多轴机床运动学建模原理探究与运用

多轴机床运动学建模原理探究与运用

第1章绪论

1.1研究背景及意义

自动编程的前置处理部分按照规划的工艺生成包含工件坐标系下刀具位置和姿态等信息的刀位文件,后置处理的主要任务是代码编译和机床各轴运动量求解。机床的运动学模型是实现机床运动求解和控制的基础。同时在机床的进给速度控制、加工精度控制、机床几何误差补偿等方面都要使用机床的运动学模型。

五轴机床一般是在三个平动轴的基础上增加两个转动轴,因此与三轴机床相比,虽然五轴联动加工可以提供丰富的刀具路径规划策略,但五轴机床的运动变得复杂,机床坐标系下无法直观想象刀具相对于工件的运动。同时转动轴和平动轴有多种布置方式,所以五轴机床的结构也变得多样。因此寻求一种具有通用性、可移植性及程式化的五轴机床运动学建模方法,并能够应用到机床的设计、分析、装配、控制及制造等过程中,对五轴机床的幵发研究具有重要的现实意义及应用价值。

1.2国内外研究现状

1.2.1五轴机床运动学建模的研究

五轴机床运动学模型给出了机床各个运动轴的运动量与刀具坐标系和工件坐标系下的刀具位置和姿态表达的关系。在此基础上可以进行后置处理、进给速度控制等工作。国内外学者主要从以下角度出发来描述机床运动学建模过程和方法:机构学、机器人学、多体系统。

五轴机床也可看作一个空间机构,可以采用机构学来描述五轴机床的运动学模型。Takeuchi[3],Lee[4],She[5][6][7],彭芳瑜[8],郑躍默[9],李永桥等学者从机构学角度出发,或者针对具体结构的五轴机床,或者针对结构相似的一类五轴机床这种分类处理的方式,利用齐次坐标变换矩阵表示机床各轴运动,在此基础上建立机床的运动学模型。何耀雄等[11]采用机构学方法对机床的型和结构参数进行了分析和表达,给出了任意结构机床(串联形式)的机构模型综合表达式,结合坐标变换得到了任意结构机床的运动模型表达式。但是机床的机构模型将机床机构分为两条运动链,这就导致建模过程需要区分两条运动链的型数目。同时以上研究均假定机床机构的所有的坐标系均与机床坐标系平行,增加了表示非正交形式运动轴的几何误差等固有误差的难度。

1.2.2五轴机床后置处理及转角求解的研究

后置处理作为自动编程的一部分,是连接计算机辅助制造(CAM)系统和数控(CNC)系统的桥梁。如前所述,其主要任务是将前置刀位文件转化为数控程序,涉及代码编译和各轴运动量计算。五轴机床后置处理中还可以集成进给速度控制、非线性误差控制及精度控制等算法[19]_[21][22]。由于各类CAD/CAM软件前置刀位文件格式不统一、机床结构形式及数控系统种类繁多,因此截至目前尚未有针对任意机床的后置处理器。

国内外企业和学者针对后置处理(器)做了大量的研究和开发,已经形成较为完善的体系。国外一些大型CAD/CAM软件厂商在其CAM系统中提供了后置处理模块,用户可以通过交互式的方式针对指定类型的机床和数控系统进行设置,后置处理器根据设置来生成机床的数控程序,如UG的Post Builder, PRO/E的NCPOST及MasterCAM的pst等。还有一些CAD/CAM 软件捆绑了专业后置处理软件,如Cimatron采用了ImsPost, CATIA可以釆用ImsPost或者Cnet等。除此之外还有独立的后置处理系统,如加拿大的Cam-Post,可以支持较多的机床和数控系统,用户可以通过二次幵发修改其提供的机床数据库模版以完成后置处理

[23][24]f25][26]。以上这些软件可以对常见的五轴机床进行后置处理。国内针对机床的后置处理研究及开发,主要分为专用性和通用性两类。前者是指针对具体的机床和数控系统,使用高级编程语言开发满足实际需要的后置处理器[27][28][29][39]。这种方式高效灵活,可以较为便捷地实现新的算法和功能。对于通用的后置处理系统,其要求输入标准格式的刀位文件,结合机床及数控系统特性文件,输出符合要求的数控程序。华中科技大学的HUSTCADM 系统[31]及南京航空航天大学的超人CAD/CAM系统[32]是典型的代表,具有了较好的通用性和可靠性,但是均未能走向商业化。

第2章基于多体系统的五轴机床运动学通用建模

2.1基于工件坐标系的五轴机床分类

从刚体运动学的角度分析,刀具作为一个刚体,相对于工件具有六个自由度。但是在加工过程中,主轴带动刀具旋转,因此刀具作为回转体,通过其旋转轴线上的一点及旋转轴线矢量即可确定刀具相对于工件的位置。又根据空间任意矢量可以通过已知矢量至多绕两个坐标轴旋转得到,因此加工任意构型的零件,理论上刀具相对于工件至少需要五个独立的自由度。因为独立的平动数目最多为三个,因此五轴机床可以有如下四种组合:(1)三个平动加两个转动;(2)

