高精度車銑復合機床電主軸部件設計含3張CAD圖.zip

高精度車銑復合機床電主軸部件設計含3張CAD圖.zip,高精度,復合,機床,主軸,部件,設計,CAD 高精度車銑復合機床電主軸系統(tǒng)設計 附錄 1：外文翻譯 具有標準運動能力的智能臺式數(shù)控機床 摘要：提出了一種新型的帶有小曲面的金屬模具的新型數(shù)控機床。數(shù)控機床由三個單軸機器人組 成。連接到 z 軸頂端的工具是球形研磨工具。數(shù)控機床的控制系統(tǒng)由一個力反饋回路、位置反饋回路和位置前饋線組成。力反饋回路控制著工具接觸力和動摩擦力的拋光力。位置反饋回路控制在選擇方向上的位置。此外，該位置前饋環(huán)將刀具位置信息與刀具位置數(shù)據進行了分析。摘要為了將傳統(tǒng)工業(yè)機器人的應用極限，應用到一個非機械性的任務中，通過簡單的位置/力的測量， 我們評估了在研磨工具尖端的位置不準確的反作用力。通過對一種透鏡模型的測量和表面控制實驗，證明了具有高分辨率的基本的位置/力控制能力。 關鍵詞：臺式數(shù)控機床、模具制造、FI 小曲面、CAD/CAM、順應運動、螺旋路徑 1 引言 到目前為止，已經設計了多種拋光系統(tǒng)和機器人系統(tǒng)，根據不同的用戶需求和各個工業(yè)領域所需的機床規(guī)格，報道了以下兩項專題研究。一種是主從式控制機器人來支持拋光金屬工件的加工方法，另一個是機器人應用混合位置/力的金屬旋壓系統(tǒng)控制器。 另外，長谷川和山崎已經開發(fā)了一個拋光機器人，可以用來制作寵物瓶的吹制模具。摘要提出了一種具有順應性控制能力的新型桌面 nc 機床，它具有一種具有小曲面的金屬模具。數(shù)控機床由三個單軸機器人組成。連接到 z 軸頂端的工具是球形的研磨工具。數(shù)控機床的控制系統(tǒng)是由一個力反饋回路、位置反饋回路和位置前饋回路組成的。力反饋環(huán)控制著由工具接觸力和動摩擦力組成的拋光力。位置反饋回路控制選擇方向的位置。此外，正向前饋線在刀具定位數(shù)據(CL 數(shù)據)上引導工具提示。預計數(shù)控機床在模具上采用約 0.3 千層的表面處理，使表面具有高質量的表面效果。摘要為了將傳統(tǒng)工業(yè)機器人的應用范圍限定為一件不合格的任務，我們通過簡單的位置/ 力的測量，評估了在磨具工具尖端引起位置誤差的反作用。通過對透鏡模型的相似測量和表面跟蹤控制實驗，證明了該數(shù)控機床的基本/受力控制能力。 2 工業(yè)機器人的局限性 在此基礎上，對基于工業(yè)機器人的機器人伺服系統(tǒng)進行了有效剛度、有效位置的解析和力的解析。有效剛度指的是整體剛度，包括由工業(yè)機器人本身組成的特性，力傳感器、附件、磨料磨具、工件、曲折和地板。工業(yè)機器人使用的是 6 型。一個 6 自由度的緊力傳感器被連接到手臂的末端，一個硬的球端研磨工具通過 aservo 主軸連接到頂端。 圖 1 剛性球頭磨具的工業(yè)機器人位置與接觸力的靜態(tài)關系 圖 1 顯示了一個簡單的接觸實驗所獲得的位置和接觸力之間的關系。該位置的數(shù)量是磨刀尖上的 z 方向分量，由正運動學計算，利用內部編碼器的關節(jié)角來計算。通過接觸鋁工件的工具尖端，得到了力的數(shù)量，并由力傳感器測量。當工具尖端接觸到工件時，在 0.01 微米以下的小操作變量不能產生有效的力測量，因此我們進行了實 驗，同時給出了最小分辨率的 0.01 毫米的壓印和 0.01 毫米的無壓運動。 在實驗中，工具尖端接觸到鋁工件的速度較低，在接觸工件之后。檢測到接觸力， 以每 0.01 毫米的速度壓在工件上。圖 1 中用黑色方塊畫的圖顯示了位置和接觸力的 關系。當?shù)都獾奈恢脼?0.3 毫米時，力約為 36 N，因此范圍內的有效效果估計為 120 N/mm。在接觸運動之后，工具提示離開了工件一次，回到了 36 N 獲得的位置。在那之后，工具又以每 0.01 毫米速度松開。這張圖表顯示的是位置和接觸力的關系。從結果中可以看出，存在一個大的齒隙（0.1 毫米）。這個值幾乎與一般工業(yè)機器人的重復定位精度相同。這就是我們要用一個工業(yè)機器人來設計一個拋光系統(tǒng)必須考慮的問題，即一個力控制系統(tǒng)在誤差為 0.1 毫米位置不確定下接觸里為 1.2N。 