3_TPS混联机床刀具长度补偿算法
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908Leabharlann 东北大学学报 (自然科学版) 第 27 卷
时具有立式和卧式两种加工状态 , 四坐标加工时 只具有卧式加工状态) ,在动平台回转轴 A 3 A 6 里 有一对蜗轮蜗杆 , 即动平台回转轴上附加了一个 转动θ4 ,当 θ4 = - θ1 时 , 可以保证刀头始终处于 垂直状态加工 , 或蜗轮蜗杆顺时针旋转使 θ4 = 180°,此时为卧式加工·而五坐标加工时 , 0 ≤θ4 ≤ 180°·安装时要尽量保证刀尖点的位置始终处于 动平台上动系的 y′轴的延长线上·当三杆根据加 工要求分别伸长或缩短时 , 由于平行机构 、θ4 、θ1 的共同作用 ,使动平台具有沿 x , y , z 轴的 3 个移 动自由度和绕 y′轴的转动自由度·若再在旋转刀 具的下方安装一个数控回转工作台 (回转角度为 θ5) ,此机床即可以实现五面五坐标加工·
坐标加工所不同的是它在三坐标加工的基础上又 附加了两个转动坐标 ,即 B 轴和 C 轴的转动 ,在 此情况下 ,其刀具长度补偿的计算远不是三坐标 加工时刀具长度补偿时的简单计算 ,而是涉及了 在加工过程中 ,刀具根据加工表面的变化情况而 与加工表面的法线间具有一定的角度后的刀具长 度补偿·
32TPS混联机床在实现五坐标加工时 ,当刀
L i = b′ixsθ1 s45°- b′izcθ1 s45°+ Y C ±Δcosαcos C1 + l dcosα - B 1 Y ·
(9)
- b′ixsθ1 c45°+ b′izcθ1 c45°+ ZC ±Δsinα + l dsinα - B iZ
3 结 论
32TPS 混联机床是在成熟并联机构基础上进 行的变异设计 ,该机床具有多坐标联动加工功能· 本文根据 32TPS 混联机床的特殊结构 ,对该机床 在实现三坐标立式 、卧式加工 、四坐标加工及五轴 联动加工时刀具长度补偿算法进行了研究 ,给出 了各种加工情况下的刀具补偿算法 ,建立了刀心 点与刀具长度补偿值之间 、三根杆的伸长量与刀 具补偿值之间的关系·其算法简单 、方程为显式 , 满足控制系统的速度要求·
XD = XC ,
YD = YC ,
(3)
ZD = ZC ±Δ ·
由式 (2) 、式 (3) ,可以得到杆的伸长量与刀补值之 间的关系 :
Li =
b′ixcθ1 + b′izcθ1 + X C - B iX b′ixsθ1 s45°- b′izcθ1 s45°+ Y C + l dcosα - B 1 Y · - b′ixsθ1 c45°+ b′izcθ1 c45°+ ZC + ldsinα ±Δ - BiZ
心点与刀具长度补偿值之间 、三根杆的伸长量与刀具补偿值之间的关系· 关 键 词 : 混联机床 ;立卧转换 ;五轴联动 ;长度补偿 中图分类号 : TP 24212 文献标识码 : A
并联机床是具有革命性的机床设计的突破 , 它代表了 21 世纪机床发展的方向·自 1994 年美 国 G &L 公司在芝加哥展览会上推出 VAR IAX 六条腿并联机床以来 ,这类新概念机床在国际上 发展得很快·现在并联机床不仅用于切削加工 ,还 可当作试验平台 、工业机器人 、机械装配等来使 用[1 ,2 ]·随着并联机床的发展 ,在并联机构基础上 进行的变异设计成了并联机床发展的又一个热 点[3 ,4 ] ,目前基于并联机构的混联机床是其中的 一个主要变异设计·
2 3 2TPS 混联机床刀具长度补偿原 理及算法
为了简化数控编程 ,方便加工操作 ,在数控系 统中一般都具有刀具补偿功能 ,简称刀补 ,即用垂 直于刀具轨迹的位移来修正刀具实际半径或长度
与其程序规定的值之差·因此 ,数控机床应具备刀 具补偿功能 ,它既可以降低对刀具制造 、安装的要 求 ,又可以简化程序编制·刀具补偿一般包括刀具 半径补偿和刀具长度补偿·刀具半径补偿可以使 刀具在走刀平面内相对编程偏移一个刀具半径修
第27卷第8期 2006 年 8 月
东北大学学报 (自然科学版) Journal of Nort heastern University (Nat ural Science)
文章编号 : 100523026 (2006) 0820907204
Vol127 ,No. 8 Aug. 2 0 0 6
32TPS 混联机床刀具长度补偿算法
(4) 式中 , ( X C , Y C , ZC) 为刀心点在机床坐标下的位 置 ,也即是刀心轨迹的位置·
通过式 (4) 也可以解得 θi ( i = 1 , 2 , 3) 与刀补 值之间的关系·
第 8 期 石 宏等 : 32TPS 混联机床刀具长度补偿算法
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图 3 D 点处于不同位置时的刀具长度补偿 Fig. 3 The length compensation of cutting2tool when point D lie s in different po sitions
