基于拓撲結構和換刀動作特性的加工中心運動方案設計方法研究.pdf

1、本論文內(nèi)容以圖論和組合理論為基礎,運用機構配置矩陣、樹圖以及功能分析等方法主要針對四軸、五軸加工中心研究其機構拓撲結構、換刀動作及其運動鏈結構。將拓撲結構特性、換刀動作特性以及運動鏈設計特點三部分基礎內(nèi)容相融合,提出以加工中心為典型機構的開鏈機構運動方案系統(tǒng)化設計方法。 首先針對現(xiàn)有的加工中心做廣泛的資料收集和分析整理,以機構配置矩陣和圖論理論分析了加工中心的拓撲結構和換刀動作,提出拓撲結構特性和換刀動作特性。運用功能分析法揭示

2、ArC換刀的基本規(guī)律,根據(jù)換刀動作和方向性提出換刀動作類型以及動作順序,作為加工中心動作綜合以及運動方案設計的基礎。 接著利用構型碼和形狀創(chuàng)成函數(shù)從機構運動鏈的角度研究加工中心運動鏈的設計需求和限制條件,將其同加工中心拓撲結構特性以及換刀動作特性相融合并轉化為基于樹圖的特殊化規(guī)則以及設計限制條件,進而提出加工中心運動方案設計方法,并以實例詳細說明設計方法和設計步驟,系統(tǒng)地得出加工中心的運動方案。 在加工中心運動鏈分析過程

3、中,詳細分析了五軸加工中心的運動鏈構成類型及不同類型的優(yōu)、缺點,并簡單討論了其工作空間問題。本文對加工中心自動換刀裝置的各種換刀時間的計量和標示方法也做了詳細討論,并提出了合理、實用的換刀時間計量和標示方法。 本設計方法的第一步是給出一個或多個合乎設計需求的現(xiàn)有加工中心機構,當作設計的原始機構。分析此類型現(xiàn)有機構,并歸納出其拓撲結構、動作特性和運動鏈設計條件；第二步是根據(jù)坐標系統(tǒng)和基于圖論理論的機構樹圖定義,將加工中心機構以樹圖

4、方法來表示；第三步是根據(jù)機構的一般化方法,將具有各種不同機件和運動副的機構樹圖轉化成只具有連桿和一般化運動副的一般化樹圖；第四步是根據(jù)圖論理論,找出具有所需連桿數(shù)和運動副數(shù)的所有樹圖,給出樹圖目錄；第五步是根據(jù)機構的拓撲結構特征和運動鏈設計限制條件所制定出的特殊化規(guī)則,將所需要的連桿類型和運動副類型特殊化到每一個樹圖上去,并將不合乎設計要求的樹圖刪除,從而得到所有的特殊化樹圖；第六步是根據(jù)運動以及動作特征所制定的動作設計程序,將所需的連

5、桿間的相對運動形態(tài)分配到每一個可行特殊化樹圖上去,并將不符合設計需求的機構刪除,最后得到可行的運動方案。 根據(jù)本研究所提出的運動方案系統(tǒng)化設計方法,主要以四軸加工中心實例來說明設計方法的整個過程。得到無換刀臂四軸輪鼓式刀庫加工中心,其七桿和八桿的機構運動方案數(shù)分別為20個和70個,其中的R副可特殊化為A軸或B軸；對于有換刀臂四軸加工中心,其八桿機構運動方案為74個；九桿有換刀臂四軸加工中心機構,工作臺與固定桿間自由度為0,1,2

6、,3,4的機構運動方案分別為80,124,64,26,6個,其中的R副可特殊化為A軸或B軸。對于五軸加工中心可以利用本研究提出的相應設計規(guī)則進行運動方案的設計。由本設計方法所得的機構樹圖,運用換刀方向特性以及刀庫的插拔刀動作研究結果可以得出相同拓撲結構和相同換刀動作的多種不同結構配置方案。本文簡單探討了加工中心的某些評價、選用標準,結合其它性能要求本研究結果對進一步研究加工中心的運動方案評價優(yōu)選以及布局設計有重要意義。 本研究所