一種應(yīng)用于五軸激光加工的新型導(dǎo)向頭

1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

在五軸機(jī)床中，3個(gè)移動(dòng)軸和2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸分別控制刀具相對(duì)加工表面的位移和指向。將此五軸按照不同順序串聯(lián)可獲得多種布局，其中兩旋轉(zhuǎn)軸直連正交的布局具有特殊優(yōu)點(diǎn):①符合運(yùn)動(dòng)學(xué)思維習(xí)慣;②與兩轉(zhuǎn)軸非直連結(jié)構(gòu)相比，旋轉(zhuǎn)軸改變刀桿空間指向時(shí)，刀尖相對(duì)工件的位置偏移較小，減少了移動(dòng)軸補(bǔ)償;③后置處理計(jì)算簡(jiǎn)單，一般類似于球鏡刀半徑補(bǔ)償。該布局具體分為兩種:①兩旋轉(zhuǎn)軸共同驅(qū)動(dòng)工件，即雙轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu);②兩旋轉(zhuǎn)軸共同驅(qū)動(dòng)刀具，其結(jié)構(gòu)類似機(jī)械臂。前者的刀軸安裝簡(jiǎn)單、剛性好，多用于機(jī)加工；而后者可獲得更高的轉(zhuǎn)角速度、更靈便，多用于激光切割等領(lǐng)域而被稱為導(dǎo)向頭。

導(dǎo)向頭的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，旋轉(zhuǎn)軸C、A與刀軸T相交于同一點(diǎn)，光束經(jīng)過4次90°反射，從該幾何交點(diǎn)射出，軸C和軸A分別控制刀具(或光束)的水平轉(zhuǎn)角和俯仰角α，其光路與字符Ω形似，暫命名為Ω結(jié)構(gòu)，以便表述。

圖2是Ω結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化版本，其應(yīng)用也十分廣泛。因?yàn)榭s短了光路，上述三軸無法相交于一點(diǎn)。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于制造和安裝，并且光路損耗較小;缺點(diǎn)是后置處理比Ω結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工曲面時(shí)，需要移動(dòng)軸來補(bǔ)償圖中的偏心距LCA。同時(shí)，移動(dòng)軸行程的利用率也被降低。

近年來，在激光切割領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的NTC(日平富山)和三菱等公司在其五軸激光加工系統(tǒng)中都采用了一種新型導(dǎo)向頭(如圖3），軸C按常規(guī)布置，另一旋轉(zhuǎn)軸φ與軸C成45°角相交，刀軸T繞軸φ 旋轉(zhuǎn)并與之保持45°。其光路與字符三形似，暫命名為∑結(jié)構(gòu)。∑結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域尚不多見，其新穎的設(shè)計(jì)帶來了許多優(yōu)點(diǎn)，非常值得借鑒。

圖3 光束導(dǎo)向頭∑結(jié)構(gòu)

2 ∑結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性

如圖3和圖4，在∑結(jié)構(gòu)中，軸C、軸φ和刀軸T相交于一點(diǎn)，并且在安裝時(shí)保證刀尖(或激光焦點(diǎn))精確位于該幾何交點(diǎn)處。這就使得軸C和軸φ進(jìn)行任意旋轉(zhuǎn)時(shí)，刀尖位置不會(huì)被改變，因而在五軸聯(lián)動(dòng)過程中，加工軌跡的位置精度僅取決于三移動(dòng)軸，而與兩旋轉(zhuǎn)軸元關(guān)。

通過與傳統(tǒng)的Ω結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較正結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在具體應(yīng)用中主要體現(xiàn)在:

① 由于三系統(tǒng)的位置控制獨(dú)立于轉(zhuǎn)角控制，其位置精度的可靠性更高，這一點(diǎn)對(duì)于激光切割等加工尤其重要。因?yàn)榧庸ぶ形恢镁�度不僅決定了軌跡生成，還關(guān)系到導(dǎo)向頭到工件表面的距離，這直接影響激光焦點(diǎn)和輔助吹氣氣嘴的位置，并最終影響切割質(zhì)量，包括縫寬均勻性、切口平整性和背面掛渣狀況等。此外，這一點(diǎn)對(duì)機(jī)床的安裝和調(diào)試也十分有利。

② ∑結(jié)構(gòu)中各導(dǎo)軌行程得以完全利用，而Ω結(jié)構(gòu)中移動(dòng)軸的加工范圍通常小于其導(dǎo)軌行程。

例如，考察Ω導(dǎo)向頭加工圖4中半徑為R的半圓I-II-III-IV，其移動(dòng)軸合成軌跡卻是半徑等于(R+Lr)的半圓(Lr為刀軸T的長(zhǎng)度，圖4中Lr=MII)，因而，能夠加工的最大工件半徑相比立結(jié)構(gòu)減少了Lr(暫且不考慮Z軸的行程限制)。

③傳統(tǒng)的Ω導(dǎo)向頭與∑結(jié)構(gòu)相比，對(duì)于同樣的加工對(duì)象，耗時(shí)和耗能更多，而且移動(dòng)軸被迫以更高的速度運(yùn)行，這對(duì)于半徑很小的圓弧(包括整圓)的加工尤為不利，分析如下。

目前激光切割通常采用吹氧輔助，為了實(shí)現(xiàn)切口平整、減少掛渣，切割速度較高，通常V≈15mm/s(薄板的對(duì)應(yīng)速度更高)。在圖4中，設(shè)R=lOmm, Lr=295mm，由幾何關(guān)系可知，Ω導(dǎo)向頭加工該半圓時(shí)，移動(dòng)軸合成線速度為:

