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1南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯原文題目：002)505520學(xué)生姓名：石佳倩學(xué)號(hào)：)部：工業(yè)中心專業(yè)名稱：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化2五軸銑床運(yùn)動(dòng)鏈的設(shè)計(jì)與分析作者：如今五軸數(shù)控加工中心已經(jīng)非常普及。大部分機(jī)床的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析都基于笛卡爾直角坐標(biāo)系。本文羅列了現(xiàn)有的概念設(shè)計(jì)與實(shí)際應(yīng)用，這些從理論上都基于自由度的綜合。一些有用的參數(shù)都有所規(guī)定，比如工件使用系數(shù)，機(jī)床空間效率，方向空間搜索以及方向角等。每一種概念，它的優(yōu)缺點(diǎn)都有所分析。選擇的標(biāo)準(zhǔn)及機(jī)器參數(shù)設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)都給出來(lái)了。據(jù)于鍵詞：五軸；機(jī)床；運(yùn)動(dòng)鏈；工作區(qū)；、刀具和工件在空間方向上要有足夠的靈活性。2、方向和位置的改變要盡可能的快。3、方向和位置的改變要盡可能的準(zhǔn)確。4、刀具和工件快速變、換。5、環(huán)保6、切削材料速度快一臺(tái)數(shù)控機(jī)床的軸的數(shù)目通常取決于其自由度數(shù)目或者獨(dú)立控制運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌數(shù)目。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)推薦通過(guò)右手笛卡兒坐標(biāo)系來(lái)命名坐標(biāo)軸，刀具相應(yīng)的為臺(tái)三軸銑床上有三條導(dǎo)軌，X,Y,們可用來(lái)在長(zhǎng)度范圍內(nèi)在任意位置上移動(dòng)。加工過(guò)程中刀具軸的位置始終不變。這就限制了刀具相對(duì)于工件在方向上變化的靈活性，并且導(dǎo)致多次工裝的出現(xiàn)。為了盡可能的提高刀具相對(duì)于工件的靈活性，無(wú)需再次裝夾工件，必須要加入多個(gè)自由度。對(duì)于傳統(tǒng)三軸機(jī)床來(lái)說(shuō)這可以通過(guò)提供旋轉(zhuǎn)滑臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖1給出了一個(gè)五軸銑床的例子。過(guò)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖得知兩組軸可以迅速的區(qū)分開(kāi)：工件裝夾軸和刀具軸。圖2給出了圖1五軸機(jī)床的運(yùn)動(dòng)鏈簡(jiǎn)圖。由圖上可以看出工件由四根軸承載，刀具僅在一根軸上。這個(gè)五軸機(jī)床與兩工位操作機(jī)器人很相似，一個(gè)機(jī)器人夾住工件，另一個(gè)夾住刀具。為了獲得刀具工件方向上的最大自由，五個(gè)自由度已是最低要求，這就意味著工件和刀具可以在任意角度位置相對(duì)定位。最低需求的軸數(shù)也可以通過(guò)剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)的方法來(lái)分析。兩個(gè)剛體在空間確定相對(duì)位置，每個(gè)剛體需要6個(gè)到12個(gè)自由度。然而由于任意的移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)并不改變相對(duì)位置就允許將自由度減少到6。兩個(gè)剛體之間的距離通過(guò)刀具軌跡來(lái)描述，并且允許去掉一個(gè)額外的自由度，結(jié)果也就是5個(gè)自由度。970年）到目前并且仍就有參考價(jià)值的對(duì)五軸數(shù)控銑床的介紹之一是由提出的并清楚的闡述了它的應(yīng)用。處理階段的問(wèn)題也在數(shù)控發(fā)展的早期由清楚的表述出來(lái)，并且大部分問(wèn)題到現(xiàn)在仍然有效。也是最早引進(jìn)數(shù)控機(jī)床的先驅(qū)之一。的書(shū)也是非常有用的介紹。在他的小型銑削加工的書(shū)里對(duì)多軸機(jī)床也有非常簡(jiǎn)短但啟發(fā)性的定義。目前一篇適用于解決五軸數(shù)控機(jī)床工作空間計(jì)算的文章，通過(guò)使用改進(jìn)的算法應(yīng)用于多弧段切削。