1 并联机床结构模型和技术参数 在 2 0 0 1年 4月北京国际机床展上展出了哈尔滨工业大学与哈尔滨量具刃具厂联合研制的并联机床 ,该机床已成功加工出制氧机的叶轮 (铝合金 )、汽轮机的叶片 (不锈钢 1Ｃｒ13)和模具厂的模具等复杂曲面零件。该机床技术参数 :加工范围为4 0 0ｍｍ× 2 5 0ｍｍ ;主轴转速为 10～ 80 0 0ｒ/ｍｉｎ ;电主轴功率为 9ｋＷ ;传动杆系伺服电动机功率为 0 .75ｋＷ ;重复性精度为 0 .0 0 3ｍｍ(静态 ) ;定位精度为 0 .0 2ｍｍ ;体积为 180 0ｍｍ× 15 0 0ｍｍ× 2 30 0ｍｍ ;数控系统为工控机 +自行研制的六轴联动卡 +Ｗｉｎｄｏｗｓ+ＶＣ + +。2 并联机床工件定位模块算法 设计人员一般是在工件坐标系中进行加工程序设计。加工时必须将刀位数据从工件坐标系转换到机床坐标系 ,因此必须知道工件坐标系在机床坐标系中的准确位置与姿态。并联机床与传统机床不同 ,它是通图 1 哈工大新研制的并联机床过改变驱动杆长度改变带有刀具的动平台的位姿 ,没有传统机床固定的Ｘ、Ｙ、Ｚ和Ａ、Ｂ、Ｃ坐标轴。用传统定位方法很难在并联机床上对工件进行精确定位 ,也无法用驱动传统机床的方式直接操纵机床进行测量、定位等工作。为此我们在并联机床的手动系统基础上开发了工件定位模块。图 2 工件定位示意图如图 2所示 ,利用手控盒在工件坐标系的Ｏ′Ｘ′Ｙ′平面逆时针采集三点 ,然后沿Ｘ′轴方向采集两点 ,最后在Ｙ′轴采集一点 ,系统自动计算出工件在机床坐标系中的位置和姿态。当工件坐标系Ｚ′轴与机床坐标系Ｚ轴平行时 ,Ｚ′轴方向已知 ,只须采集 4点 ,即在Ｏ′Ｘ′Ｙ′平面只采集一点即可。(1)首先在工件坐标系Ｏ′Ｘ′Ｙ′平面逆时针测得三点Ｐ1、Ｐ2 、Ｐ3,如图 2所示。ｎｚ =Ｐ1Ｐ2 ×Ｐ1Ｐ3｜Ｐ1Ｐ2 ×Ｐ1Ｐ3｜ (1) 当工件坐标系Ｚ′轴与机床坐标系Ｚ轴平行时只须测一点Ｐ1,则ｎｚ=(1,0 ,0 )。(2 )沿Ｘ′轴方向测得两点Ｐ4 、Ｐ5,沿Ｙ′轴方向测得一点Ｐ6 。ｎｙ =ｎｚ×Ｐ5Ｐ4 ｜ｎｚ×Ｐ5Ｐ4 ｜ (2 )ｎｘ =ｎｙ×ｎｚ (3)由此可以得出当前工件坐标系的机床坐标系的姿态。(3)求工件坐标系原点在机床坐标系中的坐标首先求Ｐ1(Ｐ1ｘ,Ｐ1ｙ,Ｐ1ｚ)点在工件坐标系中的坐标(Ｐ1ｘ′ ,Ｐ1ｙ′ ,Ｐ1ｚ′)。Ｐ1ｘ′ =(Ｐ1-Ｐ6 )·ｎｘ (4)Ｐ1ｙ′=(Ｐ1-Ｐ4 ) ·ｎｙ (5 )Ｐ1ｚ′ =0 (6 )于是工件坐标原点Ｏ′在机床坐标系中的坐标 (Ｏｘ′ ,Ｏｙ′ ,Ｏｚ′)为Ｏｘ′Ｏｙ′Ｏｚ′=Ｐ1ｘＰ1ｙＰ1ｚ=ｎｘｘ ｎｙｘ ｎｚｘｎｘｙ ｎｙｙ ｎｚｙｎｘｚ ｎｙｚ ｎｚｚＰ1ｘ′Ｐ1ｙ′Ｐ1ｚ′(7) 测出工件坐标系后 ,可对工件坐标系平移、旋转变换。利用手控盒上的机床坐标系与工件坐标系的选择开关可以很方便地在机床坐标系和工件坐标系中移动刀具和测头。在对像叶轮等用圆孔或圆柱面进行定位的工件,工件定位模块提供了三点定圆的功能 ,可以很精确地在机床坐标系和工件坐标系对工件进行定位。3 工件坐标系坐标校正 用上述方法建立工件坐标系 ,往往受定位基准及图 3 坐标校正对话框测量方法的限制 ,此时工件坐标系的原点未必是程序设计时的原点 ,为此我们提供了坐标校正指令。单击“采集校正点”按钮 ,利用手控盒在机床坐标系中移动测头 ,将测头移至一已知其在工件坐标系坐标的点 ,单击手控盒上的“采集”键 ,移动测头离开工件 ,再次单击手控盒上的“采集”键 ,屏幕上弹出坐标校正对话框 ,如图3所示。在编译框内显示该点在当前工件坐标系中的坐标 ,将此坐标改为已知的工件坐标系坐标 ,单击“确认” ,系统自动更正当前工件坐标系。该操作避免了在进行坐标系平移时可能产生的操作失误 ,同时可以单独对工件坐标系的某一轴进行校正 ,即只对Ｘ′轴校正时 ,只修改Ｘ轴编辑框内的坐标值即可。4 实例 我们以加工制氧机叶轮为例介绍并联机床工件定位模块。叶轮为倾斜放置。首先按图 4所示顺序在平面Ⅰ采集第 1～ 3点 ,由于叶轮在圆周方向上无法定义平行于Ｘ′轴或Ｙ′轴的基准 ,所以我们先在平面Ⅰ内近似平行Ｘ′轴方向上采集第 4、5点 ,再在Ｙ′轴方向上采集第6点。注意 ,第 6点必须偏离第 4、5点所在直线 ,即 4～ 6点不共线。单击“计算坐标系”按钮 ,计算工件坐图 4 叶轮定位标系。此时的工件坐标系原点不在Ｚ′轴上 ,单击“三点定圆”按钮 ,将手控盒“坐标系选择”拨块置于“