VΩ=(Lr + R)V/R=450 mm/s

該速度超過了一般機(jī)床的移動(dòng)軸速度極限，多軸聯(lián)動(dòng)時(shí)該速度對(duì)各移動(dòng)軸的動(dòng)態(tài)特性也有很苛刻的要求，無形之中增加了機(jī)床的硬件成本，而∑結(jié)構(gòu)則避免了該問題。

④立結(jié)構(gòu)應(yīng)用于機(jī)床的示教編程時(shí)特別方便。示教編程已經(jīng)逐漸成為多軸加工機(jī)的必備功能，它可以在沒有零件3D模型時(shí)，實(shí)現(xiàn)迅捷加工。示教編程時(shí)，一般只需獲得移動(dòng)軸坐標(biāo)，基于移動(dòng)軸坐標(biāo)進(jìn)行曲面重構(gòu)之后，再可得到旋轉(zhuǎn)軸坐標(biāo)。

在曲面的任意點(diǎn)位上，∑系統(tǒng)均可直接獲取移動(dòng)軸坐標(biāo)，而Ω結(jié)構(gòu)則必須進(jìn)行刀具半徑補(bǔ)償?shù)哪孢\(yùn)算。另外，示教時(shí)需要在各個(gè)點(diǎn)位上手動(dòng)對(duì)刀，調(diào)整刀尖(或測(cè)頭尖端)位置剛好與加工點(diǎn)接觸，并且調(diào)整刀軸盡量沿著曲面法向，操作十分麻煩。由于∑結(jié)構(gòu)的移動(dòng)軸和旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)獨(dú)立，其示教工作的勞動(dòng)強(qiáng)度要大大低于0 結(jié)構(gòu)。固立結(jié)構(gòu)的刀路數(shù)據(jù)后置處理。

由前述分析可知，在3個(gè)移動(dòng)軸方面，∑結(jié)構(gòu)不需要特別的后處理，CAM軟件基于零件3D模型生成的移動(dòng)軸數(shù)據(jù)可直接用于后續(xù)加工，而Ω結(jié)構(gòu)則需要進(jìn)行后置處理，即在各移動(dòng)軸原始數(shù)據(jù)上疊加對(duì)刀軸長(zhǎng)度Lr的補(bǔ)償。

而在兩旋轉(zhuǎn)軸方面，情況卻相反。∑結(jié)構(gòu)需要額外地對(duì)水平轉(zhuǎn)角進(jìn)行補(bǔ)償。這是因?yàn)檩Sφ在改變刀軸的俯仰角α時(shí)，也同時(shí)改變了刀軸的水平轉(zhuǎn)角θ，產(chǎn)生的附加水平轉(zhuǎn)角偏移為△c(見圖4)，軸C必須對(duì)此偏移進(jìn)行補(bǔ)償。具體分析如下。

圖4 中，輔助線IIs平行于X軸，M'和N'分別為M和N在軸C-軸φ平面內(nèi)的投影。定義C為連桿JK繞軸C相對(duì)X軸正向的轉(zhuǎn)角。定義φ為連桿PM繞軸φ相對(duì)其初始位置PQ的轉(zhuǎn)角。點(diǎn)I處φ=O(點(diǎn)I處光路己省略)，點(diǎn)W處φ=2n。定義曲面法矢的水平轉(zhuǎn)角θ為法矢(IIM)的水平投影(IIN)與X軸的夾角。定義曲面法矢的俯仰角α為法矢(IIM)與其水平投影(IIN)的夾角。

不失一般性，在點(diǎn)II處，現(xiàn)已知曲面法矢為IIM，其角度坐標(biāo)為(θ，α)，需求解軸C和軸φ的轉(zhuǎn)角位置(c，φ) 。

由圖中幾何關(guān)系可得，

轉(zhuǎn)角φ對(duì)水平轉(zhuǎn)角θ產(chǎn)生的附加偏移為△c，圖中對(duì)△c有如下關(guān)系：

在水平面SIIQ內(nèi)可得軸C位置為：

C=θ+(-△c)，其中，

φ- α和△c-α的關(guān)系曲線如圖5所示，φ-α曲線十分光順，無奇異點(diǎn)，曲線整體上與斜率為2的直線接近，這些都有利于對(duì)刀軸矢量的控制。較為不利的是，曲線在起始段(α=0附近)斜率很大，此處對(duì)應(yīng)φ軸的轉(zhuǎn)速很高，不過該情形在實(shí)際加工中較少碰到�！鱟-α曲線與之類似。

圖5

軸C 和軸φ在2Л范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，∑結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分解不唯一。例如圖4 中點(diǎn)II處，導(dǎo)向頭關(guān)于圓柱端面的鏡像，也能使得刀軸T與該點(diǎn)法矢匹配。具體的運(yùn)動(dòng)分解由CAM軟件根據(jù)加工類型定制，以提高加工效率。例如，對(duì)于水平面 (或接近水平)內(nèi)的加工時(shí)，軸C允許2Л范圍旋轉(zhuǎn)，而軸φ限制在0-Л；加工圖4所示的拉伸曲面的截?cái)嗝鏁r(shí)，軸φ允許2Л旋轉(zhuǎn)，而軸C在拉伸方向(圖4中圓柱軸向)附近作小范圍擺動(dòng)。 

3 結(jié)論

本文介紹了一種新穎的五軸加工導(dǎo)向頭，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用分析了該結(jié)構(gòu)的多種優(yōu)點(diǎn)。在切削力很小(或?yàn)榱?的激光加工、高速銳和坐標(biāo)測(cè)量等領(lǐng)域，該導(dǎo)向頭結(jié)構(gòu)均可獲得很好的應(yīng)用。