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并联机床:航空航天工业自动化的金钥匙_科技动态_行业资讯_资讯_生活

发布时间:2019-04-15 02:59:35 阅读: 来源:鱼缸厂家
并联机床产业化发展的瓶颈

拥有独特加工优势的并联机床,自1994年起曾一度风靡全球,有人甚至将它的诞生称为21世纪的机床革命。但时至今日,尽管国内外专家学者仍在进行着不懈研究,并联机床产业化的发展进程并不尽人意。是什么阻碍了并联机床的发展?究其原因主要有以下两方面。

其一,典型的并联机构,比如由6根伸缩杆组成的Stewart机构,其工作范围有限,特别是动平台的姿态角,一般在30度左右,也即,刀具可加工的区域很有限,这极大束缚了其应用领域。图1所示为某种Stewart机构构成的并联机床在不同姿态角度下的工作区域,可以看出,当姿态角在27°时其加工范围仅近似一个直径为400mm的球体,而且由于结构限制,该机床的最大姿态角也就是27°。

其二,为扩大并联机床的加工范围,人们尝试采用并联机构和串联机构相结合的混联技术构成新型机床,以期获得高度的灵活性和更大的加工范围,但无论是现存的哪一种结构,总体看来,2自由度和3自由度活动关节的形式还是比较多。这不仅降低了机床的刚度和精度,也抑制了并联机床的运动部分发挥其重量轻、高速性能好的优势。


图1 某并联机床在不同姿态角度下的工作区域


以国际知名的Tricept机床为例,其已将活动关节降到7个、18个自由度,但刚性不足的问题依然存在,特别是在加工范围的边缘区域,这种缺陷更为严重。尽管一些专业厂家对并联机床的关节做了大量研究,并已在国际巿场上面巿,但囿于其昂贵的价格和某些局限性,尚未能在并联机床上得到广泛应用。可见,关节结构复杂且难以实现高刚性、适当成本的无间隙加工,制约了各类并联机床、特别是具有较大加工范围的混联机床的发展。

并联机床的魅力

在进入下一段论述之前,先让我们简单归纳一下并联机床的魅力所在,它的特别之处究竟在哪?我们为什么一定要将其推向产业化?以下谨就其适合的加工应用阐述它的优势。

1. 敏捷加工


图2 由于致动器关节均为球铰,且构成一三连杆机构,不能抵抗图示力导致中心管产生弯曲的力矩并联机床能轻松地使用激光或传统测头,并结合机床特有的5轴联动和高速度、高加速度运动的性能,在加工前就能测完工件基准,迅速建立起工件坐标。特别是对于那些表面很大且具有复合角度的工件,使用并联机床加工会相当快捷。

2. 一次装夹加工

并联机床的主轴矢量方向可覆盖空间的任意方向,理论上讲,它能通过一次装夹便可加工工件的所有面。如果再配上测头,那么所用夹具就无需精度很高,稳定性和刚性俱佳的低成本夹具即可满足需求。

3. 复合角度加工

随着飞机设计日趋高级化,对复合角度和圆插补之类的复杂加工需求与日俱增。并联机床拥有高度动态性能,无论是加工垂直于某坐标轴的平面还是复合角度面,对它来说都并无差别,十分适于各类复杂加工。飞机、火车等的零部件制造必然会呼唤更优化的加工技术,并联机床作为传统机床的一个有力互补,可胜任某些传统机床难于实现的加工。

4. 多重路径混合及消除拖刀

用3轴传统加工来制备纯平表面也是个难题。而不管其主轴与工件表面是否垂直,并联机床都能依凭一个按材料确定的倾角,便捷地进行预编程,只要是加工表面就用这个角度。而且,尤其是加工钛合金等高硬度材料时,刀具背面不接触工件,有效延长了刀具使用寿命。


图3 加工大型横梁构件的解决方案 兼顾刚性与灵活性、动态性

哈量集团新近推出的LINKS-EXE700新一代并联机床,经引进消化瑞典爱克斯康(Exechon)公司的最新并联机床技术开发而成。其在刚性、高速性能、精度等方面较之前的同类产品有了诸多改进,克服了困扰并联机床发展的局限。

