
已知：1.活塞液壓缸 , ，mm，mm
選用30鋼材料。
2.活塞桿 選用45鋼，活塞直徑的d計(jì)算與校核：
查機(jī)械材料手冊(cè)可以得到：b=355MPa, s=600MPa；
則MPa
mm
根據(jù)GB/T 2348-1993 選定的活塞桿：mm
所以：mm
活塞桿的強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求
3.活塞：選用20鋼材料?？紤]到密封和緊固，將活塞設(shè)計(jì)成如下
圖2.1.4.1 活塞
密封件采用標(biāo)準(zhǔn)件，所以活塞上開槽的尺寸就可以確定了。
活塞的密封采用Y型密封圈，Y型密封圈是一種密封性、穩(wěn)定性和耐壓性較好，摩擦力小、壽命較長(zhǎng)的密封圈。它能用于往復(fù)運(yùn)動(dòng)的密封，特別是動(dòng)密封處。當(dāng)受到油壓作用時(shí)，Y型密封圈的二唇邊就緊緊地貼壓到缸筒和活塞壁上而起到密封的作用。
活塞與活塞桿的連接采用活塞桿的軸肩定位，并用調(diào)整墊片調(diào)節(jié)松緊程度。利用開槽圓螺母將其鎖緊，
圓螺母的選擇：由于活塞桿的直徑已確定為，軸肩的高度為1mm，可以采用公稱直徑為M8的圓螺母。查標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6179-1986 可得：
圖2.1.4.2 開槽圓螺母
同時(shí)，查GB/T 91-2000與其相配合使用的是開口銷2x16。材料為Q215或 Q235。
圖2.1.4.3 開口銷
4.本設(shè)計(jì)采用彈簧使抓取液壓缸復(fù)位。根據(jù)彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算公式：
圖2.1.4.4 彈簧受力圖
根據(jù)彈簧的強(qiáng)度條件選擇彈簧鋼絲的直徑：
因彈簧在一般載荷條件下工作，可以按照第三類彈簧來考慮，現(xiàn)選用彈簧鋼絲為C級(jí)，并根據(jù) 估計(jì)彈簧的直徑為3mm， 查表可得 MPa，可以算得MPa
選取旋繞比C=6 則由：
選取=4mm ，查得不變，故不變，取mm
則
計(jì)算得=1.26
與原值相近，所以 取=4mm
彈簧的大徑 mm
取 MPa
則
取5
彈簧校核：根據(jù)：
綜合上述兩式可得：=106.48<150
符合設(shè)計(jì)的要求。
極限工作應(yīng)力： 取
極限工作載荷： MPa
查標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1239.6-1992選取彈簧的截面直徑為mm，中徑為mm，自由高度為mm。有效圈數(shù)為5圈。選用彈簧的材料為65Mn，彈簧硬度要達(dá)到45~50HRC.
圖2.1.4.5 彈簧
5.抓取液壓缸端蓋：
圖2.1.4.6 液壓缸端蓋
O型密封圈具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，截面尺寸小，密封性能好，摩擦系數(shù)小，容易制造等特點(diǎn)，可用于靜密封和滑動(dòng)密封。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，摩擦力比其他密封圈小，安裝方便，價(jià)格便宜，可在-40~120°C溫度范圍內(nèi)工作，使用的速度范圍是0.005~0.3m/s。適用于本設(shè)計(jì)，因此采用O型圈密封。聚四氟乙烯是一種新型塑性材料，摩擦系數(shù)極小，耐磨性好，并且能在干性和油性的環(huán)境下工作。所以添加了聚四氟乙烯制成的密封導(dǎo)向環(huán)，不僅能夠阻隔各種雜物，還能起到密封的效果。
端蓋采用的是法蘭式的連接，這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，連接可靠。缸筒端部可用鑄造。
管道尺寸的計(jì)算和確定：
油管的內(nèi)徑是根據(jù)管內(nèi)允許的流速和所通過的流量來確定的：
即：
式中： ——通過油管的流量; ——油管中允許的流速。
而壓力管道內(nèi)的流速取m/s。計(jì)算所得根據(jù)GB/T 1047-1995可得到管徑為
mm
6.管接頭的選擇：
擴(kuò)口式管接頭適用于薄壁鋼管，接頭采用55°密封管螺紋，由內(nèi)外螺紋的配合能夠具有密封性。查GB/T 3747.1-1983 可得：
圖2.1.4.7 管接頭