两个平动加三个转动;(3)—个平动加四个转动;(4)五个转动。但是考虑到机床的结构、刚度、用途等因素,目前通用的五轴机床以三个平动加两个转动类型为主[43]。本文的研究对象即为这种类型的五轴机床。

由于机床配置各异,任意选取和定义坐标系会给编程、数控系统的控制带来不便,因此需要统一规定机床坐标轴名称及运动的正负方向,这样可使数控编程简单方便,并使所编程序对同

一类型机床具有互换性。我国现行的JB3051-99《数控机床的坐标和运动方向的命名》标准给了详细的规定。从编制数控加工程序到机床上实际加工,五轴机床上主要涉及如下坐标系:

第3章基于运动学通用模型的五轴机床后置处理运动学通用方程及求解 (16)

3.1五轴机床后置处理运动学通用方程 (16)

3.2无限旋转C转工作台结构的五轴机床后置转角求解 (26)

3.3后置转角求解方法的实现及验证 (30)

3.4本章小结 (32)

第4章基于运动学通用模型的五轴机床工作空间分析 (33)

4.1基于工件坐标系的五轴机床工作空间描述 (33)

4.2五轴机床工作空间分析流程与仿真 (33)

4.3本章小结 (40)

第5章基于运动学通用模型的五轴机床联动加工超程分析 (41)

5.1联动加工超程现象 (41)

5.2联动加工超程原因 (43)

5.3联动加工超程计算与判断 (45)

5.4联动加工超程的避免 (48)

5.5本章小结 (49)

结论

本文针对五轴机床运动学通用模型的建立及其应用展开研究,主要研究内容与成果如下: (1)建立了基于多体系统的五轴机床运动学通用模型

基于工件坐标系对三种基本类型的五轴机床进行了统一分类,推导了相对于矢量运动的齐次坐标变换矩阵。选择工件为参考体对五轴机床的结构进行了描述,并利用参数组合(rf,a, p, y, r, l,的统一确定相邻两体的齐次坐标变换矩阵,最终建立了五轴机床运动学通用模型。(2)提出了无限旋转C转工作台结构的五轴机床改进的后置转角求解方法

根据五轴机床运动学通用模型,以3种正交结构的五轴机床为例推导了这3种机床的运动学通用方程。在此基础上,针对现有C转工作台结构的五轴机床后置处理转角求解中存在的不足,研究四类含C转工作台正交结构的五轴机床,并以C'-A'结构机床为例,给出了改进的转角计算的方法和求解流程,利用VC6.0幵发了集成新的方法的专用后置处理程序。通过对比生成的代码和进行仿真加工试验,说明了本文所提方法的可行性和有效性。

(3)分析了基于工件坐标系的机床工作空间

将机器人学中常用的工作空间应用到五轴机床中,定义和描述了基于工件坐标系的五轴机床工作空间:刀具位置和姿态的集合。给出了采用蒙特卡洛法进行机床工作空间分析的流程。利用运动学通用模型推导了两种五轴机床的运动学等式,并使用MATLAB软件得到了机床工作空间的仿真结果。通过分析,确定了五轴机床工作空间形状和位置的影响因素:刀具长度及工件的安装位置。

(4)对联动加工超程进行了定性分析和定量计算

使用机床运动学通用模型定性分析了联动加工超程原因:插补控制点超出机床工作空间,给

出了联动加工超程判断与计算的方法。得出了每行数控代码对应的刀具位置和姿态均在机床的工作空间不是加工可以进行的充要条件,只是其必要条件的结论。

(5)基于运动学通用模型建立了五轴机床几何误差模型

在五轴机床运动学理想通用模型的基础上,引入影响机床加工精度的误差,推导了相邻体的

实际任意坐标变换,建立了机床的几何误差模型。以DMU 100T机床为例建立了该机床的几何误差模型。实际加工的测量结果说明了补偿了几何误差的机床加工精度得到了一定的提高,同时在一定程度上验证了基于运动学通用模型的机床几何误差建模的正确性。

参考文献：

[1]周济,周艳红.数控加工技术[M].北京:国防工业出版社,2002.

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[6]C. H. She, C. C. Chang. Development of a Five-axis Postprocessor System with aNutating Head [J]. Journal of Materials Processing Technology, 2007,187-188 (12):60-64.