坐标系 D2X′Y′Z′的姿态与机床坐标系 O2X Y Z 的
姿态相同 ,并将坐标系 D2X′Y′Z′看成是由坐标系
O2X Y Z 沿三个坐标轴平移得到的·
由图 5 有
X C = XD - ΔcosαsinθC ,
Y C = Y D + ΔcosαcosθC ,
(7)
ZC = ZD + Δsinα·
(a) —D 点与刀心点 C 重合 ; (b) —D 点在 C 点之上 ; (c) —D 点在 C 点之下·
图 4 刀具结构尺寸 Fig. 4 Cutting2tool dimensions
2. 2 32TPS 混联机床五坐标加工时刀具长度补 偿原理及算法 32TPS 混联机床在实现五坐标加工时 ,与三
2 所示 ,图中 L 0 , H , Δ 分别为刀具的实际长度 、
程序给定的刀具长度和补偿量·
L 0 = H ±Δ ·
(1)
图 2 三坐标加工时刀具长度补偿 Fig. 2 The length compensation of cutting2tool
during 32axis proce ssing
正值 ;刀具长度补偿使刀具垂直于走刀平面偏移 一个刀具长度修正值·
在数控编程中 ,刀具长度一般是无需考虑的· 程序中假定机床主轴相对工件运动 ,在加工之前 , 采用刀具测量仪测量刀具基准点 (刀尖或刀心) 到
刀具长度基准点的长度 ,并将刀具长度数据 (刀库 或刀具补偿参数) 输入到数控系统的刀具数据寄 存器中·在数控系统加工程序中使用该刀具时 ,数 控系统自动计算 ,使刀具基准点沿程序要求的轨 迹运动· 2. 1 32TPS 混联机床三坐标加工时刀具长度补
双十字轴的回转轴 A 1 A 4 平行 , 从而使动平台具 有 θ1 ,θ2 ,θ3 回转角度[5～7 ]·
图 1 32TPS 混联机床结构简图 Fig. 1 Schematic of 32TPS hybrid machine tool
当进行三坐标或四坐标加工时 , 为了保证加 工中刀头始终处于垂直或卧式状态 (三坐标加工
(a) —程序给定位移量大于刀具实际长度 ; (b) —程序给定位移量小于刀具实际长度·
按照设计要求 ,安装时要尽量保证刀尖点 (刀 心点) 的位置始终处于动平台上动系的 y′轴的延 长线上 ,如图 1 所示·但由于刀具的长度不同 , y′轴 的延长线与刀具轴线的关系就有三种可能 :刚好与 刀心点相交如图 3a ,与刀具轴线相交如图 3b ,与刀 具轴线的延长线相交如图 3c ,设交点为 D·对于第 一种情况 , D 为刀心点 ,即 D = C , C 为刀心点·设 FD = l0 , F 为刀具安装时的上端点 ,如图 4 所示 , D 点坐标与 3 根伸缩杆的杆长之间的关系为
XD = X C + ΔcosαsinθC , YD = Y C - ΔcosαcosθC , ZD = ZD - Δsinα·
由式 (2) ,式 (7) ,可以得到五坐标加工时杆的伸长 (8) 量与刀补之间的关系 :
b′ixcθ1 + b′izsθ1 + X C ×Δcosαsin C1 - B iX
偿原理及算法
根据前述机构描述可知 ,32TPS 混联机床可 以实现三坐标 、四坐标和五坐标的加工 ,并可以实 现立卧转换加工·当该机床在实现三坐标立式或 卧式加工及四坐标卧式加工时 ,其刀具长度补偿 原理相同·
32TPS 混联机床在实现三坐标端铣加工时 , 通常不仅需要进行刀具的半径补偿 ,而且还需要 控制刀具的轴向位置 ,因此当刀具实际长度尺寸 与编程所设定的长度尺寸不一致时 ,就应相应地 增加 (或减少) 一个位移量 ,这就是长度补偿·如图
图 5 五坐标加工时的刀具长度补偿 Fig. 5 The length compensation of cutting2tool during 52axis proce ssing
(a) —五坐标加工时刀具摆动角度 ; (b) —五坐标加工时刀具长度补偿算法图解·
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东北大学学报 (自然科学版) 第 27 卷
·
(5)
θB
= arcsin
ax
acos (λ)
,
(6)
θC = arcsin
ax
a sin (λ)
·
式中 , a 为刀轴单位矢量 , a x 为 a 在 X′轴上的投
影·
图 5b 为五坐标加工时的刀具长度补偿算法
图解 ,图中 p 点 、D 点的意义同上 , c′, c″分别为
两把不同刀具的刀心点 , T 为刀具的方向矢量 ;
Li =
b′ixcθ1 + b′izcθ1 + XD - B iX b′ixsθ1 s45°- b′izcθ1 s45°+ Y D + l dcosα - B 1 Y · - b′ixsθ1 c45°+ b′izcθ1 c45°+ ZD + l dsinα - B iZ