回轉(zhuǎn)缸設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)采用單葉片式回轉(zhuǎn)缸，它由定子塊，缸體，葉片，回轉(zhuǎn)軸組成，其中定子塊固定在缸體上，葉片和回轉(zhuǎn)軸固定在一起。當(dāng)液壓油從一個(gè)入口進(jìn)入缸體的時(shí)候，葉片被推動(dòng)并帶動(dòng)回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同理，從相反的入口進(jìn)入能使其逆向轉(zhuǎn)動(dòng)。單葉片式回轉(zhuǎn)缸結(jié)構(gòu)緊湊，輸出的扭矩大，能夠用于中低壓的系統(tǒng)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
考慮到擺動(dòng)缸的容積效率和機(jī)械效率，葉片式擺動(dòng)缸軸輸出扭矩
式中： --------葉片數(shù)；
----------葉片寬度 ；
---------缸體內(nèi)孔直徑；
---------葉片軸直徑；
---------缸的進(jìn)口壓力；
---------缸的出口壓力；
---------缸的輸入量。
該設(shè)計(jì)選用1.6 MPa的油壓，而出口的回油壓力約為0.2 MPa。為了方便固定葉片，葉片軸的直徑初步定為=25mm
圖2.1.4.8 回轉(zhuǎn)缸剖面圖
葉片與葉片軸之間采用銷進(jìn)行定位，為了方便拆裝和維修，選用內(nèi)螺紋圓錐銷，底部的螺紋孔可起到拔銷的作用。查 GB/T 118-2000 選取A型內(nèi)螺紋圓錐銷，GB/T 118 6X24
圖2.1.4.9 內(nèi)螺紋圓錐銷
本設(shè)計(jì)采用伸縮缸和回轉(zhuǎn)缸復(fù)合，回轉(zhuǎn)缸的回轉(zhuǎn)軸是由活塞缸的后端部構(gòu)成的，這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊，操作方便，特別是對(duì)于液壓系統(tǒng)能夠集中控制。
圖2.1.4.10 機(jī)械手抓取機(jī)構(gòu)
如圖所示，液壓葉片回轉(zhuǎn)缸的回轉(zhuǎn)軸與液壓活塞缸做成一個(gè)整體，使得結(jié)構(gòu)非常緊湊，軸向尺寸小，液壓系統(tǒng)的油路布置清晰，密封的環(huán)節(jié)可以集中處理，便于檢修和維護(hù)。
2.2機(jī)械手手腕部設(shè)計(jì)：
圖2.2.1 機(jī)械手腕部外觀圖
液壓機(jī)械手的腕部利用銷軸鉸接在機(jī)械手臂上，使其能夠繞著銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)。為了保證銷軸回轉(zhuǎn)精度和延長(zhǎng)使用壽命，在銷軸與手臂之間設(shè)一個(gè)耐磨的青銅軸套，軸套與機(jī)械手臂之間的配合采用基孔制，而軸套與軸之間回轉(zhuǎn)的過程中會(huì)產(chǎn)生熱量，引起銷軸的變形，因此，選用的配合。
腕部采用液壓活塞缸驅(qū)動(dòng)，固定在腕部的連桿與液壓活塞缸的活塞桿相連接，通過活塞桿的直線運(yùn)動(dòng)來驅(qū)動(dòng)機(jī)械手腕部轉(zhuǎn)動(dòng)。
伸縮缸選擇：考慮到該設(shè)計(jì)手腕部所需的回轉(zhuǎn)扭矩較小，擬選用YY_CA _B32-100-0.0001液壓缸
活塞桿外端形式選擇：
圖2.2.2 活塞桿接頭
安裝的結(jié)構(gòu)為鉸制接頭，孔徑為mm，活塞桿的直徑為mm。
液壓缸用雙耳環(huán)支座安裝：
圖2.2.3 液壓缸安裝支座
雙耳環(huán)支座的參數(shù)如圖所示。
2.3機(jī)械手臂設(shè)計(jì)
俯仰運(yùn)動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算
圖2.3.1 手臂受力圖
()
而 作用于活塞上的驅(qū)動(dòng)力；
P 液壓缸的工作力；
D 活塞缸的內(nèi)徑；
密封裝置的摩擦阻力
非工作缸的油壓（背壓）
當(dāng)手臂處在俯角的位置時(shí)，驅(qū)動(dòng)力矩為：
當(dāng)手臂處在水平位置時(shí)，，驅(qū)動(dòng)力矩為
