航空航天自動化之鑰匙_并聯(lián)機床應用于航空加工領域

1、航空航天自動化之鑰匙, 2007-05-29卡爾-埃里克 ·紐曼 瑞典 艾克斯康公司摘要眾所周知有 50多臺并聯(lián)運動機床 (PKM 用于航空航天行業(yè)的自動化領域。 其未解決的技術問題, 阻礙了這種技術進入更多的航空航天加工領域,這也是對所有并聯(lián)機床非常主要的障礙,即關節(jié)問題。 帶關節(jié)結構復雜且難于進行高剛性、 成本合適的無間隙加工, 這也就是為什么艾克斯康開發(fā)了一個 全新的并聯(lián)運動概念,稱之為艾克斯康,以滿足航空航天和汽車工業(yè)對靈活加工技術的需求。什么是并聯(lián)運動機床(PKM ?關節(jié)臂機器人20世紀 70年代初開發(fā)出了第一批電氣機器人,這種機器人技術是要應用于一些極其單調和危險的 工作

2、領域來替代人體勞動,如點焊、電弧焊和其他焊接處理等工作。最初設計的目標是制造大工作范圍 的、靈活性高的機器人,以適應某些有爭議應用領域里精度和剛性要求不高的特點。為實現這些目標, 這種技術應用了所謂的串聯(lián)技術,也就是一個軸連著一個軸。這種技術的優(yōu)勢是,這種機械結構能夠向 各方向運動,達到要求的靈活性和工作區(qū)域,但精度和剛性差。 傳統(tǒng)機床眾所周知,工業(yè)行業(yè)中使用的 CNC 機床對精度和剛性要求高并要有很好的清屑能力,只有這樣才 能夠加工出某些行業(yè)要求的微米級精度的部件。然而人們通常都沒意識到,市場上所有傳統(tǒng)機床也都是 應用了類似機器人這樣的串聯(lián)技術,所以也都會隨之產生精度和剛性方面的缺陷。于是為

3、了補償這種技 術 “ 不足 ” ,機床生產商不得不把機床設計成寬床面的整體結構來確保串聯(lián)結構即使在末端連接處也能保 持很好的精度和剛性。 但是也正是這種整體結構和寬大的床面又抵消了作為機器人來說很重要的靈活性。運動并聯(lián)機床機床制造行業(yè)的研發(fā)者們一直夢想著把機器人靈活性好、工作區(qū)域大與傳統(tǒng)機床精度、剛性高的優(yōu) 點結合在一起。所以在過去的 20年里人們一直著眼于運動并聯(lián)機床(稱為 PKM 的開發(fā)。這種技術是 指是通過 3個或 3個以上平行的軸實現 X,Y 和 Z 軸的運動,這種結構的剛性、精度十分顯著,而且還能 保證結構的靈活性和工作區(qū)域。第一臺實際上證明這種技術的機床名為 Tricept ,是由

4、卡爾 -埃里克 ·紐曼 先生研發(fā)的并聯(lián)機床, 1994年就已投入實際工業(yè)生產中。 為何選并聯(lián)機床?敏捷加工傳統(tǒng) 3軸加工常遇到工件坐標系的參照點不是在工件內部就是與工件的中心線不一致的問題,因此 使工件與機床坐標系對齊是一項耗時又耗錢的工作。傳統(tǒng)機床對此的解決方案是使用非常昂貴且不靈活 的伺服控制夾具,或通過使用高級的脫機測量設備手工調整每個工件。并聯(lián)機床可以輕松地使用激光或傳統(tǒng)測頭并結合 5軸機床極高的加速度和快速運動的性能,在加工 前能夠在幾秒鐘內飛快地測完工件,測完需要分析的所有指數,相應地調整相關程序數據。舉一實例來 說,機翼剖面上的零件是不一致的,需要在加工前單獨測、計算、

5、再放回機床坐標系,而所有這些工作 只用幾秒鐘。 敏捷加工一次裝夾加工傳統(tǒng) 3軸加工的另外一個問題是加工工件的所有 6個面,至少需要 2個夾具,有時用 3個夾具。這 種加工技術要求多次工件裝夾,這會造成很多的問題諸如:不斷給工件換夾具致使公差累加,相應出現 了 Cpk 問題,而且設計制造幾個不同夾具的成本亦不菲。并聯(lián)機床可以讓主軸始終真正地指向一點向后退刀,這種獨特的性能使得并聯(lián)機床從理論上能夠在 一次裝夾內便可加工工件的所有面。如果此技術再用上述測頭的話,就可以使用低成本的夾具,無需重 復性或固定精度,只要穩(wěn)定性和剛性好就行。那么公差累加的所有問題也隨之消失,工件的 Cpk 值也會 增加。3一