工件坐标系” ,在工件坐标系内移动测头至柱面Ⅱ ,固定Ｚ′轴 ,通过沿Ｘ′轴、Ｙ′轴移动 ,分别按图 4所示顺序采集 7～ 9点 ,移动测头离开工件 ,单击手控图 5 叶轮加工盒上的“采集”键 ,屏幕上弹出三点定圆对话框。在对话框中显示 7～ 9点所在圆的圆心在机床坐标系和当前工件坐标系中的坐标 ,将工件坐标系中Ｘ′、Ｙ′坐标编辑框内的数值更改为 0 ,单击“修正坐标系” ,将系统自动更正当前工件坐标系 ,将当前工件坐标系的原点移至图 4所示的Ｚ′轴上。最后再通过在Ｚ′轴方向上平移坐标系将工件坐标系的原点移至如图 4所示的Ｏ′点位置。如果第 4、5点所在直线不平行于Ｘ′轴 ,此时可通过在工件坐标系内绕Ｚ′轴旋转一定角度即可。至此叶轮的工件坐标系全部建立完毕 ,单击“保存坐标系”按钮 ,保存当前所测的工件坐标系。图 5为叶轮加工照片。5 结束语 并联机床数控系统增加手动系统和工件定位模块后 ,用户按界面图示提示即可很方便地测量出工件在机床坐标系中的位姿 ,真正实现工件任意装夹位置的自动定位和加工。该模块还提供了许多简单实用的操作指令 ,以简化用户的操作。利用工件定位模块提供的功能 ,并联机床已完成制氧机叶轮、汽轮机叶片、模具等具有复杂曲面零件的加工 ,使并联机床走向了实用化并联机床工件定位模块的开发@卓桂荣$哈尔滨工业大学机电学院!150001
@王知行$
哈尔滨工业大学 @刘文涛$哈尔滨工业大学并联机床;;Stewart平台;;
工件定位;;测量并联机床数控系统增加了工件定位模块 ,利用该模块可以很容易地测出工件在机床坐标系中的位姿 ,实现了工件任意装夹位置的自动定位和加工1 叶伯生等计算机数控系统原理、编程与操作武汉:华中理工大学出版社,1999
2 魏永明,叶佩青,李铁民等虚拟轴机床CNC系统的软件设计及系统特点制造技术与机床,1999(1)
3 章富元等对我国数控技术发展的思考中国机械工程,1999(10)
4 汪劲松,黄田并联机床_机床行业面临的机遇与挑战中国机械工程,1999(10)博士学科点专项科研基金 (980 2 1 332 );;
黑龙江省科学技术委员会重大项目基金资助谌疲凇渲嵝欢ń嵌燃纯伞Ｖ链艘堵值墓ぜ晗等拷⑼瓯?,单击“保存坐标系”按钮 ,保存当前所测的工件坐标系。图 5为叶轮加工照片。5 结束语 并联机床数控系统增加手动系统和工件定位模块后 ,用户按界面图示提示即可很方便地测量出工件在机床坐标系中的位姿 ,真正实现工件任意装夹位置的自动定位和加工。该模块还提供了许多简单实用的操作指令 ,以简化用户的操作。利用工件定位模块提供的功能 ,并联机床已完成制氧机叶轮、汽轮机叶片、模具等具有复杂曲面零件的加工 ,使并联机床走向了实用化并联机床工件定位模块的开发@卓桂荣$哈尔滨工业大学机电学院!150001
@王知行$哈尔滨工业大学
@刘文涛$哈尔滨工业大学并联机床;;Stewart平台;;工件定位;;测量并联机床数控系统增加了工件定位模块 ,利用该模块可以很容易地测出工件在机床坐标系中的位姿 ,实现了工件任意装夹位置的自动定位和加工1 叶伯生等计算机数控系统原理、编程与操作武汉:华中理工大学出版社,1999
2 魏永明,叶佩青,李铁民等虚拟轴机床CNC系统的软件设计及系统特点制造技术与机床,1999(1)
3 章富元等对我国数控技术发展的思考中国机械工程,1999(10)
4 汪劲松,黄田并联机床_机床行业面临的机遇与挑战中国机械工程,1999(10)博士学科点专项科研基金 (980 2 1 332 );;
黑龙江省科学技术委员会重大项目基金资助
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