手臂俯仰時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩，應(yīng)克服手臂部件及工件的重量對(duì)回轉(zhuǎn)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩、手臂啟動(dòng)時(shí)的慣性力矩以及各回轉(zhuǎn)副的摩擦力矩，即
手臂作俯仰運(yùn)動(dòng)時(shí)的偏心力矩，手臂上仰為正，下俯為負(fù)；
手臂做俯仰運(yùn)動(dòng)的慣性力矩；
手臂作俯仰運(yùn)動(dòng)時(shí)，各運(yùn)動(dòng)副的摩擦力矩；
可以初步確定機(jī)械手臂的尺寸。
圖2.3.2 手臂
對(duì)手臂受力進(jìn)行計(jì)算
圖2.3.3 手臂受力校核
手臂在水平方向上的力平衡：
同理，在豎直方向上的力平衡：
手臂上的所有力對(duì)于O點(diǎn)力矩平衡：
N
N
2.4機(jī)械手底座機(jī)身設(shè)計(jì)
底座機(jī)身設(shè)計(jì)有安裝耳環(huán)，液壓缸的耳環(huán)與機(jī)身底座通過銷軸鉸接，用螺栓鎖死。既能夠滿足液壓缸在機(jī)身上的定位要求，又能夠保證液壓缸在回轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動(dòng)中不會(huì)偏轉(zhuǎn)。機(jī)身的設(shè)計(jì)如圖所示：
圖2.4.1 機(jī)械手底座
具體設(shè)計(jì)機(jī)身底座的參數(shù)如下：
圖2.4.2 底座
2.5回轉(zhuǎn)工作臺(tái)設(shè)計(jì)
回轉(zhuǎn)工作臺(tái)安裝：
回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的箱體設(shè)計(jì)有光孔，并安底座。因此機(jī)械手的底座可以安放在工作臺(tái)上或支架平臺(tái)上?！∠潴w材料為HT200中等強(qiáng)度的灰鑄鐵，需時(shí)效處理。
定位方式：該設(shè)計(jì)采用行程開關(guān)與機(jī)械擋塊相結(jié)合進(jìn)行定位。當(dāng)機(jī)械手臂回轉(zhuǎn)到設(shè)定的角度時(shí)，碰上擋鐵，壓下行程開關(guān)，通過壓力繼電器發(fā)出信號(hào)給時(shí)間繼電器，使得機(jī)械手停留一段時(shí)間再開始下一個(gè)的動(dòng)作。停留的時(shí)間由時(shí)間繼電器來調(diào)定的。擋鐵的設(shè)置主要是保證回轉(zhuǎn)角度的精度。
齒輪傳動(dòng)：
圖2.5.1 圓錐直齒輪傳動(dòng)
用軸交角=90°的一對(duì)圓錐直齒輪將扭矩由沿水平方向轉(zhuǎn)換成豎直方向。
選取齒輪材料為45鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后表面淬火，硬度達(dá)到40~50HRC。
采用直尺錐齒輪，它具有齒形簡(jiǎn)單，制造容易，成本較低等特點(diǎn)。
齒輪的軸向定位
要保證正確嚙合，齒輪在軸上的位置應(yīng)該可靠，空套齒輪和固定在軸上的齒輪的軸向定位可采用隔套定位。利用齒輪壓板將齒輪進(jìn)行軸向定位和緊固。
圖2.5.2 齒輪軸向定位
軸：傳動(dòng)軸除應(yīng)滿足強(qiáng)度要求外，還應(yīng)滿足剛度要求。強(qiáng)度要求保證軸在反復(fù)載荷和扭轉(zhuǎn)載荷作用下不發(fā)生疲勞破壞?；剞D(zhuǎn)臺(tái)的主傳動(dòng)系統(tǒng)精度要求不高，允許有少量的變形，因此，疲勞強(qiáng)度一般不是主要矛盾，除載荷很大的情況下，可以不必驗(yàn)算軸的強(qiáng)度。剛度要求保證軸在載荷下不致產(chǎn)生過大的變形（彎曲，失穩(wěn)，轉(zhuǎn)角）。若剛度不足，軸上的零件如齒輪，軸承等將由于軸的變形過大而不能正常工作，或產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，發(fā)熱，過早磨損而失效。因此，必須保證軸有足夠的剛度。可以先扭轉(zhuǎn)剛度估算軸的直徑，再根據(jù)受力情況，結(jié)構(gòu)布置和有關(guān)尺寸，驗(yàn)算彎曲剛度。
軸選用的材料為45鋼，通過調(diào)質(zhì)處理，使硬度達(dá)到200~240HBS
軸1的直徑：
------計(jì)算剖面處軸的直徑(mm)