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机床夹具习题与答案

机床夹具复习题 一、填空与选择题 1、机床夹具的种类，组成 2、定位原理 3、机床夹具的夹紧机构主要有斜楔夹紧机构、螺旋夹紧机构和偏心夹紧机构三种。 4、机床夹具的夹紧装置由动力源、中间传力机构和夹紧机构所组成。 5、定位误差产生的原因有基准不重合误差和基准位移误差 6、生产中最常用的正确的定位方式有完全定位和不完全定位两种。 1、钻床上钻孔时，进给运动是：---------------------------------------------（ B ） A. 钻头旋转 B. 钻头轴向运动 C . 工件的移动D.都不对 2、下列四种切削液中,冷却性能最好的是--------------- ------------------( C ) A乳化液B极压乳化液 C水溶液D矿物油 3、工件定位时，绝对不能采用：-----------------------------------------------（ D ） A 完全定位； B 不完全定位； C 过定位；D欠定位。 4、基准不重合误差大小与有关。-----------------------（ B ） A．本道工序要保证的尺寸大小和技术要求； B．只与本道工序设计〔或工序〕基准与定位基准之间位置误差； C．定位元件和定位基准本身的制造误差。 D．以上都不对 5、在加工箱体零件时，定位元件常选择一大平面及两销（一短圆柱销和一短菱形销）其共限制了工件的自由度数为-----------------------（ D ） A2个 B3个 C5个 D6个 6、加工大中型工件的多个孔时，应选用的机床是-----------------------( D ) A卧式车床B台式钻床 C立式钻床D摇臂钻床 三、名词解释 1、六点定位原理：用“3、 2、1”合理分布的六个支承点来限制工件的六个自由度，其中 一个支承点限制工件的一个自由度，把工件的六个自由度都限制了的定位方法。 2、定位基准：用于定位的工件上的点、线、面。 3、完全定位：合理分布的六个支承点来限制工件的六个自由度，其中一个支承点限制工件 的一个自由度，把工件的六个自由度都限制了的定位方法。 4、机床夹具：在机床上用于确定工件相对与机床和刀具的相对位置的辅助工艺装备 5、工序基准：用以确定本工序加工表面加工位置的点、线、面。 四、分析计算题 1、什么叫六点定位规则？工件在夹具中的定位是否一定要完全限制其六个自由度才算合理？ 答：六点定位原理：用“3、2、1”合理分布的六个支承点来限制工件的六个自由度，其中一个支承点限制工件的一个自由度，把工件的六个自由度都限制了的定位方法。

简介五轴联动数控机床

五轴联动数控机床是一种科技含量高、精密度高专门用于加工复杂曲面的机床，这种机床系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等等行业有着举足轻重的影响力。 简介 装备制造业是一国工业之基石，它为新技术、新产品的开发和现代工业生产提供重要的手段，是不可或缺的战略性产业。即使是发达工业化国家，也无不高度重视。近年来，随着我国国民经济迅速发展和国防建设的 需要，对高档的数控机床提出了迫切的大量需求。机床是一个国家制造业水平的象征。而代表机床制造业最高境界的是五轴联动数控机床系统，从某种意义上说，它反映了一个国家的工业发展水平状况。长期以来，以美国为首的西方工业发达国家，一直把五轴联动数控机床系统作为重要的战略物资，实行出口许可证制度。特别是冷战时期，对中国、前苏联等社会主义阵营实行封锁禁运。爱好军事的朋友可能知道著名的“东芝事件”：上世纪末，日本东芝公司卖给前苏联几台五轴联动的数控铣床，结果让前苏联用于制造潜艇的推进螺旋桨，上了几个档次，使美国间谍船的声纳监听不到潜艇的声音了，所以美国以东芝公司违反了战略物资禁运政策，要惩处东芝公司。 五轴机床的种类 有摇篮式、立式、卧式、NC工作台+NC分度头、NC工作台+90°B轴、NC工作台+45°B 轴、NC工作台+ A轴°、二轴NC 主轴等。 A轴和C轴最小分度值一般为0.001度，这样又可以把工件细分成任意角度，加工出倾斜面、倾斜孔等。A轴和C轴如与XYZ三直线轴实现联动，就可加工出复杂的空间曲面，当然这需要高档的数控系统、伺服系统以及软件的支持。这种设置方式的优点是主轴的结构比较简单，主轴刚性非常好，制造成本比较低。但一般工作台不能设计太大，承重也较小，特别是当A轴回转大于等于90度时，工件切削时会对工作台带来很大的承载力矩。另一种是依靠立式主轴头的回转。主轴前端是一个回转头，能自行环绕Z轴360度，成为C轴，回转头上还有带可环绕X轴旋转的A轴，一般可达±90度以上，实现上述同样的功能。这种设置方式的优点是主轴加工非常灵活，工作台也可以设计的非常大，客机庞大的机身、巨大的发动机壳都可以在这类加工中心上加工。这种设计还有一大优点：我们在使用球面铣刀加工曲面时，当刀具中心线垂直于加工面时，由于球面铣刀的顶点线速度为零，顶点切出的工件表面质量会很差，采用主轴回转的设计，令主轴相对工件转过一个角度，使球面铣刀避开顶点切削，保证有一定的线速度，可提高表面加工质量。这种结构非常受模具高精度曲面加工的欢迎，这是工作台回转式加工中心难以做到的。为了达到回转的高精度，高档的回转轴还配置了圆光栅尺反馈，分度精度都在几秒以内，当然这类主轴的回转结构比较复杂，制造成本也较高。 国外五轴联动数控机床是为适应多面体和曲面零件加工而出现的。随着机床复合化技术的新发展，在数控车床的基础上,又很快生产出了能进行铣削加工的车铣中心。五轴联动数控机床的加工效率相当于两台三轴机床，有时甚至可以完全省去某些大型自动化生产线的投资,大大节约了占地空间和工作在不同制造单元之间的周转运输时间及费用。市场的需求推动了我国五轴联动数控机床的发展，CIMT99 展览会上国产五轴联动数控机床第一次登上机床市场的舞台。自江苏多棱数控机床股份有限公司展出第一台五轴联动龙门加工中心以来，北京机电研究院、北京第一机床厂、桂林机床股份有限公司、济南二机床集团有限公司等企业也相继开发出五轴联动数控机床。 当前，国产五轴联动数控机床在品种上已经拥有立式、卧式、龙门式和落地式的加工中心，适应不同大小尺寸的杂零件加工，加上五轴联动铣床和大型镗铣床以及车铣中心等的开发，基本涵盖了国内市场的需求。精度上，北京机床研究所的高精度加工中心、宁江机械集

