虚拟轴机床研究进展综述

虚拟轴机床研究进展综述Xx学号：xx摘要：虚拟轴机床作为一种新型的加工设备在广泛的领域内引起人们的重视。现对虚拟轴机床的特点和应用，以及虚拟轴机床在国内外的研究状况进行综述和分析，结合虚拟轴机床的最新研究领域和现状，对虚拟轴机床将来的发展趋势做了详细的展望。关键词：虚拟轴；机床；关键技术；发展趋势0引言随着科学技术的快速发展，机械制造业也经历了空前的变化。新一代机床的发展趋势是进一步满足超精密、超高速、激光和细微加工等新工艺提出的高性能和高集成度的要求。虚拟轴并联机床的出现和发展就是典型的例子。虚拟轴并联运动机床是基于空间并联机构Stewart【1】平台原理开发的，它以空间并联机构为基础，充分利用计算机数字控制的优势，以软件取代部分硬件，以电器装置和电子元件取代部分机械传动，使以笛卡尔坐标直线位移为基础的机床结构和运动学原理发生了根本的变化。1虚拟轴机床的特点1.1虚拟轴机床的结构特点传统机床的工作轴线和三维直角坐标轴相对应，而虚拟轴机床的工作主轴轴线突破了传统的概念。传统机床布局的基本特点是以机床、立柱、横梁等作为支撑部件，主轴部件和工作台的滑板沿支撑部件上的直线导轨运动，按照X、Y、Z坐标运动叠加的串联运动学原理，形成刀头点的加工表面轨迹。虚拟轴并联运动机床（图1）以桁架杆系结构[2]取代传统机床的悬臂梁和两支点梁结构来承载切削力和部件重力,加上运动部件的质量明显减小以及主要由电主轴、滚珠丝杆、直线电动机等机电一体化部件组成，因而具有刚度高、动态特性好、机床的模块化程度高、易于重构以及结构简单等特点[3-4]。1.1.1机床机构简单虚拟轴机床主要由框架和变长度杆等简单构件组成，对于复杂的曲面加工，不需要普通机床的X、Y、Z三个方向的工作台或刀架的复合运动，只要控制六杆长度即可。机床用较为复杂的控制换取了结构的最大简化。1.1.2机床结构强度高传统机床因结构不对称，而使机床受热受力不均匀。虚拟机床呈对称的图1虚拟轴机床原型1.工作台2.刀具3.主轴4.框架5.杆6.关节7.电机框架结构，刚度高、稳定性好，具有承载重量比高的优点。1.1.3并联传动结构传统机床是串联传动结构，主轴或工作台的运动由各传动轴依次传递，不仅存在误差积累问题，而且运动的质量较大，使机床高速动态性能恶化。而虚拟轴并联机床的六杆分别由六个电动机控制各杆长度，获得主轴所需要的刀具工作位置，使得串联结构的缺点得以改善（图2）。高速加工时，并联结构的优势更加的明显。图2Stewart平台工作原理图1.2虚拟机床的加工特点1.2.1加工精度高由于虚拟轴机床具有并联结构的优点，并联结构的各个轴的误差形成的是平均值，不同于串联机构的轴的误差的相互叠加，因此加工精度较高。1.2.2适应性强虚拟轴机床的加工，主要是通过连接刀具的动平台在空间改变位置和姿态实现的，而刀具的运动是由六个伺服电机驱动六个滚珠丝杆，调整各杆的长度进行控制。改变伺服电机的控制指令就可以改变刀具位姿。因此刀具调整方便，机床适应性强。1.2.3经济性好虚拟轴机床不仅结构简单，而且主要部件多为通用件，具有较强的模块化功能。有利于针对不同加工需要进行设备重组。减少投资，维修方便，经济性能良好。2虚拟轴机床的研究现状目前，国内外关于并联机床研究的关键技术主要集中于以下几个方面：并联机床的设计理论和结构设计研究，虚拟轴并联机床的运动学设计研究，虚拟轴并联机床的动力学和动态特性研究，虚拟轴并联机床的动力与控制策略的研究等。2.1虚拟轴机床设计理论和结构设计研究虚拟轴并联机床的组成原理研究主要致力于解决并联机床的自由度计算、运动副类型、支铰类型以及运动学分析、建模与仿真等问题；结构设计主要包括机床的总体布局和安全机构设计。国外，从并联机床的设计到制造已经实现了计算机的虚拟设计和仿真。由于并联机床的复杂性和设备的高昂造价，促使机床虚拟设计平台的出现[5]。近年来，国内在虚拟轴机床的研究方面也做了许多工作。清华大学研制了VAMTIY型虚拟轴机床的样机（图3），东北大学研制了修磨刚胚缺陷的并联机器人机床（图4）。国内其他一些高校也对类似的结构的虚拟轴机床进行了开发研究。图（3）VAMTLY样机图（4）并联机器人机床2.2虚拟轴机床的运动学设计研究虚拟轴并联机床运动学设计包括工作空间定义与描述、工作空间分析与综合两部分。工作空间分析是并联机床机构运动学设计的核心内容之一。工作空间是评价动平台实现位姿的能力的主要标准。工位奇异性研究主要研究奇异性工位的位置和范围。