----軸的許用應(yīng)力(MPa)
------軸傳遞的額定扭矩(N·mm2)
查表得：=35MPa =9550000
計(jì)算可得軸的直徑 =18mm
取安全系數(shù)=1.5
所以=27mm 將軸徑進(jìn)行圓整，取=30mm
按許用彎曲應(yīng)力來校核該軸：
----------計(jì)算面上的工作應(yīng)力
---------計(jì)算截面上的合成彎矩
-----------軸計(jì)算面上的轉(zhuǎn)矩
-----------根據(jù)轉(zhuǎn)應(yīng)力變化的校正系數(shù)
---------許用疲勞應(yīng)力
根據(jù)Kw
r/min
對(duì)于軸的受力情況，在軸向受到
轉(zhuǎn)應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)，因此取-=0.7
查手冊(cè) 可得=60 -=9550000
=19.860MPa
按照剛度校核軸：
軸的彎曲變形的條件和允許值
機(jī)床的主傳動(dòng)軸的彎曲剛度驗(yàn)算，主要驗(yàn)算軸上裝齒輪和軸承出的撓度y和傾角。各類軸的撓度y，裝齒輪和軸承處的傾角，應(yīng)小于彎曲剛度的許用值和， 即
。
軸的彎曲變形的允許值：
軸的類型
允許撓度
變形部位
允許傾角
一般傳動(dòng)軸
（0.0003~0.0005）
裝軸承處，裝齒輪處
0.0025 0.0001
剛度要求較高的軸
0.00021
裝單列圓錐滾子軸承
0.0006
安裝齒輪的軸
（0.01~0.03）
裝滑動(dòng)軸承處
0.001
該設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)要求的回轉(zhuǎn)精度不高，通過擋鐵定位，對(duì)于運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性要求也不高，且轉(zhuǎn)速不高。因此，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，定位可靠，軸上不需要開槽、鉆孔和切制螺紋，因此不影響軸的疲勞強(qiáng)度，而且結(jié)構(gòu)重量輕。
圖2.5.3 軸
對(duì)于回轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)所需的扭矩較大，軸上采用花鍵來傳遞扭矩。本設(shè)計(jì)選用矩形花鍵，以其承載能力高、定心性及導(dǎo)向性好。
矩形花鍵軸：平均直徑=（D+d）/2
當(dāng)量直徑=
慣性矩：I=
花鍵的校核：
花鍵的受力是在側(cè)面，因此，其主要的失效形式是表面被壓潰，花鍵的連接強(qiáng)度為：
根據(jù)GB/T 1144-2001 選取輕系列的8X32X36X6 ;8X42X46X8二種類型的花鍵。為了避免齒輪在花鍵上滑移而影響定位精度，可在軸上開螺紋孔，通過螺栓將齒輪固定在花鍵上。
滾動(dòng)軸承計(jì)算與選擇
a，壽命計(jì)算公式：
滾動(dòng)軸承的壽命計(jì)算公式如下：
式中：L—額定壽命（ x）轉(zhuǎn)
C—額定動(dòng)載荷（Kgf）
P—當(dāng)量負(fù)載荷（Kgf）
——壽命指數(shù)，對(duì)球軸承 =3 對(duì)滾子軸承=10/3
在實(shí)際計(jì)算中，一般采用工作小時(shí)數(shù)表示軸承的額定壽命，這時(shí)上試可變?yōu)椋?
=
式中：—額定壽命（h）
n—軸承的計(jì)算轉(zhuǎn)速（r/min）
當(dāng)量動(dòng)載荷P=X+Y
式中：—徑向負(fù)荷（Kgf）
—軸向負(fù)荷（Kgf）
X—徑向系數(shù)
Y—軸向系數(shù)
（2）按照負(fù)載荷選擇軸承
按額定靜負(fù)載選擇軸承的基本公式如下：
=
式中：—當(dāng)量靜負(fù)荷（Kgf） 按下列兩式計(jì)算，取大值
—額定靜負(fù)荷（kgf）
—安全系數(shù)
電機(jī)選擇：電動(dòng)機(jī)一般由專業(yè)工廠按標(biāo)準(zhǔn)系列成批大量生產(chǎn).在機(jī)械設(shè)計(jì)中,根據(jù)工作載荷、工作要求、工作環(huán)境、安裝要求及尺寸、重量有無特殊限制等條件從產(chǎn)品目錄中選擇電動(dòng)機(jī)的類型和結(jié)構(gòu)型式、容量和轉(zhuǎn)速、并確定其具體型號(hào).
