并联机床中工件安装位置决定系统的开发 - 文章

并联机床中工件安装位置决定系统的开发

作者：赵晓明邵华服部和也堤正臣

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近年来，并联机床的开发和应用日益增多，但由于其结构及工作空间非常复杂，在使用它加工工件时，极有可能发生机床零件间的自己干涉及机床与工件的干涉。另外，如果像并联机床HexaM那样，在工作台上还安装有自动换刀装置等周边器械，在安装工件时，它可能会限制工件的安装位置，即出现工件与周边器械的干涉，加工时还可能出现机床与周边器械的干涉。

关于并联机床自己干涉的检查方法和机床工作空间已有诸多研究。其中，笔者等以日本丰田工机公司的并联机床HexaM为模型，探讨了并联机床自己干涉的检查方法，提出了工作空间的近似表达式。另一方面，在5坐标数控加工时，刀具系统(刀具、夹头和主轴) 与工件系统(工件和夹具) 干涉的检查方法也有多种。其中，竹内等从刀具系统表面上取若干个点作为干涉检查点，而工件表面均由较简单的函数构成，当干涉检查点位于函数内部时，可以判断为机床与工件发生干涉；笔者等提出的方法与此正好相反，即是从工件系统表面上选取干涉检查点，看是否进入刀具系统来进行干涉检查。由于数控机床的周边器械一般都不是放置在工作台面上，所以，在这两种检查方法中，都没有考虑加工过程中机床与周边器械的干涉问题。

以上这些研究详细讨论了并联机床的自己干涉及机床与工件的干涉检查和回避方法，但在使用并联机床前，还存在如下几个问题：① 对于工作台上有周边器械等障碍物的机床，应考虑机床与周边器械可能发生的干涉；② 在检查机床与工件的干涉时，还应考虑主轴夹板、夹板铰链及连杆与工件可能发生的干涉，但现有的CAM 软件中并不包含这样的干涉检查；③ 当机床与工件存在干涉时，一般总是通过调整刀具姿势来回避干涉的。事实上，对于并联机床，除调整刀具姿势外，还可以通过调整工件的安装位置来回避各种干涉。而且，这种回避方法的最大优点是可以不改变现有的CAM 软件。

本文以通用CAM 软件输出的刀具轨迹为基础，提出了缩短检查干涉时间的检查点文件的组成方式，并通过调整工件的安装位置来回避可能发生的各种干涉，提出了检验该工件能否进行加工以及可加工时工件最佳安装位置的计算方法。

1 干涉检查与干涉回避

本文使用的并联机床HexaM、周边器械(刀库)和工件的安装简图如图1 所示。因此，对于本机床来说，在加工过程中和安装工件时可能发生的干涉有自己干涉、机床与工件的干涉、机床与周边器械的干涉以及工件与周边器械的干涉。

图1 并联机床HexaM简图

如果所用并联机床的工作台上没有周边器械或周边器械放置的比较远，不会影响工件的安装位置或加工过程中也不会出现机床与周边器械干涉现象时，则可省略机床及工件与周边器械的干涉检查。

1) 自己干涉

a. 检查点的组成在加工过程中，所有刀具位置可以应用文献中所述方法检查是否会发生自己干涉。如果发生干涉，则用调整工件的安装位置来回避干涉。工件的安装位置改变后，加工过程中的刀具位置自然也就改变了。因此，还须再次进行检查，直到不发生自己干涉为止。由于在每一个安装位置上要对所有的刀具位置进行检查，计算时间必定很长。为了缩短计算时间，本文并非对所有刀具位置，而只是抽出少量的刀具位置(以下称为检查点) 进行干涉检查。因此，抽出检查点时必须要作到：在检查点如果不发生自己干涉，则在其他的刀具位置也不会发生自己干涉。设置检查点的优点是可以大量减少检查次数。