6、次裝夾加工復合角度加工由于飛機和汽車設計的越來越高級, 隨之對復合角度和圓插補的復雜加工需求也與日俱增。 要用傳 統(tǒng)的龍門型機床做這類加工,它是隨身帶著很大的重量在加工,由于 5個笨重的軸需要不斷再定位,通 常出現路徑跟隨問題及 /或生產率問題。對于并聯(lián)機床來說其高度的動態(tài)性平面或是與復合角度面對它來說都是一樣的,因此它十分適于未 來汽車制造期望的所有復雜加工。而且不難想象飛機、火車或建筑機械上的部件要求更先進的加工,卻 是現今傳統(tǒng)機床無法做到的,但只用并聯(lián)機床就可以實現。 復合角度加工多重路徑混合及消除拖刀3軸傳統(tǒng)加工中一個老問題就是加工完美的純平表面。采用多重路徑加工,可這要求機床的剛性和

7、 精度非常好,即使條件滿足,實際上幾乎也不可能避免出現路徑之間的紋楞。用傳統(tǒng)機床主要有兩種途 徑來解決這個問題,一是使用運動軌跡可覆蓋整個表面的刀具,但需要機床馬力更大和穩(wěn)定性更好;二 是從機械方面將主軸在所謂的迎角位置上傾斜幾千度,讓所有的路徑按同一方向切削,但是耗時多。 像前面提到過的,并聯(lián)機床不管其主軸與工件表面是否垂直,很容易用一個按材料確定的迎角給并 聯(lián)機床進行預編程,在加工表面時就讓機床用這個角度。另一個優(yōu)點,尤其是加工鈦合金且相等硬度材 料時,刀具背面不接觸工件,這樣就延長了刀具的使用壽命。 史 985年-埃里克 ·紐曼先生研發(fā)的第一個結構為一個穩(wěn)心柱四圍安裝上 3個制

8、動器的并聯(lián)運動機床 (PK 999年 器人獎,是工業(yè)領域最有威信獎項之一,頒給了尼奧斯機器人的創(chuàng)始人和 Tricept 的發(fā)明人 卡爾2004年 10月 卡爾 -埃里克 ·紐曼和托馬斯 ·安德森成立了艾克斯康公司?！?發(fā) 展 最 場 所 用 ”分析現有的并聯(lián)機床運動并聯(lián)結構從外觀來看像很多平行的 “ 手臂 “ 一端彼此相連,另一端與基座相連。這種設計就要求 IDOF 。運動并聯(lián)機床(PKM 平行手臂的數目取決于其設計(讀專利說明 , 平行 歷 1由卡爾 M 專利問世。 1國際金機 -埃里克 · 紐曼先生。這個獎第一次頒發(fā)是在 1984年,頒給了福特公司的威海姆 &

9、#183;克西先生,紐曼 先生的上一屆獎頒給了豐田公司的 Hisanori Nakamura先生。新 的 并 聯(lián) 運 動 機 床 并 使 其 通 過 許 可 協(xié) 議 為 市關節(jié)點有 無效自由度(手臂的數量從 3-8個不等,但是不論哪種設計遵循的目標都應將靈活性與剛性結合在一起。因關節(jié)點結構復雜、難于制造、剛性要好、無間隙、成本合理使其成為所有并聯(lián)機床的突出問題。這個技術問題限制了市場上的并聯(lián)機床數量,這也是為什么最成功的設計是那些關節(jié)點少、無效自由度 少的 并聯(lián)機床的設計是為做出一個可以移動的箱體結構,從觀賞的角度來看,這樣很不錯,但是相應產 度(IDOF 數量卻造成了問題。每一個關節(jié)點有一個