一般將電動(dòng)機(jī)的選擇分三個(gè)步驟
1. 選擇電動(dòng)機(jī)的類型和結(jié)構(gòu)型式。
2. 選擇電動(dòng)機(jī)的容量。
3. 確定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。
1）步進(jìn)電機(jī)的工作原理：
步進(jìn)電機(jī)有轉(zhuǎn)子、定子和定子繞組。定子繞組分若干相，每相的磁極上有極齒，轉(zhuǎn)子在軸向上有若干個(gè)齒。當(dāng)每相定子繞組通以直流電激磁以后便能夠吸引轉(zhuǎn)子的齒與定子上的極齒對(duì)齊，因此它是按照電磁體的作用原理進(jìn)行工作的。
步距角，其中m為相繞組，z為轉(zhuǎn)子齒數(shù)，k為通電方式系數(shù)。
2）步進(jìn)電機(jī)的工作特點(diǎn)：
A、步進(jìn)電機(jī)受脈沖電流的控制，其轉(zhuǎn)子的角位移和角速度嚴(yán)格地與輸入脈沖的數(shù)量和脈沖頻率成正比，改變通電順序可以改變步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向；
B、維持控制繞組的電流不變，電機(jī)便停在某個(gè)位置上不動(dòng)，即步進(jìn)電機(jī)有自整的能力，不需要機(jī)械制動(dòng)；
C、有一定的步距精度，沒有累積誤差；
D、其缺點(diǎn)是效率低、拖動(dòng)負(fù)載的能力不變、脈沖當(dāng)量（步距角）不能夠太小、調(diào)速范圍不大、最高輸入頻率一般不超過18000HZ。
步進(jìn)電機(jī)選擇
a、 計(jì)算步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩
(N·cm)
式中： ————脈沖當(dāng)量（mm/step）；
————進(jìn)給牽引力（N）；
————步距角，初選雙拍制為0.75°；
————電機(jī)——絲杠的傳動(dòng)效率，為齒輪、軸承、絲杠效率之積，分別為0.98，0.99，0.99和0.94。
N·cm
b、 估算步進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩
N·cm
c、 計(jì)算最大靜轉(zhuǎn)矩
查表取五相十拍，則
N·cm
d、計(jì)算步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率和最高起動(dòng)頻率
Hz
Hz
試中： ————最大切削進(jìn)給速度（m/min）;這里為1.5 m/min；
————最大快移速度（m/min），這里為2.4 m/min；
————脈沖當(dāng)量，取0.01mm/step。
e、初選步進(jìn)電機(jī)型號(hào)
根據(jù)估算出的最大靜轉(zhuǎn)距查得110BF004最大靜轉(zhuǎn)距為784 >，可以滿足要求，考慮到此經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床有可能使用較大的切削用量，應(yīng)選稍大轉(zhuǎn)距的步進(jìn)電機(jī)，以便留有一定的余量，決定采用130BF001步進(jìn)電機(jī)，查得130BF001步進(jìn)電機(jī)最高空載起動(dòng)頻率和運(yùn)行頻率滿足要求。
校核步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)距
a、等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算
傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸撒謊能夠的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）可以按下試計(jì)算：
Kg·cm2 ⑴
試中：——步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(Kg·cm2)
——工作臺(tái)及工件等移動(dòng)部件的重量（N）；
，——齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)130BF001，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：=4.65 Kg·cm2
對(duì)于軸、軸承、齒輪、聯(lián)軸節(jié)等圓柱體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式為：
(Kg·cm2)
對(duì)于鋼材，材料密度為代入上式，有：
Kg/cm2
式中： ——圓柱體質(zhì)量（kg）；
——圓柱體直徑（cm）；
——圓柱體長(zhǎng)度（cm）；
因此：
= Kg·cm2
= Kg·cm2
= Kg·cm2
代入式⑴
考慮步進(jìn)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)慣性匹配問題：
?。?