許多對(duì)機(jī)床的類型和概念設(shè)計(jì)，可以被應(yīng)用于五軸機(jī)床7但不是專門(mén)為五軸機(jī)床。對(duì)部分機(jī)床設(shè)置的數(shù)量和最優(yōu)取向上進(jìn)行了探討8。et 給出。工件與刀具的圖像模擬也是研究的熱點(diǎn)并且是一個(gè)好的入門(mén)讀物10。轉(zhuǎn)軸）和動(dòng)軸）劃分大致可以分為四大部分：（i）3個(gè)移動(dòng)軸和2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸；（個(gè)個(gè)移動(dòng)軸和4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸以及（個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸；幾乎所有五軸機(jī)床都是第一組。也有一些焊接機(jī)器人，彎折機(jī)器以及激光機(jī)器也屬于這一類。只有限距五軸機(jī)床屬于第二組，用以制造船舶螺旋槳用。第三組和第四組用于制造機(jī)器人，常常另加三個(gè)自由度。在不同的制品中，五根軸可以在工件或刀具之間分配。第一分類可以由工件和刀具所承載的軸數(shù)以及每根軸在運(yùn)動(dòng)鏈中的功能來(lái)劃分。另一種分法是據(jù)于旋轉(zhuǎn)軸的位置，在工件一邊還是在刀具一邊。五自由度基于笛卡爾坐標(biāo)系的機(jī)床是：3個(gè)移動(dòng)軸X,Y,Z(通常表述為2個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)C,常稱作擁有3個(gè)旋轉(zhuǎn)軸和2個(gè)移動(dòng)軸的制品并不多見(jiàn)。如果一個(gè)軸裝夾工件，習(xí)慣上不另加?xùn)|西在這根軸上。由圖1五軸機(jī)床可記為XYAB軸裝刀具。圖3展示的是型機(jī)床，3個(gè)移動(dòng)軸裝夾刀具，2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸裝工件。圖3 果工具和工件承載軸的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈的順序算作一個(gè)不同的配置，可能配置的數(shù)目是相當(dāng)大的。也只有兩個(gè)線性軸和三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的組合包括在內(nèi)。一個(gè)工具承載軸和四個(gè)工件承載軸可以在一個(gè)五軸機(jī)床組合如下：對(duì)每一個(gè)可能的工具承載軸X，Y，Z，A，B，以四軸組合的數(shù)量與另一個(gè)配置是考慮不同排列54！=120為每個(gè)可能的工具軸選擇（1出6或6的可能性）。所以理論上有6120=720可能五軸機(jī)床使用一個(gè)工具承載軸。同樣的分析可以用于所有其他組合。w+t=5）的組合的總數(shù)量如下。5 5,3! 66 1) 5,3! 66 2)該方程的值總是等于6！或720W+T=5時(shí)。這些720的組合將只包含兩個(gè)線性軸。如果只有五軸機(jī)床被認(rèn)為帶有三個(gè)線性軸，那么只有35！=360組合是可能的。必要說(shuō)明一下刀具工作空間和工件工作空間。刀具工作空間就是通過(guò)刀具參考點(diǎn)沿著刀具軌跡生成軸來(lái)獲得。工件空間也是同樣定義的（工作臺(tái)中心可以被選擇為工件參考原點(diǎn)）。這些工作空間可以通過(guò)計(jì)算切削量來(lái)定義?；谏鲜龆x一些參數(shù)量可以定下來(lái)，這些參數(shù)對(duì)比較，選擇以及設(shè)計(jì)不同類型機(jī)床都是十分有用的。圖11 3組中的R有使用主要標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)核實(shí)五軸機(jī)床并加以討論。12和圖13展示了五軸位置機(jī)床和五軸輪廓機(jī)床。用一個(gè)三軸磨床加工這個(gè)工件，一步也無(wú)法完成。如果用五軸機(jī)床則可以加工。輪廓更多的參數(shù)等信息可以在參考文獻(xiàn)13中去查看。五軸機(jī)床用于加工輪廓的有：（i）葉片類產(chǎn)品，例如空氣壓縮機(jī)的葉片和渦輪機(jī)的葉片；（料泵的噴嘴；（胎的輪廓；（學(xué)假肢，例如人工心臟瓣膜；（v）復(fù)雜表面的模具。軸輪廓圖13顯示了一個(gè)五軸輪廓的例子，機(jī)器的表面形狀復(fù)雜，我們需要控制工具相對(duì)部分切割過(guò)程中的方向。該工具工件每一步方向的改變。廓上更多詳情可參考文獻(xiàn)13。五軸機(jī)床用于加工輪廓的有：（i）葉片類產(chǎn)品，例如空氣壓縮機(jī)的葉片和渦輪機(jī)的葉片；（料泵的噴嘴；（胎的輪廓；（學(xué)假肢，例如人工心臟瓣膜；（v）復(fù)雜表面的模具。常沉重的工件需要短的工件運(yùn)動(dòng)鏈。