10、以上的自由度,作用像一個 萬向 個無效自由度的還有足夠剛性和精度的 2自由度以上的關節(jié)點是另一個很 難的 艾克斯康的概念 并聯(lián)機床的設計概念解決了前面所有描述的并聯(lián)機床問題,并且突顯了并聯(lián)機床的所 目標,如高剛性與極好靈活性和動態(tài)性相結合。這個新概念是:所用的下部關節(jié)點自由度不超過 1并聯(lián)機床的原因。 Tricept 是現今使用了最少的關節(jié)點和無效自由度的并聯(lián)機床,這也說明了 Tricept 為 什 么 在 今 天 的 并 聯(lián) 機 床 市 場 能 占70%的 份 額 的 原 因 。Hexapods 六軸結構Tricepts12個關節(jié)點 30個自由度Parallelograms 平行四邊形結構1

11、2 個關節(jié)點 24 個自由度 18 個自由度Tricept 分析生出的所需的無效自由 鉸鏈一樣,而且只能夠承擔純軸向載荷,這樣就出現了作用力必需另外被吸收,例如由 Tricept 的中 心管部分吸收這樣的結果。出現在中心管上的最大問題是這個作用力對中心管造成了撓曲和扭轉力,而處理這二力結合十分困 難。在合理的成本內加工出多 問題。且這類設計對軸向關節(jié)點的剛性有負面影響,這也會嚴重地影響整體剛性。新型艾克斯康 有(1-DOF ,使用 2個剛度(1-DOS 的制動器,同一方向的線性和彎曲性。這種設計形成的實體結構可 以完全解決施與機床各方的撓曲和扭矩力的影響。 這里描述的艾克斯康設計實際上是構成了

12、一個金字塔形移動的三腳架,這個結構是通過 3個與旋轉 相連的 2剛度制動器, 1個自由度的關節(jié)點把力傳遞到上了平臺,不損失任何剛性。但是由于上平臺 關節(jié) 動學 “串并聯(lián)混合傳動的三腳架機構” 的運動轉換是具有并 -串聯(lián)傳動的一個 5軸的轉換, 見圖一和圖二。 種結構使得旋轉性對稱刀具(銑刀、激光束在加工空間內可相對對于工件定位。其路徑和路頭 點角度的影響 , 只有在 2個制動器的上關節(jié)點為 2自由度并且第三個制動器的上關節(jié)點為 3自由度 時才可能做出下關節(jié)點都為 1自由度,所有制動器為 2剛度的設計。運 功能性這徑上 有 5軸模塊的等量運動圖表的速度的編程近似于 3軸轉換。刀具對準是作為子程序

13、的額外參量被編程的。實時轉換計算的是所 的合成運動。因而加工程序不是機床特有的。沒有必要使用 5軸加工作業(yè)用的傳動專用的后處理 器。刀具的長度補償包含在加工計算中。通過在一個單獨坐標系里的刀具 -工件 -表面方位的清晰程序存儲器(TOFRAME ,可以垂直地把 刀具從工件上退回的。 圖一:在 XZ 平面的運動圖二:在 YZ 平面的運動模塊的等量運動圖表 軸的構造:三角形基礎平臺的每個角用一個萬向接頭與一個直線軸相連。這些直 角形移動平臺 臺的位置。每一個直線軸用轉動軸使之與移動平臺相連。第二個直線軸有一個額外的自由 度,也 聯(lián),另外兩個旋轉軸是與其串聯(lián)連接的。那么這個機器有 3個空線軸決定了三

14、 相對于基礎平 就是繞著直線軸的方向旋轉。與移動平臺相連的是一個旋轉接頭和一個回轉接頭。兩種接頭都是用于在空間中定位主軸的。 關于頭三個 3軸的運動連接是并間自由 我們用小寫字母表示尺寸量如長度,大寫字母表示空間點,粗體字母表示方向矢量。下面的下筆 1到 3。內部坐標系 系就是軸 4與軸 5到軸 4垂線的交點。 (外接頭的萬向接頭的轉動軸。 處的交點。 A1和 A2間的距離。和 w2間的角度。 相配。 。軸處 vi 和 wi 間垂線交點。按照要求從萬向接點外接頭到內,所以這個點是唯一的。H 方向和軸 5的刀具尺寸。 位長度。 用領域 轉換 -“串并聯(lián)混合傳動的三腳架機構”有 3個空間自由度和