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五轴机床分类运动学建模及后置处理验证# 章鸿 (四川信息职业技术学院，四川广元628017) 摘要：针对常见的三大类型正交结构的五轴机床，根据齐次坐标变换和运动链关系，推导建立了双转台型、摆头转台型、双摆头型五轴机床的运动学模型。根据矩阵方程的逆解，确定了 轴的旋转角 度取值范围，基于UG-post开发了后置处理器，在U G环境中以凹球面为例，生成5轴铣削刀路，型五轴机床的实际加工验证了后置处理算法的正确性和有效性。 关键词：五轴机床;运动学建模;后置处理;UG/NX;刀路轨迹 中图分类号:TH16 文献标识码:B DOI：10.19287/https://www.wendangku.net/doc/ff3007031.html,ki.1005-2402. 2019. 04. 036 数控技术N C T e c h n o l o g y________________________________________2019年細 Kinematics modeling and post-processing verification of five-axis machine tool Z H A N G Hong (Sichuan Vocational College of Information Technology,Guangyuan 628017, C H N) Abstract：According t o the homogeneous coordinate transformation and the kinematic chain relation,the kinematics model of the double table-tilting five-axis machine (T A T C)i s established,so as t o the spindle-tilting machine (S C S A)and the hybrid-type machine (S A T C)tool i s deduced for the common orthogonal structure.According t o the inverse matrix equation,the range of rotation angle of A and C axis i s deter- mined.Based on U G-post,a post-processor i s developed for machining in t h i s paper.Within U G envi- ronment,the 5-axis milling t ool path and the actual machining of a concave spherical surface part on an AC five-axis machine verifies the correctness of the post-processing algorithm. Keywords：five-axis machine；kinematics modeling；post-processing；U G/N X；t ool path 五轴联动机床在航空发动机叶轮，螺旋桨叶片整 体铣削，复杂曲面加工，模具开发等重要领域发挥着 不可替代的优势，因其特殊的机床结构，灵活的工作 空间和对刀具姿态的控制，使其在智能制造、产品定 制和军工生产占有核心地位。仅正交类型五轴机床 有十几种结构形式，每种机床结构的加工特点各不相 同，而后置处理与机床的运动学方程有着直接的映射 关系[1]。 文献[2]重点研究了双转台五轴机床坐标系和 工件坐标系的转换方程，建立了机床运动学方程，重 点关注后处理过程的转角和坐标转换公式，其开发了 后处理程序，但缺少实际加工验证。文献[3]主要针 对一种非正交结构的转台五轴机床，研究了机床 的运动学方程，在V E R I C U T软件环境中完成了仿真 验证，对运动学建模的原则方法有启发作用。文献[4]研究了机床坐标运动变换，同样是完成了仿真分 *析，缺少实际加工。文献[5]用齐次坐标变换和正向 运动学分析得到通用五轴机床结构的形状创成函数，通过形状创成函数得到五轴数控数据完整的表达式。相对而言，此模型的矩阵函数晦涩难懂。文献[6]以型五轴机床运动方程为例，探讨后置处理误差补 偿算法，融入到后置处理开发中，考虑的误差补偿类 型比较全面。 现代五轴机床的发展趋势，除了由运动学方程建 立后置处理程序算法，还需要考虑在后置处理开发过 程中旋转轴的转角问题，以避免奇异性[7_1()]。根据正 交结构的五轴机床的分类，将五轴机床主要分为三大 类，分别建立其运动学方程，并推导刀位点和刀具矢量 的坐标转换关系。基于UG-post开发了后处理程序，在U G环境中生成了刀具路径并完成了仿真，最后在 一台型五轴加工中心上实际加工，验证了运动学 模型及后处理算法程序的正确性。 *教育部教育管理信息中心（JYB-EMIC-15011);四川省教育厅资助资金（17ZB0387)? 180 ?

机床夹具设计课程设计

机床夹具设计课程设计 说明书 设计题目：钻床夹具设计 系别：机械与电子工程学院 专业：机械设计制造及其自动化

前言 夹具是机械加工不可缺少的部件，在机床技术向高速、高效、精密、智能、复合、 环保方向发展的带动下，夹具技术正朝着高精、高效、模块、组合、通用、经济方向发展。 本次的设计任务是加工零件（板件）上的两个孔。零件属于大批量生产，钻孔要 求精度高，所以需要设计一个专用夹具，保证零件加工质量。由于夹具的利用率高， 经济性好，使用元件的功能强而且数量少，配套费用低，降低生产成本；采用夹紧装 置，缩短停机时间，提高生产效率。 设计钻床夹具，首先要分析加工零件的技术要求，运用夹具设计的基本原理和方 法，拟定夹具设计方案；在满足加工精度的条件下，合理的进行安装、定位、夹紧； 完成草图后考虑零件间的连接关系和螺钉、螺母、定位销等的固定方式，设计合理结 构实现零部件间的相对运动，根据零件要求选择材料。 完成钻床夹具的所有设计后，用 AutoCAD进行二维图的绘制，首先画好零件图，最 后进行装配，标注相关尺寸及技术要求，并用 Pro/ENGINEER绘制最终三维效果图，最 终进行说明书，任务书的撰写、整理、修改完成设计任务。

目录 第一章对加工零件的工艺分析 .......................................................错误！未定义书签。 1.1夹具设计 ...........................................................................错误！未定义书签。 1.2零件分析 ...........................................................................错误！未定义书签。 1.2.1零件图 (1) 1.2.2加工零件图分析 (2) 第二章定位方案及误差分析 ...........................................................错误！未定义书签。 2.1拟定定位方案 .....................................................................错误！未定义书签。 2.1.1定位方案拟定 (2) 2.1.2定位方案选定 (2) 2.2定位误差分析 .....................................................................错误！未定义书签。 2.2.1相关概念 (3) 2.2.2定位误差分析 (4) 第三章对刀导向方案 .......................................................................错误！未定义书签。 3.1对刀导向方案 .....................................................................错误！未定义书签。 3.2对刀导向元件详细参数 .....................................................错误！未定义书签。 第四章夹紧方案及夹紧力分析 (5) 4.1 夹紧方案分析 .............................................................................错误！未定义书签。 4.2夹紧力分析 .........................................................................错误！未定义书签。 4.2.1夹紧力估算 .....................................................................错误！未定义书签。 第五章夹具体设计及连接元件选型 ...............................................错误！未定义书签。 5.1夹具体设计 ..........................................................................错误！未定义书签。 5.2连接元件选型 ......................................................................错误！未定义书签。 5.2.1标准件 .............................................................................错误！未定义书签。 5.2.2非标准件 .........................................................................错误！未定义书签。 第六章夹具零件图和装配图及标注 ...............................................错误！未定义书签。 6.1零件图 (8) 6.2钻模板零件图 ...................................................................................................... 1 1 6.3装配图 .................................................................................................................. 2 1第七章三维效果图...........................................................................错误！未定义书签。 14 总结 .................................................................. 14 参考文献 ..............................................................

机床夹具设计原理

第六章机床夹具设计原理 本章主要介绍以下内容： 1．机床夹具概述 2．工件的定位原理及定位元件 3．定位误差分析计算 4．工件的加紧及夹紧装置 5．机床夹具的设计要求及设计步骤 6．机床夹具设计举例 课时分配：1、2，各一个学时，3、两个学时，4、5、6，共两个学时 重点：工件的定位原理及定位元件；定位误差分析计算 难点：定位误差分析计算 机床夹具是机械加工工艺系统的一个重要组成部分。为保证工件某工序的加工要求，必须使工件在机床上相对刀具的切削或成形运动处于准确的相对位置。当用夹具装夹加工一批工件时，是通过夹具来实现这一要求的。而要实现这一要求，又必须满足三个条件：①一批工件在夹具中占有正确的加工位置；②夹具装夹在机床上的准确位置；③刀具相对夹具的准确位置。这里涉及了三层关系：零件相对夹具，夹具相对于机床，零件相对于机床。工件的最终精度是由零件相对于机床获得的。所以“定位”也涉及到三层关系：工件在夹具上的定位，夹具相对于机床的定位，而工件相对于机床的定位是间接通过夹具来保证的。工件定位以后必须通过一定的装置产生夹紧力把工件固定，使工件保持在准确定位的位置上，否则，在加工过程中因受切削力，惯性力等力的作用而发生位置变化或引起振动，破坏了原来的准确定位，无法保证加工要求。这种产生夹紧力的装置便是夹紧装置。 6．1 夹具 一、机床夹具概述 1.机床夹具的概念 机床夹具是机床上用以装夹工件（和引导刀具）的一种装置。其作用是将工件定位，以使工件获得相对于机床和刀具的正确位置，并把工件可靠地夹紧。 2.机床夹具的分类 机床夹具可根据其使用范围，分为通用夹具、专用夹具、组合夹具、通用可调夹具和成组夹具等类型。机床夹具还可按其所使用的机床和产生加紧力的动力源等进行分类。根据所使用的机床可将夹具分为车床夹具、铣床夹具、钻床夹具（钻模）、镗床夹具（镗模）、磨床夹具和齿轮机床夹具等，根据产生加紧力的动力源可将夹具分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、电动夹具、电磁夹具和真空夹具等。

机床夹具设计方案

机床夹具设计 夹具设计一般是在零件的机械加工工艺制定之后，按照某一工序的具体要求进行的。 夹具设计质量的高低应以能稳定地保证工件的加工精度，达到加工的生产效率要求，成本低，排屑方便，操作安全省力和制造维护容易等为衡量指标。 一、机床夹具设计的基本要求 基本要求：一个优良的机床夹具，必须满足下列 1、保证工件的加工精度 保证工件加工精度的关键在于正确地选定定位基准、定位方法、定位元件以及夹紧装置，确定合适的夹具尺寸、公差和计数要求，并进行必要的夹具精度分析。同时还要注意夹具中其他零部件的结构对工件加工精度的影响，确保夹具能满足工件的加工精度要求。 2、工艺性能好 专用夹具应尽可能地采用标准元件和标准结构，力求结构简单，制造容易，便于装配、检验和维修。当夹具最终精度由调整或修配保证时，夹具上应设置适当的调整间隙和可修磨的垫片等调整或修配结构。 3、达到加工的生产效率要求 专用夹具的复杂程度应与生产批量相适应，应根据工件生产批量的大小选用不同复杂程度的快速高效装夹机构，以缩短辅助生产时间，提高生产效率。 4、使用性能好 专用夹具的操作应简便、省力、安全可靠。应尽可能采用气动、液压等快速高效夹紧装置，以减轻操作者的劳动强度。 夹具的操作位置应符合操作工人的操作习惯。 专用夹具应排屑方便，必要时应设置排屑结构，防止切屑破坏工件的正确定位和损坏刀具，防止切屑热量引起工艺系统变形。 5、经济性好 除考虑专用夹具本身结构简单、标准化程度高、成本低廉外，还应根据生产批量对夹具进行必要的经济分析，以提高夹具在生产中的经济效益。 保证工件的加工精度是最重要的。在此前提下，要处理好其以上基本要求中他要求

五轴数控机床的运动精度检测

五轴数控机床的运动精 度检测 文档编制序号：[KKIDT-LLE0828-LLETD298-POI08]

五轴数控机床的精度检测方法分析 摘要：本文首先对五轴数控机床的精度检测技术做了一个简要概括，然后介绍数控机床精度检测的必要性,指出数控机床常见的精度要求及传统检测方法,并介绍先进检测方法和检测仪器、工具,以及各个检测方法的特点。 关键词：五轴数控机床；精度检测 Precision analysis of detection method of five axis CNC machine tools Abstract: Firstly，this paper introduces the precision detection technology of five axis NC machine tools, and then introduces the necessity of CNC machine tool accuracy detection accuracy requirements of CNC machine tools, points out the common and the traditional detection method, and introduce advanced detection method and detection instruments, tools, and the characteristics of each detection method. Key words: Five axis NC machine tool；Precision detection 1 引言 五轴联动数控机床目前已大量用于航空制造等高端制造领域。由于机床复杂的机械 结构及控制系统，五轴联动机床加工精度检测及优化一直是机械制造行业内研究的热点和难点，成为影响产品加工质量及效率的关键。对企业来说,购买数控机床是一笔相当大的投资,特别是购买大型机床。实践表明,大多数大型数控机床解体发运给用户安装时,必须在现场调试才能符合其技术指标,因此,在新机床检收时,要进行严格的检定,使机床一开始安装就能保证达到其枝术指标预期使用性能和生产效率。投入生产的数控机床使用一段时间后,必须再进行精度检定。通常新机床在使用半年后需再次进行检定,以后每年检测一次,定期检测机床误差,并及时校正螺距及反向间隙等,可切实改善使用中的机床精度及零件加工质量,提高机床的生产率。 2 数控机床精度检测技术研究现状 常用的机床误差测量方法有直接测量法和间接测量法,其中间接测量法,如首先用典型工件试切或试加工,然后再对所试切的工件进行精度检测。但这种方法的测量结果中包括