刀具距z 轴越远、位置越高、倾斜程度越大，就越容易发生自己干涉。因此，对于待加工的工件，从刀具轨迹中抽出最外测的点、刀具位置较高的点、刀具倾斜角较大的点作为判断是否发生自己干涉的检查点。

b. 检查干涉的方法刀具位置和姿势分别在直进空间圆和回转空间圆内时，一定不会发生自己干涉。所以，自己干涉的检查方法为：① 读取所有检查点，求出每一个检查点所对应的直进空间圆和回转空间圆。② 刀具位置和姿势分别在对应的直进空间圆和回转空间圆内时，判定为在该检查点不会发生自己干涉；在所有的检查点都不发生干涉时，则判定为在该安装位置不会发生自己干涉。③ 如果在某检查点的位置或姿势超出了直进空间圆或回转空间圆，则用文献中所述的检查干涉的方法进行复检。由于空间圆比一般的检查干涉的计算量要小的多，所以，这样的检查方法可以缩短每次检查的计算时间、

c. 回避干涉的方法由于在同一水平面内，刀具位置在z轴上时最不容易出现自己干涉。所以，如果在某个检查点出现了自己干涉，则将该检查点与z轴的连线作为回避方向。然后，将工件的安装位置沿回避方向移动10 mm。如果连续两次回避方向的夹角大于150°，可以认为回避方向已经翻转，在该水平面内不存在能够安装的位置，所以，只能将工件的安装位置向上提高。本文中，每次提高10mm。如果自己干涉是主电机与回转丝杠下端的干涉，则说明工件过高或工件的安装位置过高，不能采用本机床加工。

2) 机床与工件的干涉

a. 检查点的组成如图2 所示，机床与工件之间可能发生干涉的零部件有刀具、夹头、主轴头、主轴夹板、夹板铰链和连杆。工件可以认为是由加工表面和非加工表面构成。其中，加工表面由加工点、与机床可能会发生干涉的非加工表面由非加工点构成，在此，将加工点和非加工点统称为查询点。

图2 并联机床与工件干涉的检查方法

查询点与刀具、夹头、主轴头和主轴夹板发生的干涉称为第1类干涉。这类干涉只与刀具的姿势有关，与工件的安装位置无关。所以，如果检查到这类干涉，只能通过调整刀具姿势进行回避，这就要修改CAM 软件，超出了本文讨论的范围。

查询点与夹板铰链或连杆发生的干涉称为第2类干涉。这类干涉是能够通过调整工件安装位置回避的。下面介绍这两类干涉的检查点的组成方法.设有一圆锥体，其顶点为刀具中心、圆锥角q0为包含刀具、夹头、主轴头和主轴夹板的最小角度；刀具中心到夹板铰链的最小距离为d0；在刀具轴方向上的最小距离为h0，则q0、d0和h0可以根据机床零部件的结构尺寸和夹板铰链的最大回转角等参数求出。

对于任一加工点P，计算P与所有查询点Q的连线PQ和刀具轴的夹角q、线段的长度d以及线段PQ在刀具轴线方向上投影的长度h。因此，满足条件q
b. 检查干涉的方法在检查是否出现第1类干涉时，首先将刀具、夹头、主轴头和主轴夹板(简称为刀具系统) 以及第1 类干涉的检查点向xz平面投影，然后，检查落入刀具系统投影内的检查点是否与刀具系统发生干涉。由于第1类干涉与工件的安装位置无关，所以，在计算工件的安装位置之前，只需进行1次这样的检查计算.由于工件安装位置的不同，必将导致夹板铰链和连杆的位置与姿势的变化。所以，工件的安装位置每次调整后，都必须检查是否会发生第2类干涉。因此，如何减少第2类干涉的检查点是缩短检查时间的关键。本文中，判断第2类干涉检查点的条件是满足d0且h0，这对于较小的工件或者较平坦的工件，可以大幅度地削减检查点数。

c. 回避干涉的方法当出现干涉时，其回避方法与出现自己干涉时的回避方法相同。

3) 机床与周边器械的干涉

a. 检查点的组成图3为并联机床HexaM中的周边器械、工件以及加工时刀具轨迹的俯视图.从图3可以看出，周边器械设置在工作台的第1 象限，所以，将刀具轨迹中心的第1 象限的外测点(·) 作为干涉的检查点.

图3 机床与周边器械干涉的检查点与回避方向

b. 检查干涉的方法可能与周边器械发生干涉的机床零件有刀具、夹头、主轴头、夹板铰链、连杆和主轴夹板，它们的形状为圆柱体和有界平面构成的多面体，而周边器械的外形为多面体。所以，周边器械与机床零件之间可以沿用“有界平面与圆柱体”及“有界平面与有界平面”的干涉检查方法。即在所有的检查点上，计算构成周边器械的有界平面与机床零件的圆柱体或有界平面之间是否有交点。如有交点，说明发生干涉；如无交点，则说明不发生干涉。如上所述，工件安装位置的不同必将带来机床零件位置和姿势的变化，所以，每次设定新的工件安装位置之后，必须再次检查是否发生机床与周边器械的干涉。

c. 回避干涉的方法如果机床与周边器械发生干涉，则将周边器械前表面的法线方向作为回避方向，回避方法与发生自己干涉时的回避方法相同。

4) 工件与周边器械的干涉

为了能快速地检查出在安装时工件与周边器械是否存在干涉，首先将工件向xy 平面投影，并用有界多边形包络工件的投影。然后，使用“有界平面与有界平面”来检查工件与周边器械的干涉。每次给出工件安装位置以后，都必须进行这种干涉检查。

如果工件与周边器械发生干涉，则将周边器械前表面的法线方向作为回避方向，回避方法与发生自己干涉时的回避方法相同。

5) 检查点的插补

从上述内容知道，除工件与周边器械的干涉检查外，其他的干涉检查都是在检查点处计算是否存在干涉。因此，如果检查点之间的距离过大，则存在着在检查点没有干涉，而在检查点之间会发生干涉，而这样的干涉又没有被发现的可能。这在实际加工时是绝对不允许的。

要解决检查点之间可能存在的干涉问题，主要有两种方法：一是简单函数与多面体求交的方法；二是将检查点之间的距离缩小。第1种方法对于检查机床与工件的干涉特别有效，但不能用来解决自己干涉；第2种方法对于各种干涉的检查都适用，但如果检查点之间的距离过小，则检查点的数量巨大，检查干涉的计算时间会很长。所以，本文中设定一个安全距离，根据这个安全距离来缩短检查点之间的距离，以便达到检查结果既要可靠，检查时间又要短的目的。具体方法如下。

在进行判断两个物体是否干涉时，首先将其中一个物体扩大5mm。如果扩大后两个物体有交点，则判定为两个物体有干涉。如果交点在距物体表面5mm以内，实际上还是没有发生干涉。即如果判定两个物体不存在干涉，那么，两个物体的距离应在5mm以上。在此，将这5mm称为安全距离。

对于由CAM系统输出的查询点和刀具轨迹，如果相邻的查询点的距离或刀具轨迹的距离大于安全距离，则在查询点之间或刀具轨迹间插补一些点。即经过插补后的查询点间及刀具轨迹间的距离均小于安全距离。所以，当在两个检查点上不发生干涉时，则在它们之间也不会发生干涉。因此，用安全距离判断是否需要插补，既可以防止漏检干涉，又不过多地增加计算时间。

2 工件安装位置的计算方法

1) 工件的最佳安装位置

本文将“垫块高度最低；距工作台中心距离最短”作为衡量工件最佳安装位置的标准。具体地说，就是首先以工件底面放置在工作台上(此时，垫块的高度为0)、刀具轨迹在xy 平面上的投影中心与工作台中心重合时(距工作台中心距离为0) ，作为工件的最佳安装位置。如果在该位置存在干涉不能安装时，为保证垫块高度最低，则将工件在同一水平内由内向外移动，寻找不会出现干涉的安装位置。如果在同一水平面内找不到不发生干涉的安装位置，则将工件逐渐向上(加大垫块高度) 移动后，再在同一水平面内继续寻找，直到找到安装位置或者得出在本机床上不能加工的结论为止。

2) 最佳安装位置的计算方法

基于工件最佳安装位置的概念，本文提出了加工时工件安装位置计算步骤如下：

a. 读取基本数据。包括有：刀具、夹头的半径和伸出长度；查询点；刀具轨迹；周边器械的位置和在xy平面上的投影等。
b. 判断能否在本机床上进行加工。根据工件的查询点和刀具轨迹，计算工件在xyz方向的外形尺寸和刀具的移动距离。当工件的外形尺寸或刀具的移动距离过大，给出该工件在机床上不能加工的警告后，结束系统的运行。
c. 生成检查各类干涉的检查点文件。其中有：检查自己干涉、机床与工件的第1类和第2类干涉、机床与周边器械干涉的检查点文件。
d. 检查是否存在机床与工件的第1类干涉。如果存在，由于该干涉无法通过移动工件安装位置来回避，所以，在给出“存在无法回避的第1类干涉”的警告后，结束系统运行。
e. 设定刀具轨迹中心C(x，y，z)的初始位置。为了满足工件最佳安装位置的定义，C(x，y，z)的初始置设定为：x=0；y=0；z=s。其中，s为刀具轨迹中心到工件底面的距离。
f. 计算刀具轨迹中心C 的位置。根据干涉的检查方法和回避方法，不断移动刀具轨迹中心的安装位置，直到找到不会出现干涉的安装位置或给出该工件不能在本机床上加工的警告为止。
g. 输出工件的安装位置。在(6)中如果求得了不会出现干涉的刀具轨迹中心的位置，则根据该值和工件的结构尺寸，计算并输出工件的安装位置。

3 解析、实验结果

对于图4 所示的外形尺寸为350mm×350mm×150mm 工件，当采用垂直加工时，使用通用的CAM 软件CAMAND 生成加工时的刀具位置和刀具姿势(与加工点的法线相同)。图中，刀具轨迹中的位置点数为123，201点。刀具为球头铣刀、直径10mm、从夹头中伸出长度50mm ，夹头直径60mm、从主轴中伸出45mm。

图4 工件及刀具轨迹

根据上述算法，本文开发出并联机床切削加工时工件安装位置计算系统。计算了加工图4 所示工件时的安装位置，计算时间(计算机的CPU：AMD A THLON 850MHz)约15min。

1) 检查点数
在CAMAND软件生成的刀具轨迹中，由于不存在相邻刀具轨迹大于安全距离，所以，不需要插补辅助点。还有，图4所示的工件上，除加工面之外，其余表面均不可能与机床发生干涉，所以，查询点全部由刀具轨迹点构成。从查询点中抽出的自己干涉检查点数为2，382点；机床与周边器械干涉的检查点数为248点；机床与工件的第1种、第2种干涉的检查点数均为0点。工件与周边器械的干涉检查则成为2个四边形求交点的问题。

2) 安装位置的解析、实验结果

工件安装位置的变化过程如图5所示。从计算过程知道，当工件安装位置较低且靠近工作台中心时，容易发生机床与周边器械的干涉；如果工件的安装位置距中心较远，则容易发生机床的自己干涉。最后，当工件的安装高度达到70mm时，才找到了不发生干涉的可安装位置。

图5 工件安装位置的变化过程

图6为将工件安装在图5中位置★时的安装简图。从图6可以看出，工件底面中心并不在工作台的中心上，而是从工作台中心偏离(-42.05，-42.05，70)mm。这是因为，要回避机床与放置在工作台第1象限的周边器械发生的干涉，就必须将工件向工作台第3象限移动，同时还要向上移动，安装时必须给工件下放置70mm高的垫块。

图6 工件的最终安装位置

为了检查图6 所示安装位置以及将该位置做适当取整后是否会出现干涉，本文使用机床HexaM进行实验，安装位置和实验结果如表1所示。其中，最小间隙是采用目测方法得到的。

表1 安装位置的解析与实验结果


序号	安装位置 (mm)			是否干涉		最小距离 (mm)
序号	x	y	z	解析	实验	最小距离 (mm)
1	-42.05	-42.5	70	○	○	7
2	-40	-40	70	○	○	6
3	-35	-35	70	×	○	3
4	-20	-20	80	○	○	7
5	0	0	90	○	○	13
注：○表示不会出现干涉；×表示出现干涉

表1中，除在第3行位置(x=-35，y=-35，z=70)mm之外安装工件时，解析结果和实验结果相同，即不会出现干涉。而在第3 行所示位置安装工件时，由实验知，机床与周边器械的最小间隙是3mm，这比本解析系统设定的安全距离5mm小，在解析时自然被判定为出现干涉。虽然解析结果与实验结果不同，但仍然可以认为解析结果是合理的、正确的。因此，可以说本文中提出的计算方法和开发的工件安装位置计算系统是有效的，在实际加工中是可用的。

4 结论

本文以日本丰田工机公司的并联机床HexaM为模型，探讨了在使用并联机床加工时，机床的自己干涉、机床与工件、机床与周边器械以及工件与周边器械的干涉的检查方法，以及通过调整工件的安装位置来回避干涉的方法。最后，通过一系列的解析结果和实验结果的对比，证明了本研究提出的计算工件安装位置的算法和开发的软件是正确的。从以上的论述过程中还可得到如下结论：

·所开发的系统能够自动算出在本机床上能否按照给定的加工轨迹加工给定的工件。
·在判断可以加工的情况下，能算出不会发生干涉的工件安装位置。

本文提出的干涉检查方法和回避方法是有效的，能解决实际问题。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/13/2006)


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