现以Tricept机床为例,对比分析LINKS-EXE700并联机床的特点。Tricept并联机床的设计理念是做出一个可移动的箱体结构,这从观赏角度看很不错。其实现方式是用三根致动器支撑下平台,各个致动器与下平台之间为球铰联结,每个球铰均有三个自由度。这样一来,各致动器均成为二力杆,仅能承受纯轴向载荷,同时又采用一个中心管来约束其他自由度。这带来的最大问题是当机床主轴承受径向力时,这个作用力会造成中心管的挠曲和扭转。另一个现实难题是,得在合理成本内加工出多个非活动自由度的、又拥有足够刚性和精度的2自由度以上的关节点。


图4 面向飞机制造企业的高柔性技术解决方案,在EXE700机床上可实现加工和铆接为防止因中心管自重引起的弯曲,通过减小壁厚来减重,这降低了中心管的抗扭转性能、加大中心管直径,又将引起中心管与各致动器之间的干涉。此外,中心管伸出越长,其抗弯曲和抗扭转性能就越差,而这正是导致下平台在工作范围边缘出现刚性大幅度下降的主要原因。

LINKS-EXE700突显了并联机床的目标所在——高刚性与灵活性和动态性的结合。其设计概念是:在各致动器与下平台之间的铰链仅有一个摆动自由度,其中2个致动器与上平台间的连接采用2个自由度的虎克铰结构,中间一个致动器与上平台的连接为一个3个自由度的虎克铰。


图5 应用LINKS-EXE700进行双面装配的技术方案这使得并联机构仅有6个活动关节、10个自由度,是目前世界上现有并联机构中活动关节和自由度最少的。基于此形成的实体结构能消除施加给机床各方向的挠曲和扭矩力所带来的负面影响。当给机床主轴施加一个作用力时,动平台将产生扭转趋势,通过1个自由度的铰链和各个致动器,将力均匀传递给上平台,从而大幅提高机床的刚性。

由于该机床的致动器是整体的,工作时,穿过上平台的虎克铰沿其轴向移动,而非传统并联机床采用的分成两节的伸缩杆结构,故在结构上有空间,可以将致动器的横截面设计得比较大,既能承受扭矩,同时其轴向刚性也得以优化。

应用领域及方案

1. 加工横梁

加工冷拔铝合金型材的大型横梁工件时,考虑到该工件自身有一定的扭曲,EXE700机床的解决方案是采用工作台移动方式,工件本身采用真空夹紧且不调直。加工时先用十字激光瞄准装置快速检测出工件侧面的法线方向及边缘位置,并根据这些数据建立工件坐标系,以确保加工部位与边缘的距离,并令刀具与加工表面保持垂直。这就无需使用昂贵且复杂的调直夹具,这不仅降低了加工成本,事实上有些工件可能根本无法调直,用传统机床很难高效地完成加工。

2. 结构加工与装配


图6 在LINKS-EXE700上加工模拟飞机框架结构件在航天航空领域,应用新爱克斯康技术的新一代并联机床大有用武之地。使用2台或更多台的大型LINKS-EXE700机床,分别在一Y轴方向上作上下运动,令整体加工单元在平行于工作台的导轨上移动。通过这样的系统设置,以满足加工所需的高动态性、大工作范围的多种加工和装配操作(如铆接)等,并将前文中提到的敏捷加工、复合角度加工、一次装夹及多种混合路径的多项能力融合进来。

3. 自动化与人工装配相结合

LINKS-EXE700的另外一种可能的应用在于双面装配,也即,机床安装在两个夹具之间,一面是自动化装配,同时另一面可以安全地进行人工装配。这是应一家需要将自动和人工装配混合的航空航天制造商的需求,目前这类系统正在讨论中。

除了以上几个应用举例,LINKS-EXE机床还可用于加工模拟飞机框架结构,如图6所示,通过一次装夹即可实现五面加工

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