3 具有順應運動的數(shù)控機床 3.1 臺式數(shù)控機床的設計 圖 2 具有順應運動的數(shù)控機床 圖 2 顯示了 3 個單軸機器人數(shù)控機床的發(fā)展，其位置分辨率為 1 m。該機床的大小分別為 850、645、700 米，單軸機器人是由 IAI 公司提供的高精度分辨率的位置控制設備，由一個底座、直線導軌、滾珠螺桿、交流伺服電機組成。在 x-y-z 方向上有效的劃劃是 400、300 和 100 毫米。為了適應工具發(fā)展，在 z 方向機器人在工具和力傳感器之間使用了一個主軸電機。硬件框圖如圖 3 所示。 圖 3 由三個單軸機器人組成的數(shù)控機床硬件框圖 圖 4 顯示了采用剛性球頭磨具的數(shù)控機床的位置與接觸力之間的靜態(tài)關系。實驗在相同條件下進行，如圖 1 所示。觀察到，影響減少，有效剛度約為 30/0.2 = 150n /mm。另一方面，圖 5 顯示了使用彈性球端磨料工具時的關系。根據彈性磨料工具的性能，可以看出，有效剛度變化為 30/0.36 =83.3 N/mm?？梢钥闯?，該力控制系統(tǒng)的有效剛度很大程度上受所使用的磨料工具的影響。對于彈性磨具稱為橡膠磨具,力分辨率約 0.083 N，可以執(zhí)行的位置分辨率 1μm。 圖 4 采用剛性球頭磨具的數(shù)控機床的位置與接觸力之間的靜態(tài)關系 圖 5 在有彈性球端磨具的數(shù)控機床上位置與接觸力之間的靜態(tài)關系 3.2 螺旋軌跡的弱耦合控制。 圖 6 采用弱耦合的 CL 數(shù)據基混合位置/力控制器的框圖 刀尖是由平移速度控制的。通過 wv（k）=wvt（k）+wvn（k）+wvp(k) （1） t t 其中 k 表示離散時間;上標 W 表示工作坐標系。假設拋光力是接觸力和摩擦力的合力，同時也得到了 x、y 和 z 方向力傳感器測量的合力。圖 6 顯示了所提議的 CL 數(shù)據基混合位置/力控制器與弱耦合的框圖。首先，wv （k）是基于 CL 數(shù)據的前饋控制律生成的被操縱變量. wv （k）是切向速度，由 wvt（k）=Vtangent（k） （2） tangent n 其中 V （k）是一個速度范數(shù)。 是用 CL 數(shù)據計算的切向向量。另外，wv n （k）是由力反饋控制律生成的被操縱變量。wv （k）為正常速度。由 n normal d d wv （k）=V （k）wo （k），wo （k） （3） 其中是利用 CL 數(shù)據的方向分量計算的法向量。代表正常速度的標量 vnormal (k)是阻抗模型的輸出，它是由力控制律所給出的。 Vnormal（k）= + （4） f d 其中 Kf 為力反饋增益，阻抗參數(shù) Md 和 Bd 分別為期望質量和阻尼系數(shù)。Δt 采樣時間。E (k)之間的誤差是理想的拋光力 F 和規(guī)范的 sF(k)∈?3 力傳感器測量, （1） 上標 S 表示傳感器坐標系。同時，Wvp(k)是由位置反饋控制律所產生的被操縱變 量。 （2） 開關矩陣 Sp = diag(Sx, Sy, Sz)使弱耦合控制的控制方向處于主動或非活動狀態(tài);Ep(k)= Wxd(k)?Wx(k)是位置誤差。所期望的位置 Wxd(k)是用 CL 數(shù)據計算的。 其中;Kp=diag(Kpx,Kpy,Kpz)和 Ki=diag(Kix,Kiy,Kiz)是位置反饋控制的比例和積分增益。 其次，考慮臨界阻尼情況，提出了一種利用數(shù)控機床有效剛度的阻尼調優(yōu)方法。當拋光力被控制時，力控制系統(tǒng)的特性可以根據所期望的質量和阻尼等阻抗參數(shù)的組合而變化。為了提高力控制的穩(wěn)定性，需要適當?shù)卣{整所期望的阻尼，它對力控制穩(wěn)定性有很大的影響。Eq. 4 是由以下阻抗模型推導出來的 （7） 其F 分別是力控制方向上的加速度，速度和力標量， 分別是理想的加速度、速度和力。力控制是靈活的， 被設為 0，假設 F 是數(shù)控機床力控制系統(tǒng)所給出的力，這個模型力 F=-B （8） 其中，Bm 和 Km 分別是數(shù)控機床的有效粘度和剛度系數(shù)。7 和 8 導致了下面的二階滯后系統(tǒng)。 （9） (9)的臨界阻尼情況導致。 （10） 用 10 計算所需阻尼的基本值。注意：在實際實驗中，給出了力控制系統(tǒng)的有效剛度。 