也有一個(gè)工件偏愛(ài)橫機(jī)表內(nèi)，使之更方便修復(fù)和處理。把非常沉重的工件放在一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)鏈上將增加方向的靈活性。提供一個(gè)單一的橫向旋轉(zhuǎn)軸的工件，會(huì)使機(jī)器更加靈活。在大多數(shù)情況下，工具攜帶的運(yùn)動(dòng)鏈將盡可能保持簡(jiǎn)短，因?yàn)榈毒咧鬏S驅(qū)動(dòng)器必須同時(shí)進(jìn)行。加工的首飾圖14中一個(gè)典型的工件可以作為花形圖的一部分。此應(yīng)用程序是清楚輪廓。將部分組裝成相對(duì)比較小的工具。小直徑工具也需要一個(gè)高速主軸。水平旋轉(zhuǎn)表將作為經(jīng)營(yíng)者一個(gè)很好的選擇將有一個(gè)良好的視圖部分（360范圍）。所有工件承載軸將是一個(gè)很好的選擇，因?yàn)榈毒咧鬏S可以固定，并且非常嚴(yán)格。有20種方法，可以使軸合并起來(lái)，組合成工件運(yùn)動(dòng)鏈。這里只有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈將被考慮。案例一是圖15例二是圖16于機(jī)器模型00=25000=A=360，以及100此運(yùn)動(dòng)工作區(qū)的工具鏈?zhǔn)且粋€(gè)單點(diǎn)。參考點(diǎn)的設(shè)置也可以選擇小。如果兩軸中心線的相交點(diǎn)在旋轉(zhuǎn)參考，移動(dòng)工件的工作空間將得到大小50200立方毫米。如果兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的中心線的不相交的工件，工件參考點(diǎn)，有較大的工作空間。這將是一個(gè)圓邊棱柱形。這個(gè)圓角半徑邊緣的偏心距，工件相對(duì)于每一個(gè)參考中心線。模型里還有兩種不同值的旋轉(zhuǎn)偏心距將被考慮。第5條中定義的參數(shù)計(jì)算為每個(gè)模型的偏心率總結(jié)于表1?？梢钥闯?，隨著旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)鏈的結(jié)束（模型I），機(jī)床工作空間要小得多。有兩個(gè)主要原因。工具和工件的波及體積要小得多，第二個(gè)原因是由于很大一部分機(jī)床的工作空間無(wú)法使用的情況，因?yàn)榫€性干擾軸。然而工作區(qū)利用系數(shù)較大的模型沒(méi)有偏心距，因?yàn)楣ぞ叩墓ぷ鲄^(qū)與工件的工作區(qū)相比還是相對(duì)較小的模型0間索引的定位是相同的這兩種情況，如果該表直徑保持不變。模型成一個(gè)更大的機(jī)床工作空間，也少了很多干擾機(jī)床工作空間的幻燈片。其他18個(gè)可能的選擇將在索引值之間。圖14珠寶的應(yīng)用程序8模型050模型I RRTTT模型mm e=50 mm e=0mm e=150500 100 300 2502 2 2 2空間325例二轉(zhuǎn)盤(pán)選擇兩臺(tái)機(jī)器使用相同的運(yùn)動(dòng)圖并且在相同的范圍將會(huì)比較（圖17）。有兩個(gè)可供選擇的旋轉(zhuǎn)軸：兩軸垂直表（模型一），兩軸水平表（模型二）。表2和表3提供的功能比較重要?？梢钥闯?，減少軸旋轉(zhuǎn)范圍則增加了機(jī)床的工作空間。所以模型常需要輪廓申請(qǐng)。模型種額外的安裝要求可能沒(méi)有那么重要那么大的規(guī)模。水平表可以使用托盤(pán)的內(nèi)部體制轉(zhuǎn)換的外部設(shè)置。在05。模型0，模型因?yàn)楦叩慕撬俣确秶?。選擇最高的主軸轉(zhuǎn)速，應(yīng)該選擇并且允許使用較小直徑的切削刀具導(dǎo)致更少的削弱和較小的切削力。高主軸轉(zhuǎn)速會(huì)更容易降低開(kāi)模電火花加工機(jī)床的銅電極。垂直表也更好的去除芯片。但是，大范圍的角定位降低了工件的最大尺寸為300毫米和100公斤。模型在旋轉(zhuǎn)范圍要小的多，可以很容易地處理工件雙倍的大小和重量。模型型我不適合大規(guī)模生產(chǎn)。模型過(guò)模型型的并且需要大角度范圍。模型105 0速度/s 8500/14,000 3000/3000表的種類垂直水平直徑表320200000500多表面輪廓的應(yīng)用只有通過(guò)五軸數(shù)控機(jī)床加工，才是最合適的。這種五軸機(jī)床結(jié)構(gòu)還需要另外兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸。為了加工精確，達(dá)到加工硬度，能夠裝夾大型工件，又大又重的機(jī)械裝置是必要的。從經(jīng)典五軸機(jī)床的運(yùn)動(dòng)鏈圖表可以看出，在運(yùn)動(dòng)鏈中設(shè)計(jì)第一個(gè)軸來(lái)承載后續(xù)的軸。