《机床夹具设计》机床夹具概述.pdf

模块1机床夹具概述 【知识目标】 机床夹具的基本概念； 机床夹具的基本结构及其分类方法； 机床夹具的发展方向。 【技能目标】 掌握生产一线工件在机床夹具中的装夹方法； 能够辨别生产一线常见的机床夹具类型； 初步具备辨识常见机床夹具的能力。 用来固定加工对象，使其处于正确位置，以接受加工或检测的装置，统称为夹具。它广泛地应用于机械制造过程中，如焊接过程中用于拼焊的焊接夹具，零件检验过程中用的检验夹具，装配过程中用的装配夹具，机械加工过程中用的机床夹具等，都属于这一范畴。在金属切削机床上使用的夹具统称为机床夹具。机床夹具就是在机床上用以装夹工件（和引导刀具）的一种装置，其作用是将工件定位，以使工件获得相对于机床和刀具的正确位置，并把工件可靠地夹紧。在现代生产中，机床夹具是一种不可缺少的工艺装备，它直接影响着零件加工的精度、劳动生产率和产品的制造成本等。本模块所讲述的仅限于机床夹具，以后简称为夹具。 【任务描述】 如图1-1所示为生产一线常见的钻床夹具示意图，试分析如何正确去使用该夹具。 图1-1生产一线常见的钻床夹具示意图 1—钻模板；2—压紧螺母；3—压板；4—工件；5—长方形基础板； 6—方形支撑；7—V型块 【任务分析】 图1-1是生产一线常见的钻床夹具示意图，要正确使用该夹具，必须明确该夹具的基本组成、工作原理、工作特性以及装夹方式。要想进一步了解并认识此夹具的设计过程及其在 生产中的作用，就要学习本模块的内容。 【任务引导】 （1）该钻床夹具在生产中有什么作用？ （2）该钻床夹具作为机床夹具的典型代表，其基本组成是什么？

（3）便于认识和更好的使用机床夹具，如何对机床的夹具进行分类？ （4）生产一线对机床夹具还有什么新的要求？ （5）在生产实习时，应对常见机床夹具的基本结构及其分析有所认识。 【知识准备】 学习情境 1.1机床夹具 1.1.1机床夹具的基本概念 工件在机床上进行加工时，为了保证其精度要求，工件的加工表面与刀具之间必须保持 一定的位置关系。机床夹具就是机床上用以装夹工件和引导刀具的一种装置。其作用是将工件定位，以使工件获得相对于机床和刀具的正确位置，并把工件可靠地夹紧。 因此，工件必须借助于夹具占有正确位置。夹具是指夹持工件的工具，如卡盘、顶尖、 平口钳等。刀具也必须借助于辅具使其保持一定位置。辅具是指夹持刀具的工具，如钻夹头、丝锥夹头及刀夹等，如图1-2所示为丝锥夹头。 图1-2丝锥夹头 1.1.2机床夹具在机械加工中的作用 在机械加工中，工件通过定位元件在夹具中占有正确的位置，工件和夹具通过连接元件 在机床上占有正确位置，工件和夹具通过对刀元件相对于刀具占有正确位置，从而保证了工件相对于机床位置正确、工件相对于刀具位置正确，最终保证工件的加工要求。因此，机床夹具在机械加工中应具有以下作用： 1.能稳定地保证工件的加工精度 使用机床夹具来对工件定位，可以准确地确定工件与机床、刀具之间的相互位置。工件的位置精度完全由夹具保证，不受工人技术水平的影响，使一批工件的加工精度趋于一致， 保证工件加工精度高且稳定。 2.能减少辅助工时，提高劳动生产率 由于机床夹具的存在，无需找正便能使工件迅速地定位和夹紧，显著地减少了辅助工时；用夹具装夹工件提高了工件的刚性，因此，可增大切削用量；可以使用多件、多工位夹具装 夹工件，并采用高效夹紧机构，这些因素均有利于提高劳动生产率。另外，采用夹具后，产 品质量稳定，废品率下降，可以安排技术等级较低的工人，明显降低了生产成本。 3.能扩大机床的使用范围，实现“一机多能” 根据加工机床的成形运动，附以不同类型的夹具，即可扩大机床原有的工艺范围。例如，在车床的溜板上或摇臂钻床工作台上装上镗模，就可以进行箱体零件的镗孔加工了。 4.能减轻工人的劳动强度 用夹具装夹工件方便、快速，当采用液压、气动等夹紧装置时，可减轻工人的劳动强度。

机床夹具设计习题答案

1.1定位原理及定位误差计算 1. 2. 答： a.不完全定位，限制了x r y u r z r 和)y z ) ,合理 b.完全定位，六个自由度都限制了，合理 c.过定位，x r 重复定位，可将左顶尖去除或者改为自由顶尖 3.在阶梯轴上铣削一平面，该零件在短V 形块、圆头支钉和浮动支点上定位。试分析该定位方案有何不合理之处？如何改进？ 答：欠定位。短V 形块不能限制Z 方向的旋转以保证尺寸L 的加工。 改进：将短V 形块改为长V 形块。 4.题图4为连杆零件在夹具中的平面及两个固定的短V 形块1及2上定位，试问属何种定位？限制了哪些不定度？是否有需要改进之处？提出改进措施。 答：过定位，限制了x r y u r z r x ) )y z ) ,其中x r 重复定位。

改进：将右侧的V 形块改为可左右活动的V 形块。 5. 答：该方案属于六点定位。左边两个短V 形块相当于一个长V 形块，限制了y u r )y z r z )四个自由度，右边短V 形块限制了x r x )两个自由度。 8. 试确定合理的定位方案并绘制定位方案草图。 答：一面两销定位原理。 9．题图9为在杆件上有宽度为b 的开口槽，内孔D 已加工，试确定合理的定位方案并绘制定位方案草图。 答：直径为d 的圆弧端用V 形块定位，半径为D 的内孔用浮动菱形销定位。 11.题图11(a)为在圆盘零件上加工O1、O2及O3三孔的工序简图，题图11（b ）、（c ）、（d ）为用三轴钻床及钻模同时加工三孔的几种定位方案（工件底面的定位元件未表示），试分别计算当α=90°时各定位方案的定位误差。

12. 解：加工面C 以O 1O 2连线为基准，因此=0 不重 即该工序定位合理，定位误差为0.1866 13. 1.2夹紧方案及夹紧力计算 1.试分析图示各种夹紧方案有何错误和不当之处，并提出改进措施。 答： （a ）错误：作用点在支承范围之外，夹紧力与支反力构成力矩，夹紧时工件将发生偏程，使定位面与支承元件脱离，以致破坏原有定位。 措施：使夹紧力作用在稳定区域内，即使夹紧力作用点左移。 （b ）错误：夹紧力作用于工件薄壁处，易产生工件夹具变形。 措施：将夹紧力作用点往中间移，使夹紧变形尽可能小。 （c ）错误：夹紧力作用点远离工件加工表面，加工过程中易产生振动。 措施：在靠近工件加工处采用辅助支承。

多轴机床运动学建模原理探究与运用

多轴机床运动学建模原理探究与运用 第1章绪论 1.1研究背景及意义 自动编程的前置处理部分按照规划的工艺生成包含工件坐标系下刀具位置和姿态等信息的刀位文件,后置处理的主要任务是代码编译和机床各轴运动量求解。机床的运动学模型是实现机床运动求解和控制的基础。同时在机床的进给速度控制、加工精度控制、机床几何误差补偿等方面都要使用机床的运动学模型。 五轴机床一般是在三个平动轴的基础上增加两个转动轴,因此与三轴机床相比,虽然五轴联动加工可以提供丰富的刀具路径规划策略,但五轴机床的运动变得复杂,机床坐标系下无法直观想象刀具相对于工件的运动。同时转动轴和平动轴有多种布置方式,所以五轴机床的结构也变得多样。因此寻求一种具有通用性、可移植性及程式化的五轴机床运动学建模方法,并能够应用到机床的设计、分析、装配、控制及制造等过程中,对五轴机床的幵发研究具有重要的现实意义及应用价值。 1.2国内外研究现状 1.2.1五轴机床运动学建模的研究 五轴机床运动学模型给出了机床各个运动轴的运动量与刀具坐标系和工件坐标系下的刀具位置和姿态表达的关系。在此基础上可以进行后置处理、进给速度控制等工作。国内外学者主要从以下角度出发来描述机床运动学建模过程和方法:机构学、机器人学、多体系统。 五轴机床也可看作一个空间机构,可以采用机构学来描述五轴机床的运动学模型。Takeuchi[3],Lee[4],She[5][6][7],彭芳瑜[8],郑躍默[9],李永桥等学者从机构学角度出发,或者针对具体结构的五轴机床,或者针对结构相似的一类五轴机床这种分类处理的方式,利用齐次坐标变换矩阵表示机床各轴运动,在此基础上建立机床的运动学模型。何耀雄等[11]采用机构学方法对机床的型和结构参数进行了分析和表达,给出了任意结构机床(串联形式)的机构模型综合表达式,结合坐标变换得到了任意结构机床的运动模型表达式。但是机床的机构模型将机床机构分为两条运动链,这就导致建模过程需要区分两条运动链的型数目。同时以上研究均假定机床机构的所有的坐标系均与机床坐标系平行,增加了表示非正交形式运动轴的几何误差等固有误差的难度。 1.2.2五轴机床后置处理及转角求解的研究