4 實驗 在本節(jié)中，對所提出的數(shù)控機床的基本性能進行了評價，并對力控制系統(tǒng)和位置控制系統(tǒng)進行了評價。在數(shù)控加工后，使用塑料透鏡模具進行了 profi ling 控制實驗，如圖 7 所示。目標模具通常采用直徑和深度分別為 30 毫米和 5 毫米的形式加工。每個凹面區(qū)域都是軸對稱的，然而模具本身是軸對稱的。注意常規(guī)的自動非對稱系統(tǒng)不能處理這樣的軸對稱工件。 圖 7 在控制現(xiàn)場一條螺旋形的路徑 圖 8 位置控制結果沿著螺旋路徑 在實驗開始時，一個小的彈性球以 2 毫米/秒速度在端磨料工具接近加工部分的中心。當檢測到為 5n 后，工具提示開始沿著螺旋路徑開始，這是所需拋光力的 1/2。在彈性球端磨具的情況下，有效剛度 Km 估計為 30/0.36= 83.3 N/mm。所期望的質量Md 和力反饋增益 Kf 分別設置為 0.01。此外，由于力控制系統(tǒng)的粘度很小，所以假定Kf Bm= 0。因此，10 導致 Bd = 0.183 N·s/mm。 其次，解釋了 x、y 和 z 方向的控制系統(tǒng)。通過反饋控制律對拋光力和 z 方向位置進行調節(jié)，并根據 CL 數(shù)據對 x 方向和方向位置進行反饋控制。在 x-y 平面上觀察到的 CL 數(shù)據，這是理想的軌跡，形成了一個 0.8 毫米螺距的螺旋路徑。圖 8 顯示了位置控制結果，其中 x-y 平面在 4 毫米處的螺距約為 0.7 mm。這是由于當工具沿螺旋路徑上升時，由力反饋控制律所控制的變量逐漸產生 x 和 y 方向。換句話說，原因是只有 z 方向的位置被一個位置閉環(huán)控制，x 和 y 方向的位置通過力控制系統(tǒng)的約束，由力控制系統(tǒng)的操縱變量來修正，通過力控制系統(tǒng)的約束。同樣，z 方向位置通過一個微弱的閉環(huán)控制，利用 0.001 的小增益，使弱耦合對力反饋環(huán)是主動的。盡管在這種情況下,Z 方向上平均誤差約 2.7μm。因此得到了 z 方向位置的平均誤差。 （11） 其中 N 是 CL 數(shù)據中的總步數(shù)，即，“GOTO”語句的數(shù)量。 是 CL 數(shù)據第 n步的 z 方向分量， 為從編碼器獲得的工具尖端的 z 方向位置。k 是被 設置時的離散時間。 圖 9 拋光力的控制結果||S F(k)|| 圖 9 說明了拋光力的控制效果。在傳感器坐標系中，以上第二和第三網絡數(shù)據顯示 X，Y 和 Z 向力傳感器坐標系。下圖顯示規(guī)范| | S F | |。從 S 和 FX 中可以看出， 由于沿螺旋路徑的位置控制，力控制的方向經常不同。同時，雖然 x- y 方向的力測量隨著工具的增加而增加，而 z 向力逐漸減小，||SF||可以很好地遵循參考值 10n。 5 結論 本文通過關節(jié)式六自由度工業(yè)機器人實驗，研究了位置和力的分辨率以及由此產生的有效剛度，此外，還考慮了改進的技術點，以開發(fā)一種新的非晶化系統(tǒng)，該系統(tǒng)可應用于曲面的小工件。其次，結合單軸機器人設計了一臺分辨率為 1μm、分辨率為 0.083 N 的臺式數(shù)控機床。針對數(shù)控機床，提出了一種具有柔度控制的混合位置和力控制器，在此基礎上，可根據不同的非晶化策略選擇位置控制、力控制或弱耦合控制。 此外，我們還介紹了一種基于臨界阻尼情況下的期望阻尼的系統(tǒng)調諧方法，該方法考慮了工具尖端的位置與力之間的靜態(tài)關系。最后，在螺旋路徑上進行了一種軸向非對稱塑料透鏡模具的一種多軸對稱凹曲面的實驗，以評價其位置和力控制的特點。因此，提出的桌面數(shù)控機床具有理想的位置和力控制性能，適用于塑料透鏡模具的非晶化任務。在今后的工作中，我們計劃開發(fā)一個 1 毫米的小型球形磨料工具，并進一 步將所建議的系統(tǒng)應用于有幾個小凹區(qū)域的 LED 透鏡模具的非晶化過程。凹面積的直徑為 4 毫米。 致謝：九州山口高技術企業(yè)發(fā)展基金會(KYUTEC)支持這項工作。 參考文獻 [1] Nakajima S.金屬模具拋光過程自動化（用日語）,塑料.2006,57（12）：39 – 42. 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