在“中國(guó)制造2025”國(guó)家戰(zhàn)略背景下,五軸激光切割機(jī)床的發(fā)展也是順應(yīng)了制造業(yè)發(fā)展的潮流。它通過(guò)五軸聯(lián)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜型面薄板類大型零件的三維切割,這樣能夠滿足汽車覆蓋件等復(fù)雜型面的全自動(dòng)切割要求。要完成五軸機(jī)床復(fù)雜的控制指令,配套的數(shù)控系統(tǒng)就顯得尤為重要。本文設(shè)計(jì)了一款新型的五軸激光切割機(jī)床擺頭;基于EtherCAT總線和TwinCAT平臺(tái)搭建了五軸激光切割機(jī)床數(shù)控系統(tǒng);通過(guò)和畢孚公司的專門伺服系統(tǒng)、EtherCAT輸入輸出模塊、調(diào)高器模塊等幾個(gè)部分的連接與調(diào)試,實(shí)現(xiàn)了五軸空間直線和曲線插補(bǔ)、比例閥的控制以及機(jī)床基本的切割功能等;同時(shí)基于畢孚的HMI設(shè)計(jì)了人機(jī)交互界面,用于顯示和設(shè)定各項(xiàng)機(jī)床參數(shù),配合實(shí)現(xiàn)機(jī)床基本功能。具體研究成果如下:1.通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的分析,并結(jié)合現(xiàn)有的五軸激光切割機(jī)床,進(jìn)行五軸機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方案擬定,設(shè)計(jì)了適應(yīng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的機(jī)床床身和機(jī)床擺頭,為后期機(jī)床系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研發(fā)提供有力的機(jī)械基礎(chǔ)。2.根據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)確定A,C軸的參數(shù)要求,并通過(guò)分析進(jìn)行A,C兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的力矩馬達(dá)的選型,基于EtherCAT總線實(shí)現(xiàn)五軸激光切割系統(tǒng)硬件平臺(tái)搭建與設(shè)計(jì)。3.分析并研究五軸空間... 

【文章來(lái)源】：南京林業(yè)大學(xué)江蘇省

【文章頁(yè)數(shù)】：82 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

正在加工汽車熱成型件的五軸激光切割機(jī)床Fig.1-2Five-axislasercuttingmachinethatisprocessingautomotivethermoformedparts

8第二章五軸激光切割機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1五軸激光切割機(jī)床的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型分析現(xiàn)在市面上常見的五軸數(shù)控激光切割機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)模型主要分為正交型和傾斜型，而正交型的機(jī)床模型比較常見的是雙轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)和雙擺頭結(jié)構(gòu)兩種類型，傾斜型的常見也是雙擺頭結(jié)構(gòu)類型。下面我將就以上三種類型進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行分析，并選出符合本文要求的模型。2.1.1正交型五軸激光切割機(jī)床的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型分析2.1.1.1正交雙轉(zhuǎn)臺(tái)型五軸激光切割機(jī)床的運(yùn)動(dòng)求解如圖2.1所示是以A、C軸為例所構(gòu)建的一個(gè)雙回轉(zhuǎn)型運(yùn)動(dòng)模型，其中假設(shè)整個(gè)激光器安裝在連接Z軸的橫桿上,它可以隨著Z軸上下移動(dòng)，而整個(gè)Z軸及橫桿可以隨著X和Y軸進(jìn)行平面移動(dòng)，此外工件安裝在C軸的平臺(tái)上，A、C軸為回轉(zhuǎn)軸,定軸為A軸,從動(dòng)軸為C軸可繞Z無(wú)限制旋轉(zhuǎn)。這樣就形成了一個(gè)符合工件空間上加工的五軸運(yùn)動(dòng)模型[37]。如圖2-1中，首先假設(shè)工件夾持在旋轉(zhuǎn)軸C軸的平臺(tái)上建立加工工件的坐標(biāo)系(wwwwO-XYZ)，接著是針對(duì)激光頭中心建立一個(gè)機(jī)床坐標(biāo)系(-MMMMOXYZ)，建立兩個(gè)坐標(biāo)系之后，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換和平移變換，過(guò)程如下：圖2-1正交雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸數(shù)控機(jī)床模型立體圖Fig.2-1Theperspectiveviewofthemodelofanorthogonaldoubleturntablefive-axisCNCmachinetool

10旋轉(zhuǎn)軸A軸的旋轉(zhuǎn)角度是：Aarccosk（2-5）具體的關(guān)于兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸A軸和C軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度的范圍，可以參照文獻(xiàn)[38]。2.1.1.2正交雙擺頭型五軸激光切割機(jī)床的運(yùn)動(dòng)求解如圖2-2為正交雙擺頭類型五軸激光切割機(jī)床模型，其中Z軸和X軸與Y軸所形成的面相互垂直，而且X軸和Y軸也是相互垂直，其中工件裝夾的平臺(tái)是和X軸和Y軸形成的平面相共面的。旋轉(zhuǎn)軸A軸和C軸分別繞X軸和Z軸運(yùn)動(dòng)。移動(dòng)軸直線運(yùn)動(dòng)可以在機(jī)床坐標(biāo)系下進(jìn)行坐標(biāo)定位，移動(dòng)軸的相互之間的移動(dòng)順序可以任意組合，所以這樣的組合一方面不會(huì)影響刀具在空間的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，另一方面也不會(huì)影響移動(dòng)軸的移動(dòng)量。在相對(duì)于機(jī)床坐標(biāo)系進(jìn)行分析時(shí)，那么切割頭的位置姿態(tài)的矢量就是tUùF，其中轉(zhuǎn)換成齊次坐標(biāo)就是0,0,1,0T，那么切割頭中心點(diǎn)的坐標(biāo)就可以表示為tP，轉(zhuǎn)換的齊次坐標(biāo)為0,0,0,1,0T[39]�？梢岳盟D(zhuǎn)換的齊次坐標(biāo)進(jìn)行位姿矩陣相互之間的變換去表示五軸激光切割機(jī)床的三個(gè)移動(dòng)軸和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)位姿的變換，再根據(jù)將之前得到的相對(duì)于機(jī)床坐標(biāo)系下的tP和tU的工件坐標(biāo)系的參數(shù)，轉(zhuǎn)換成工件坐標(biāo)系下的切割頭中心點(diǎn)的坐標(biāo)wP，轉(zhuǎn)換的齊次坐標(biāo)為,,,1Txyz和切割頭位置姿態(tài)的矢量坐標(biāo)wUp，轉(zhuