应用运动解耦的三维动力平台的设计与研究

　　0　引言

　　制造工艺装备一直是制造业发展的重要标志,从改革开放到加入WTO,国内加工制造业获得了蓬勃发展,制造工艺装备也日新月异,发生了翻天覆地的变化。作为机床加工设备重要组成部分的加工平台也经历了从单一或少量自由度向多自由度的发展过程,相应地,机床制造也由单轴向多轴方向发展。在现代化的加工业背景下,传统的单轴运动工作台已经远远不能满足加工需求,国内外学者都在寻求一种可以多自由度加工的方法。其一是研制新型刀具,开发出同时安装多把刀具、同时进行多个动作的多轴机床,目前最先进的多轴机床可实现五轴联动;其二是研究机床工作台的多轴运动,通过平台的多维动作实现工件在任意位置定位加工。机床的多轴化发展给加工制造业带来新的活力,极大地提高了生产效率,降低了生产成本。多轴机床是未来机床发展的方向,但就目前来说,多轴机床还存在造价昂贵、控制复杂、操作困难等缺点。为此,笔者开展了在传统X-Y移动工作台上安装一种新型三维转动动力平台的设计与研究。

　　1　设计分析

　　在一般的加工环境下,工件的装夹定位对工作台在运动、控制、承载、刚性和工作空间等方面都有着特定的要求。用于实际加工的三维动力平台应达到以下工作要求。

　　1)输出转矩为300N·m; 2)工作空间范围:绕Z轴方向±150°回转,绕X轴方向±120°摆动,绕Y轴方向±150°摆动;3)定位精度为±0.1°;4)执行速度为0.05~0.15m/s; 5)控制精确、可靠、简便。

　　现有动力传动方式主要有机械传动、电力传动和液压传动等。作为在机床工作台上配套使用且要实现三维转动的动力平台的传动方式,机械传动体积庞大,制造成本高,维修困难,动作反应迟钝。电力传动的困难在于难以实现三轴正交,且一般需要减速机构,应用难度大。而液压传动体积小,传动平稳,性能可靠,可以获得较大输出力矩。采用摆动液压缸可以实现大转角[1],并且通过合理的结构设计能实现三轴正交,达到运动解耦、简化运动控制结构的目的。液压伺服驱动作为一种比较成熟和可靠的运动控制方式,可以保证较高的执行速度和控制精度。因此,本文拟选用液压传动方式为三维动力平台的主要设计形式。

　　2　方案设计

　　由于机械加工精度等方面的要求,采用具有运动解耦特性的三维转动方案可使动力平台容易控制,且可以达到更高的运动精度。要实现运动解耦,首先必须结构解耦,即所有回转轴线交于一点,前面的转动使得有关回转轴线的位姿发生变化,后面的转动按照已经发生变化的回转轴线转动,也就是保证杆的长度不发生变化和杆的回转中心不发生平移[2],运动解耦的机构容易控制,并且可以达到更高的运动精度,同时也降低了设计制造成本[3]。