基本滿足慣性匹配的要求。
第3章 液壓驅(qū)動(dòng)、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.1液壓驅(qū)動(dòng)回路設(shè)計(jì)
1. 液壓系統(tǒng)回路分析
本機(jī)械手采用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由一些基本的回路組成，主要有以下回路：
1.1調(diào)壓回路
液壓系統(tǒng)的壓力必須與負(fù)載相適應(yīng)，以減少動(dòng)力消耗和減少發(fā)熱。本機(jī)械手采用雙聯(lián)定量泵供油，用溢流閥來調(diào)定壓力，使系統(tǒng)在恒定的或限制的最高壓力下工作。溢流閥所起到的作用：起安全閥的作用（防止液壓系統(tǒng)過載）在系統(tǒng)正常工作的情況下，閥關(guān)閉不溢流，系統(tǒng)的壓力決定于外載荷。當(dāng)系統(tǒng)的壓力達(dá)到閥的調(diào)定壓力時(shí)，閥開啟溢流。此時(shí)系統(tǒng)的壓力就是閥的調(diào)定壓力。
圖3.1.1 調(diào)壓回路
1.2調(diào)速回路
由于俯仰運(yùn)動(dòng)采用的是雙聯(lián)同步運(yùn)動(dòng)的液壓缸，因此要保證液壓缸以相同的位移和速度運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)采用分流閥控制同步回路，通過保證進(jìn)入液壓缸的流量相等來實(shí)現(xiàn)速度的同步，精度可達(dá)2%~5%。此時(shí)，溢流閥的作用是維持系統(tǒng)壓力恒定。在本節(jié)流調(diào)速回路中，溢流閥在工作時(shí)為常開，通過溢流出多余的油液而維持系統(tǒng)壓力的基本平衡。通過中間缸活塞二邊的運(yùn)動(dòng)保持兩缸的流量基本相等。
圖3.1.2 調(diào)速回路
1.3保壓回路
本設(shè)計(jì)采用復(fù)合式泵的保壓回路，當(dāng)系統(tǒng)壓力較低時(shí)，低壓大泵和高壓小泵同時(shí)供油；當(dāng)系統(tǒng)壓力升高到卸荷閥調(diào)定的壓力時(shí)，大泵卸荷，小泵供油保持溢流閥調(diào)定的壓力值。由于保壓狀態(tài)下液壓缸只需要微量位移，僅用小泵供給，便減少系統(tǒng)發(fā)熱，減低能耗。
圖3.1.3 保壓回路
1.4換向回路
采用O型機(jī)能的三位四通換向閥，滑閥在中間位置時(shí)油路全封閉，液壓缸鎖緊。由于液壓缸充滿液壓油，故能從靜止到啟動(dòng)較平穩(wěn)，且換向沖擊小，換向復(fù)位精準(zhǔn)。
圖3.1.4 三位四通換向閥
當(dāng)液壓伸縮缸帶動(dòng)手爪夾持工件時(shí)須停留一段時(shí)間，這時(shí)活塞桿不需要移動(dòng)，但是仍要保持一定的壓力。此時(shí)可以將三位四通閥處在中間位置，通過中立加壓能使整個(gè)回路轉(zhuǎn)化為差動(dòng)電路，不僅能為下步的油缸的運(yùn)動(dòng)加速，還能起到密封的功能。三位四通閥能通過電磁控制，因此，能夠通過設(shè)定的程序來調(diào)控電信號(hào)的變化，從而通過三位四通電磁閥改變油路的變化。
1.5緩沖回路
本設(shè)計(jì)采用蓄能器減少?zèng)_擊，當(dāng)液壓回路壓力升高時(shí)，蓄能器吸收能量，減少?zèng)_擊，實(shí)現(xiàn)緩沖。當(dāng)液壓系統(tǒng)工作時(shí)，由于泵的故障或突然斷電等原因使得油泵不能正常供油時(shí)，為了確保工作安全，蓄能器可作應(yīng)急動(dòng)力源，向回路釋放壓力油，使工件不會(huì)脫落。
圖3.15 緩沖回路
3.2控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
該設(shè)計(jì)采用的是機(jī)械內(nèi)在反饋開環(huán)控制系統(tǒng)方案。
內(nèi)在反饋系統(tǒng)內(nèi)部各參數(shù)之間互為因果關(guān)系，這對(duì)動(dòng)態(tài)性能有非常重要的影響，而且難以控制。此時(shí)，系統(tǒng)按照一定的規(guī)律聯(lián)系相關(guān)的元素，通過信號(hào)的傳輸和交換。系統(tǒng)表現(xiàn)出處在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，是由于元素之間有著聯(lián)系，有信息的傳輸與交換。因此，在系統(tǒng)中通過反饋校正來改善控制系統(tǒng)的性能。采用校正系統(tǒng)后，除了能收到校正效果外，還能消除系統(tǒng)的不可變部分中為反饋所包圍的那部分環(huán)節(jié)的參數(shù)波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。當(dāng)系統(tǒng)一些參數(shù)，特別是壓力，隨著工作條件的改變而發(fā)生大幅度的變化時(shí)，系統(tǒng)能夠取出適當(dāng)?shù)姆答佇盘?hào)，即有條件采用反饋校正，是恰當(dāng)?shù)摹Ｏ聢D為反饋校正框圖：
圖3.2.1 反饋框圖
開環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單、成本低，但缺點(diǎn)是精度不高。
3.3液壓泵及液壓原件選擇
液壓泵選擇
在機(jī)械手工作過程中，手爪的伸縮和手臂的回轉(zhuǎn)速度變化范圍大，為了節(jié)省能量，減少系統(tǒng)發(fā)熱，選用雙聯(lián)葉片泵供油。其中一個(gè)為小流量泵，另一個(gè)為大流量泵，兩泵可分別向系統(tǒng)提供一定量的壓力油，也可以同時(shí)向系統(tǒng)供應(yīng)較大流量的液壓油，以滿足執(zhí)行器對(duì)速度的要求。兩泵可以通過溢流閥調(diào)定的壓力來控制。選用雙聯(lián)葉片泵，其型號(hào)為YB-6/40，系統(tǒng)的壓力為1.6~2.5MPa，電動(dòng)機(jī)的功率為5.5Kw.同步轉(zhuǎn)速為1500r/min。
