試述并聯(lián)機床的干涉檢查與干涉回避

摘要:并聯(lián)機床是指用并聯(lián)機構(gòu)作為進(jìn)給傳動機構(gòu)的數(shù)字控制機床.與傳統(tǒng)機床相比并聯(lián)機床具有剛度重量比大、響應(yīng)速度快、對環(huán)境適應(yīng)性高、技術(shù)附加值高等優(yōu)點。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(jìn)行加工以及可加工時工件最佳安裝位置的計算方法。

關(guān)鍵詞:并聯(lián)機床 工件 安裝位置 計算

0 引言

并聯(lián)機床是基于空間并聯(lián)機構(gòu)Stewart平臺原理開發(fā)的，是近年才出現(xiàn)的一種新概念機床，它是并聯(lián)機器人機構(gòu)與機床結(jié)合的產(chǎn)物，是空間機構(gòu)學(xué)、機械制造、數(shù)控技術(shù)、計算機軟硬技術(shù)和CAD/CAM技術(shù)高度結(jié)合的高科技產(chǎn)品。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。

1 并聯(lián)機床的特點

隨著高速切削的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)串聯(lián)式機構(gòu)構(gòu)造平臺的結(jié)構(gòu)剛性與移動臺高速化逐漸成為技術(shù)發(fā)展的瓶頸，而并聯(lián)式平臺便成為最佳的候選對象，而相對于串聯(lián)式機床來說，并聯(lián)式工作平臺具有如下特點和優(yōu)點:

1.1 結(jié)構(gòu)簡單、價格低 機床機械零部件數(shù)目較串聯(lián)構(gòu)造平臺大幅減少，主要由滾珠絲杠、虎克鉸、球鉸、伺服電機等通用組件組成，這些通用組件可由專門廠家生產(chǎn)，因而本機床的制造和庫存成本比相同功能的傳統(tǒng)機床低得多，容易組裝和搬運。

1.2 結(jié)構(gòu)剛度高 由于采用了封閉性的結(jié)構(gòu)(closed-loop structure)使其具有高剛性和高速化的優(yōu)點，其結(jié)構(gòu)負(fù)荷流線短，而負(fù)荷分解的拉、壓力由六只連桿同時承受，以材料力學(xué)的觀點來說，在外力一定時，懸臂量的應(yīng)力與變形都最大，兩端插入(build-in)次之，再來是兩端簡支撐(simply-supported)，其次是受壓的二力結(jié)構(gòu)，應(yīng)力與變形都最小的是受張力的二力結(jié)構(gòu)，故其擁有高剛性。其剛度重量比高于傳統(tǒng)的數(shù)控機床。

1.3 加工速度高，慣性低 如果結(jié)構(gòu)所承受的力會改變方向，(介于張力與壓力之間)，兩力構(gòu)件將會是最節(jié)省材料的結(jié)構(gòu)，而它的移動件重量減至最低且同時由六個致動器驅(qū)動，因此機器很容易高速化，且擁有低慣性。

1.4 加工精度高 由于其為多軸并聯(lián)機構(gòu)組成，六個可伸縮桿桿長都單獨對刀具的位置和姿態(tài)起作用，因而不存在傳統(tǒng)機床(即串聯(lián)機床)的幾何誤差累積和放大的現(xiàn)象，甚至還有平均化效果(averaging effect);其擁有熱對稱性結(jié)構(gòu)設(shè)計，因此熱變形較小;故它具有高精度的優(yōu)點。

1.5 多功能靈活性強 由于該機床機構(gòu)簡單控制方便，較容易根據(jù)加工對象而將其設(shè)計成專用機床，同時也可以將之開發(fā)成通用機床，用以實現(xiàn)銑削、鏜削、磨削等加工，還可以配備必要的測量工具把它組成測量機，以實現(xiàn)機床的多功能。這將會帶來很大的應(yīng)用和市場前景，在國防和民用方面都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。

1.6 使用壽命長 由于受力結(jié)構(gòu)合理，運動部件磨損小，且沒有導(dǎo)軌，不存在鐵屑或冷卻液進(jìn)入導(dǎo)軌內(nèi)部而導(dǎo)致其劃傷、磨損或銹蝕現(xiàn)象。

2 干涉檢查與干涉回避

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(yuǎn)，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。

2.1 自己干涉

2.1.1 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(xiàn)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(jìn)行檢查，直到不發(fā)生自己干涉為止。

2.1.2 檢查干涉的方法 刀具位置和姿勢分別在直進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)空間圓或回轉(zhuǎn)空間圓，則用文獻(xiàn)中所述的檢查干涉的方法進(jìn)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。

2.1.3 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10mm。如果連續(xù)兩次回避方向的夾角大于150°，可以認(rèn)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。

2.2 機床與工件的干涉

2.2.1 檢查點的組成 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(rèn)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。

2.2.2 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xz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(jìn)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d0且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)。

2.2.3 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。

2.3 機床與周邊器械的干涉

2.3.1 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。

2.3.2 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。