基于多體動力學(xué)的少自由度并聯(lián)激光切割頭設(shè)計

基于多體動力學(xué)的少自由度并聯(lián)激光切割頭設(shè)計

0激光切割頭運動軌跡控制方案隨著激光應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，三維激光切分器具有先進、靈活、適應(yīng)性強等特點，在國外的汽車、航空等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。使用三維激光切割,不僅可以節(jié)省樣板及工裝設(shè)備,還大大縮短了生產(chǎn)準備周期。目前大多數(shù)三維激光切割機的主機傳動機構(gòu)均為串聯(lián)方式。串聯(lián)機構(gòu)的切割頭運動軌跡控制都是建立在笛卡爾坐標系中,動作控制過程的數(shù)學(xué)運算簡單,但是機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重,設(shè)備動態(tài)響應(yīng)速度差,零部件壽命低,無論光束以何種方式傳輸,都需要價格昂貴的三維激光切割頭。針對上述問題,本文創(chuàng)新地設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)更加靈巧、剛性更大、慣性更小、精度更高的少自由度并聯(lián)機構(gòu)的數(shù)控激光切割機,它以光纖為光束傳輸介質(zhì),通過五個簡單的直線驅(qū)動裝置來實現(xiàn)對切割頭在三維空間X、Y、Z、A、C五軸運動的控制。并運用多體動力學(xué)軟件ADAMS對其在特定工況下的運動學(xué)特性進行了仿真,為進一步深入研究以及產(chǎn)品化提供了依據(jù)和參考。1個自由度的實現(xiàn)方式并聯(lián)機床又稱虛擬軸機床,是機床技術(shù)、機器人技術(shù)以及數(shù)控技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,與傳統(tǒng)的串聯(lián)機床相比,屬于結(jié)構(gòu)簡單、數(shù)學(xué)運算復(fù)雜、知識密集型產(chǎn)品。它具有剛度大、響應(yīng)快、精度高、適應(yīng)性強、技術(shù)附加值高等突出優(yōu)點,是近年來數(shù)控機床發(fā)展的重要方向。本文設(shè)計的少自由度并聯(lián)激光切割機示意圖見圖1。圖2為切割頭局部示意圖,圖3為激光頭安裝支架的結(jié)構(gòu)示意圖。五個自由度及其定義方式如下:①X軸為橫梁3沿機身1上的X向?qū)к壍倪\動;②Y軸為溜板2沿橫梁3上的Y向?qū)к壍倪\動;③Z軸為溜板8沿Y軸溜板2上的Z向?qū)к壍倪\動;④A軸為十字架11通過轉(zhuǎn)動副與Z軸溜板8連接,并可在±90°的范圍內(nèi)進行旋轉(zhuǎn)運動;⑤C軸為激光頭安裝支座10通過轉(zhuǎn)動副與十字架11連接,并可在±90°的范圍內(nèi)進行旋轉(zhuǎn)運動。X軸運動控制與普通的龍門式二維激光切割機相同,而Y、Z、A、C四軸的運動是通過并聯(lián)機構(gòu)來實現(xiàn)的。活動連接于橫梁3上且只能夠沿Y向運動的四個可控的直線驅(qū)動裝置4、5、6、7分別通過兩端均為萬向鉸接的連桿40、50、60、70與激光頭安裝支架10相連接,通過四個直線驅(qū)動裝置間的同向、反向驅(qū)動來完成對切割頭安裝支座10的位置與姿態(tài)的控制,進而實現(xiàn)切割頭對空間曲線的切割。通常,并聯(lián)機構(gòu)在其工作空間內(nèi)會存在奇異點限制,當(dāng)機構(gòu)處于奇異點時,驅(qū)動裝置將無法達成驅(qū)動命令而造成控制誤差。