因此傳輸動(dòng)力將受到鏈接處慣性的限制。如果有這么樣一個(gè)機(jī)構(gòu)，它能夠在移動(dòng)工件的時(shí)候不帶動(dòng)其它軸，是理想的。一種新的設(shè)計(jì)理念就是“使用。16在1965年描述了最早是由20于1954年建成并擔(dān)任輪胎測(cè)試儀。很多可能的使用都被提出來(lái)了，但它僅被使用在輕型模擬裝置上。原因就在于控制六個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)十分復(fù)雜。最近由于在計(jì)算速度上驚人的加快，計(jì)算費(fèi)用的降低，一臺(tái)機(jī)床是來(lái)自美國(guó)的二臺(tái)機(jī)床是來(lái)自美國(guó)7。虛擬軸機(jī)床的工件的定義以及定位問(wèn)題也有所討論18。從機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)可以看出一旦裝刀平臺(tái)由點(diǎn)到矢量的唯一確定之后，裝刀平臺(tái)仍就可以繞刀具軸旋轉(zhuǎn)。這就極大可能的擴(kuò)展伸縮致動(dòng)器對(duì)同種編程語(yǔ)言的結(jié)合。很多方法可以用來(lái)制造五軸機(jī)床。幾乎所有傳統(tǒng)的五軸機(jī)床都屬于3根移動(dòng)軸，2根轉(zhuǎn)動(dòng)軸或者3根轉(zhuǎn)動(dòng)軸2根移動(dòng)軸的類型。這一類還可以再細(xì)分成為6個(gè)小群體，720個(gè)例子。只有當(dāng)考慮三軸實(shí)體時(shí)，每組仍然有360個(gè)實(shí)體。不同例子根據(jù)裝夾在運(yùn)動(dòng)鏈上的刀具和工件所在軸的順序來(lái)劃分。一旦在工件與刀具的運(yùn)動(dòng)鏈上的轉(zhuǎn)動(dòng)軸的位置被認(rèn)為是區(qū)分3根移動(dòng)軸和2根轉(zhuǎn)動(dòng)軸的五軸機(jī)床時(shí)，3個(gè)組可以明顯的區(qū)分開(kāi)來(lái)。在第一組中2根轉(zhuǎn)動(dòng)軸被應(yīng)用于工件運(yùn)動(dòng)鏈中。在第二組中2根轉(zhuǎn)動(dòng)軸應(yīng)用于刀具鏈中。在第三組中，每個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸。每組有20個(gè)可能的形式。確定選擇哪中形式應(yīng)用到具體領(lǐng)域還是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。為了解決這個(gè)問(wèn)題，就定義了一些比較檢索，例如機(jī)床工作空間，模型00 930000作方向索引，工作角索引以及機(jī)床空間效率。一個(gè)方程來(lái)計(jì)算機(jī)床工作空間，最大球形直徑，當(dāng)機(jī)床選擇好后它就可以用來(lái)加工此球形。這些索引的使用有兩個(gè)例子進(jìn)行了討論。第一個(gè)就是五軸機(jī)床加工珠寶。第二個(gè)就是當(dāng)相同移動(dòng)軸數(shù)范圍確定時(shí)，旋轉(zhuǎn)軸的選擇。應(yīng)用最廣泛的五軸機(jī)床在運(yùn)動(dòng)鏈的工件端有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸。這種結(jié)構(gòu)為機(jī)床制造商提供了模塊化設(shè)計(jì)。這種模塊化設(shè)計(jì)，并不總是從應(yīng)用的最佳角度看。因?yàn)榇罅坷碚撋峡赡艿呐渲?，很顯然，特定的五軸機(jī)床最適合一組特殊的工件。模塊化設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)所有的五軸的模塊化組合。當(dāng)前的模塊化設(shè)計(jì)是基于三個(gè)線性軸機(jī)器。五軸銑削提供減少裝置。這有助于提高精度和減少批量大小。然而，有一些缺點(diǎn)：（一）五軸機(jī)床價(jià)格高；（二）附加旋轉(zhuǎn)軸造成額外的位置誤差；（三）為了相同的供給在機(jī)床軸上更高的切削速度購(gòu)買(mǎi)五軸機(jī)床之前必須深刻研究被加工產(chǎn)品的范圍。這部分應(yīng)分類為五軸定位或五軸輪廓這兩種。用轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)為例很好可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的工件，如壓縮機(jī)。在工具上側(cè)的一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸和在工件上側(cè)的一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸將提供一個(gè)較大的