15、2個方向自由度,這種結構使得 轉性對稱刀具(銑刀、激光束在加工空間內可相對對于工件定位。把這種獲得的信息轉變?yōu)閷嶋H 機床 度和 2個方向自由度。 符號表 i 從 BCS 基礎坐標系 ICS MPS 移動平臺坐標 OICS 基礎平臺原點 OMPS 移動平臺原點,也 ui 固定于基礎平臺 vi 固定于直線軸(內接頭的萬向接頭的轉動軸。 di 萬向接頭兩個轉動軸之間的距離。 e 垂直于軸 2和 v2的偏移量 f 平行于 v2的偏移量Ai 萬向接頭的軸之間在外接頭 在內坐標系 X 方向上 第二直線軸與其縱向間的角度,也就是 v2qi vi和 wi 間的垂線長度。這與相應直線軸的值 q4 第四轉動軸的角

16、度。 q5 第五轉動軸的角度。 wi 在移動平臺處的轉動軸 Bi 在移動平臺附近的轉動 接頭的垂足是在那條垂線上 r 第四軸對于移動平臺的方向矢量。觸點,就是軸 5和穿過 OMPS 的垂線之間的交點。 c OMPS和 H 之間的距離 tool 刀具方向t1 沿軸 5的刀具尺寸。t2 垂直于刀具 t3 沿刀具方向的尺寸。不失普遍性,所有的方向矢量應為單應OEM 旋 總在直角坐標系(WCS 內給工件編程 , 而任何編好的或設定好的坐標系框架的旋轉和平移都是相 對于,也是直角坐標系的,基礎坐標系(BCS 而進行的。然后運動轉換 軸的運動命令。運動轉換需要機床構造(運動學的信息,這些信息存儲在機床數據

17、中。應用 梁第一例在航空航天領域使用并聯(lián)運動機床機器人技術是在 1995年,用 Tricept 600型系列號 5的機 橫梁。加工橫 床加工小型 在航空航天使用并聯(lián)機床 CNC 技術的第一例應用是在 1999年, 用 Tricept 800型系列號 1的機床加 工大型橫梁,見下圖艾克斯康技術類型的第一例探討的應用是加工結合了其它類型部件的大型橫梁工件,見下圖。 結構加工 & 裝配在航空航天領域里最著名的用于加工和裝配的并聯(lián)機床系統(tǒng)來自于西班牙的 Loxin 公司, 此系統(tǒng)包 列機床, 臥式安裝在翼型或框體夾具兩側, 每側 2臺, 見下圖。 臥式安裝可以讓 Tricept 在沿 含 4臺

18、 Tricept 800系 著平行于夾具的導軌上移動, 某些情況下 Tricept 機床也能安裝在 z-軸方向上。 這樣機床能夠上下運 動,能加工比機床實際工作范圍要高的翼型或框體工件。以上所說系統(tǒng)在這類應用領域使用的非常成功,至今已安裝了 30多臺機床。 航天航空領域探討的圍繞新艾克斯康技術的最新應用是使用 2臺或更多臺的大型 X700型機床,分 別安裝在 Z 軸方向上用于上下運動, 整體加工單元在平行于夾具的導軌上移動 (見下圖 。 今天人們鉆研 著這些系統(tǒng)并結合之前提到過的敏捷加工、復合角度加工、一次裝夾及多種混合路徑的能力,以適用于 所需高動態(tài)性、大工作范圍的多種加工和裝配作業(yè)。 自動

19、化及人工裝配的結合另外一種可能性是雙面裝配,機床安裝在兩個夾具之間,一面是自動化裝配的同時另一面可以安全 地進行人工裝配。這是應一家需要將自動和人工裝配混合的航空航天制造商的需求,目前這類系統(tǒng)正在 討論中。主動測量補償 AMC 我們一直處于從事并聯(lián)機床開發(fā)、加工、安裝和售后的中心地帶近 20 年，這使我們清楚地知道到這 種類型設備的一大問題即校準和鑒定。這就是為什么艾克斯康與 Optikos Q 合作開發(fā)了一項獨特的校準 系統(tǒng)運用 3 個裝在下部連接桿上的角度編碼器。 這種技術使測量艾克斯康并聯(lián)機床 5 軸動力操作頭的真實位置成為可能。并且能夠校準、驗證上部 三角架中的所有參數并能把參數變成運動模型，這使得世界上第一次出現了有能力在所有公差方面像真 正的 CNC 機床一樣表現的并聯(lián)運動機床系統(tǒng)。 此系統(tǒng)稱之為 AMC， 主動測量補償， 它是把機床編成空間中的不同位置， 通過把三腳