在本文的機構(gòu)設(shè)計中,零件10的四個萬向鉸接點在YOZ平面呈對稱分布,而在XOZ面上的投影高度L1<L2<L3<L4,與此同時四個連桿40、50、60、70的長度完全相同,以此來清除工作空間內(nèi)機構(gòu)奇異點的限制。2頭位姿間的對應(yīng)關(guān)系本文設(shè)計的少自由度并聯(lián)五軸激光切割機是以少自由度并聯(lián)機構(gòu)為基礎(chǔ),多變量、高度非線性、多參數(shù)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)。當(dāng)激光切割頭以一定的形式運動時,其速度、加速度與四個直線驅(qū)動裝置的運動速度、加速度中間有嚴格的依賴關(guān)系。從機構(gòu)學(xué)角度來看,激光切割頭在笛卡爾坐標中的運動是四個可控直線驅(qū)動裝置運動的非線性映射,即直線驅(qū)動裝置間的相互位置與切割頭位姿間的對應(yīng)關(guān)系是非線性的。運動學(xué)仿真的目的是通過考察各可控直線驅(qū)動裝置及各部件的相對運動狀態(tài),檢驗機構(gòu)是否發(fā)生干涉,考察和評價系統(tǒng)的速度和加速度特性。系統(tǒng)的速度、加速度、驅(qū)動力以及慣量比等諸多參數(shù)都是在設(shè)計時必須重點考慮的指標,這些參數(shù)是否匹配合理對系統(tǒng)性能具有決定性的影響。傳統(tǒng)方法對上述參數(shù)及其在不同位置的變化情況進行定量分析有很大困難,而ADAMS卻能夠有效地處理此類復(fù)雜問題。因此,運用多體動力學(xué)分析軟件ADAMS對系統(tǒng)的各個參數(shù)及其變化過程進行仿真具有重要的意義。在ADAMS中建立的動力學(xué)模型如圖4所示。篇幅所限,本文僅對Z軸、A軸及C軸在各自的行程范圍內(nèi)進行了逆運動學(xué)仿真,得到了Z軸在其最高定位速度90m/min以及A軸、C軸在最高定位角速度270°/s勻速運動工況下,四個直線驅(qū)動裝置的速度曲線,仿真結(jié)果如圖5～圖7所示。本文通過運動學(xué)分析,確定了在特定工況下可控直線驅(qū)動裝置的速度曲線,為后期的結(jié)構(gòu)設(shè)計、驅(qū)動參數(shù)的選擇以及運動控制提供了理論依據(jù)和數(shù)據(jù)參考。影響機床性能的因素很多,本文在運動學(xué)仿真過程中考慮的因素有限,其結(jié)果具有一定的局限性,還需要作進一步深入的研究。3激光切割發(fā)展展望并聯(lián)機構(gòu)在三維激光切割領(lǐng)域的應(yīng)用是個全新的課題,是機器人技術(shù)向激光加工領(lǐng)域的擴展,能給激光加工的發(fā)展帶來全新的變化,對激光切割機產(chǎn)品設(shè)計的創(chuàng)新具有重要意義。本文結(jié)合三維激光切割的特點,采用全新的方法設(shè)計的少自由度五軸聯(lián)動激光切割機具有結(jié)構(gòu)簡單、零部件數(shù)目少、剛度大、動態(tài)響應(yīng)速度快、切割精度高等特點,雖然機床硬件簡單,但控制系統(tǒng)軟件復(fù)雜,故具有更高的技術(shù)附加值。并聯(lián)五軸激光切割機涉及到光、機、電、機器人等諸多方面的內(nèi)容,是一個復(fù)雜的系統(tǒng)。由于研究水平有限,本文難免有淺陋之處。激光切割機的發(fā)展是一個長期的、艱辛的過程,需要多方面的工作,筆者認為我們可以在以下幾個方面進行更深入的研究:(1)開發(fā)高性能數(shù)控系統(tǒng)或者對現(xiàn)有數(shù)控系統(tǒng)進行二次開發(fā),開發(fā)相應(yīng)的三維