0 引言
工程零件的小型化及微型化使得具有精密定位功能的多軸微加工中心受到了廣泛的關注[1-3],典型的應用有微型葉輪、微機電裝置、表面織構和微模具等,傳統具有串聯運動學配置的機床存在主要構架的慣性累積,導致帶寬及跟蹤精度損失,采用氣浮軸承盡管能夠減小摩擦,但是又引入了新的成本問題和擾動剛度問題[4]。因此具有多自由度的機床成為解決此類問題的首選,多自由度機床能夠在最少配置下獲得不同的部件特征,在高進給速度下能夠減少摩擦接觸實現精密定位。
運動冗余機床曾被提出來通過額外的裝置來實現無障礙工作區域和增強定位精度。Takeuchi 提出采用無摩擦空氣靜力驅動來提高定位精度,給一臺五軸機床增加第六根軸來微銑加工具有復雜形狀的微小型器件[5]。Lu and Usman 提出了一種六自由度的無摩擦磁懸浮高速工作臺,具有較大的平面工作空間[6]。本文采用同樣的磁懸浮原理設計一種具有六自由度的旋轉臺,同時結合一個三軸微機床構架了一個九自由度的微加工中心。
在微加工領域已經存在許多多軸加工機床的研究[7-8],但是很少見到本文構架的運動冗余機床,Chio等人曾提出了相似的配置,但是其 C 軸旋轉受限,約束其潛在定位能力[9]。本文構架的九自由度微加工中心相比之下定位能力增強,特別是 C 軸有所改進,機床可以加工微小形貌、自由曲面表面和不同微幾何特征的表面。盡管一臺五軸機床就可以加工復雜零件, 但是額外的四軸可以帶來更多的優勢,例如幾何與跟蹤誤差補償,增大冗余軸的帶寬,但是又引入了新的問題,
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結論
本文提出了一種由三軸微銑和六軸旋轉工作臺組成的九軸數控微加工中心并研究其刀具軌跡生成與控 制策略,通過正向運動學和逆運動學建模分析得到了系統的閉環傳遞函數,并分別對微銑平移軸和旋轉工作臺的轉動軸進行控制策略研究,最后通過仿真與實驗驗證了本文提出方法的有效性,微銑軸的跟蹤誤差在 10 μm 以內,旋轉工作臺的直線運動的誤差為1 μm,旋轉誤差為 20 μrad,本文所提出的軌跡生成策略可以在不損失任何運動軸的情況下處理運動冗余, 同時設計理念,運動學和控制方法可以應用在新型的微機床上,下一步需要研究提高帶寬和軌跡生成精度下,逐漸減小微銑力的影響。
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