当机构处于奇异相位时，机构的速度反解不存在，存在某些不可控的自由度，奇异相位分为边界奇异、局部奇异和结构奇异三种形式。2.3虚拟轴机床动态特性的研究刚体动力学逆问题是并联机床动力分析、整机动态设计和控制器参数确定的理论基础。这类问题可以归结为已知平台的运动规律，求解铰内力和驱动力。和传统的串联机构机床一样，动态特性是影响并联机床加工效率和加工精度的重要指标。动态设计的目标可以归结为：提高整机单位重量的静刚度、通过质量和刚度合理匹配使得低阶主导模态的振动能量均衡，有效的降低刀具与工件相对柔度，以期改善抵抗切削颤振的能力。2.4虚拟轴机床控制策略的研究从机床运动学的观点看，并联机床与传统机床的本质区别在于动平台在笛卡尔空间中得运动是关节空间伺服运动的非线性映射[6]。因此，在进行运动控制时，必须通过位置逆解模型，将给定的刀具位姿及速度信息变换为伺服系统的控制命令，并取得并联机构实现刀具的期望运动。3虚拟轴机床的发展趋势虚拟轴机床之所以能在Stewart平台基础上形成各种样机，受到社会广泛关注并吸引了众多学者从各个角度进行研究。最为重要的原因就是虚拟轴机床具有独特的结构和先进的控制技术。虚拟轴机床的这些优点拥有明显的市场潜力和良好的发展前景。其未来的发展趋势主要体现在以下方面。3.1虚拟机床结构设计的标准化和可靠高精度方面的研究虚拟轴机床结构简化的最大特点就是便于模块化和标准化，为柔性制造系统的设备重组提供了良好的基础，为敏捷制造提供了硬件条件[8]。虚拟轴机床的精度已经不再停留在静态的集合精度，运动精度、热变形和振动的检测和补偿越来越得到重视，以适应高性能加工和高可靠性的需要[7]。机床的加工精度，其重复性和可信赖度很高，性能能够长期保持稳定。机床需要具有自由化、自监控、自诊断和预维护功能。3.2虚拟轴机床开放式数控系统的研究目前虚拟轴机床的研究主要着眼于开放式数控系统以及数控系统模块化结构的研究，在今后的一段时间内还需要有以下几个方面的深入。首先，新一代的虚拟轴机床开放式控制系统需要有更高的智能水平，其控制将向着更高的精度、更高的可靠性和更快的响应等高智能化的方向发展。其次，开放式控制系统将向网络化方向发展。随着现代科学技术的进步，特别是通讯和网络技术的日新月异，基于网络技术的开放式运动控制系统的研究，必将在我国数控技术领域掀起一个更高的研究热潮。再次，开放式控制系统将向基于组件的数控软件开发技术方向发展。为了使软件具有更好的可移植性、可扩展性可重用性，基于组件的软件设计方法正成为计算机软件的重要发展方向。最后，虚拟轴并联机床组成标准模块和关键基础件的研制也是一个很重要的方向。虚拟轴机床组成模块主要包括主轴系统、杆件和铰链、线性直接驱动设备、特种直接驱动设备。这些设备的性能直接决定机床的综合性能，加快这些装备和技术的研制对于加快推进并联机床的发展具有重大的意义。4总结虚拟轴机床是一种新型的机床，是现代机器人技术和现代数控机床技术结合的产物，它代表着机床制造业的发展方向。由于传统的串联机床和虚拟轴并联机床在结构和性能上的对偶关系，决定了这两种机床在应用上不是替代作用而是互补作用。虚拟轴机床是一个国家技术力量和装备水平的重要标志。因此，在提高我国装备制造业进程中必须加大对虚拟轴机床的研究力度。对虚拟轴机床进行全面而系统的研究，并不断将其推向实际应用，具有重要的理论意义和实用价值。参考文献[1]D.Stewartetal.AplatformwithSixDegreeofFreedom.Proc.Instnmech.Engrs,1965~1966[2]W.Hansetal.DevelopmentofHexapodBasedMachineTool.AnnalsoftheCIRP,1988,47(1)[3]黄征。并联机器人机构学理论及控制[M].北京：机械工业出版社，1997.[4]JosephA.FalcoEmestW.Kent.VirtualManufacteringToolsforCollaborativeExplorationofHexapodMachineCapabilitiesandApplications.[5]汪劲松，朱煜，张华。并联机床虚拟产品设计系统及基本框架研究[J].计算机集成制造系统-CMS，2001,7（5）：57-62[6]周凯.虚拟轴数控机床的虚实映射联动控制.中国机械工程.1998.9(3)[7]刘文涛等.并联杆系机床工作空间与精度分析.制造技术与机床,1988,9(5)[8]杨建新，郁鼎文，王立平，等。并联机床研究现状与展望[J].机械设计与制造工程，2002（3）：10-14