液壓泵站的油箱容量為25L。在油箱處還應(yīng)設(shè)置濾油器，濾油器在液壓系統(tǒng)中，濾除外部或者系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)中內(nèi)部產(chǎn)生的液壓油的固體雜質(zhì)，使液壓油保持清潔，延長(zhǎng)液壓原件的使用壽命，保證液壓系統(tǒng)的工作可靠性。該設(shè)計(jì)中液壓系統(tǒng)的壓力為1.6~2.5 MPa，為一般液壓系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)中固體顆粒的大小約為25~50μm選取的普通網(wǎng)式濾油器，裝在液壓泵的吸油管路上。該濾油器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通油能力大，清洗方便，容易拆換等特點(diǎn)。
液壓系統(tǒng)原件的選擇
溢流閥：Y6-60 ;
單向閥：Y10B ;
調(diào)速閥：Q63B ;
節(jié)流閥：L-25B ；
換向閥：34E-63B 。
驅(qū)動(dòng)缸的選定：
驅(qū)動(dòng)缸的內(nèi)徑和活塞桿外徑的計(jì)算
由方案設(shè)計(jì)得驅(qū)動(dòng)缸的內(nèi)徑即為回轉(zhuǎn)缸內(nèi)直徑，設(shè)此工作壓力P=6.3Mpa則：
缸筒內(nèi)徑 D=mm，
按JB2183-77,選取D=40mm；
由活塞桿直徑d=0.45D=0.4540=18mm。
按JB2183-77,選取d=20mm。
驅(qū)動(dòng)缸外徑及行程：
按GB1068-67得D’=60mm；
由GB2349-80選取缸的行程S=650mm。
強(qiáng)度校核：
A、壁厚校核：
由于,故可視為薄壁，
=≈2.4mm；
顯然=10>2.4mm,故壁厚安全。
B、活塞桿的穩(wěn)定性校核：
活塞桿斷面回轉(zhuǎn)半徑k=20/4=5mm；
m=85,由于兩端鉸鏈n=1；
故細(xì)長(zhǎng)比l/k=630/7=90,而=85；
故l/k>,因mm4
此時(shí)P==1005kN；
而實(shí)際使用時(shí)，為了保證活塞桿不產(chǎn)生縱向彎曲，
則P≤P/nF=1005/4=251.3kN。（nF=4）
參 考 文 獻(xiàn)
[1] 天津大學(xué)《工業(yè)機(jī)器手設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》編寫組.工業(yè)機(jī)器手設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M]，天津；天津科技出版社，1980
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謝 辭
本次設(shè)計(jì)是對(duì)自己大學(xué)四年來所學(xué)東西的一次總結(jié)，在設(shè)計(jì)中出現(xiàn)過許多的狀況，也從中學(xué)習(xí)了許多。從分析論文的任務(wù)要求，到搜索相關(guān)的資料，拓展自己的知識(shí)面，一步步收獲頗多。我最初做了一套設(shè)計(jì)方案，但到后來做到一定的程度時(shí)，我發(fā)現(xiàn)最初的設(shè)計(jì)有很大的缺陷，“從頭再來”。這無疑是對(duì)自己設(shè)計(jì)的一次挑戰(zhàn)和創(chuàng)新，我接受了顏老師給我的建議，從他的身上，我學(xué)到了許多，一種以身作則，一種負(fù)責(zé)的態(tài)度，一種豁達(dá)的人生觀。一種學(xué)機(jī)械就必須按照一定的標(biāo)準(zhǔn)來衡量一切事物的方法論。感謝顏竟成老師對(duì)我的精心指導(dǎo)。
英 文 翻 譯
A Cutter Orientation Modification Method for the Reduction of Non-linearity Errors in Five-Axis CNC Machining
ABSTRACT
In the machining of sculptured surfaces，five-axis CNC machine tools provide more flexibility to realize the cutter position as its axis orientation spatially changes .Conventional five-axis machining uses straight line segments to connect consecutive machining data points ,and uses linear interpolation to generate command signals for positions between end points，Due to five-axis simultaneous and coupled rotary and linear movements, the actual machining motion trajectory is a non-linear path. The non-linear curve segments deviate from the linearly interpolated straight line segments, resulting in a non-linearity machining error in each machining step. These non-linearity errors, in addition to linearity error, commonly create obstacles to the assurance of high machining precision. In this paper, a novel methodology for solving the non-linearity errors problem in five-axis CNC machining is presented. The propose method is based on the machine type-specific kinematics and the machining motion trajectory. Non-linearity errors are reduced by modifying the cutter orientations without inserting additional machining data points. An off-line processing of a set of tool path data for machining a sculptured surface illustrates that the proposed method increases machining precision.
Keyword
Non-linear error; Machine kinematics; Machining motion trajectory.
INTRODUCTION
In conventional five-axis machining, a tool path, represented by the cutter locations data (CLDATA), consists of the spatially varying cutter positions and its axis orientations. These CLDATA are generated based solely on the geometrical properties of the machined surfaces and the cutter. These CLDATA are further processed into NC-codes which is specific to a particular machine configuration. Linear interpolation is then used to generate the required commands for positions along line segment connecting the machining data points. The simultaneous linear and rotary movements are involved in five-axis machining since ever new cutter axis orientation requires the motion at least one other axis. There are also coupling effects of the cutter axis will affect the position of the cutter. These simultaneous and coupled movements cause the cutter contract point (CC point) to move in a non-linear manner. As a result, the machining error in each motion step is made up of not only the linear segmentation approximation error but also an additional machining error. As shown in figure 1 for machining is either a concave surface or a convex surface, a line segment is used to connect two consecutive machining data points (the spindle chunk is the machine control point MCP). Linear interpolation generate intermediate positions along the line segment. The desire surface is design curve(either concave or convex). The linear segment approximates to design curve resulting in the linearity error,δt. Apart from the linearity error . The non-linear CC point trajectory deviates from the straight line segment (the cutter gage length is constant and MCP is interpolated along the line segment)result in an additional machining error, referred to as the non-linearity error, δn. In the case that the desire surface is concave(see figure 1a), the total machining error is difference of the non-linearity error and the linearity error : δtotal=δt-δn. The non-linearity error, in this case, compensate for the total machining error(AIGP Post-processor,1996;Liu,1994). On the contrary, for the machining of convex surface as shown in figure 1b, the non-linearity error adds onto the linearity error and enlarges the machining error: δtotal=δt+δn(AIGP Post-processor,1996;Liu,1994).
figure1. The multi-axis CNC machining error
Consequently the non-linearity error have caused difficulties for ensuring ultra-precision machining requirements. In the machining of airfoil surface, for example, the machining of the contour surface of airfoil to the edges is problematic. The surface curvature on these area changes abruptly, and thus the cutter orientation varies inconsistently from one cutter to the next. These abrupt cutter orientation variations inconsistently from one cutter location to the next .These abrupt cutter orientation are a typical non-linearity error problem.
In order to solve the five-axis CNC machining error problem, efforts have been made to treat non-linearity errors in generate NC codes. Some researchers and postprocessor producers used “l(fā)inearization processes” for this purpose. The basic function of “l(fā)inearization processes ” are inserting machining data points between NC codes where the total machining error is out of the specified tolerance range. Takeuchi et al. (1990) inserted points by subdividing the line segment with equally space d interval. Cho et al. (1993) inserted data points by limiting the maximum machining error within the line interval from the start point to the inserted point to be the tolerance. And, both of them set the cutter orientations varying linearly in successive positions. In the Automation Intelligence Generalization Postprocessor (AIGP)(1996), a “l(fā)inearization processes ” calculates the middle point (MP) between adjacent NC-codes and inserts the MP as an additional data in the NC code. The insertion can be performed further between the consecutive NC-coded until either all points are within the machining tolerance or until a maximum of 63 points are inserted between the consecutive data point. The current post-processors, such as the Vanguard Custom Post-processor Generator (1996) , the Ominimill Custom Postprocessor(1992),the AIX Numerical Control Post Generator(1996) , are all having the similar “l(fā)inearization processes ” as in the AIGP. In the current CAD/CAM sof
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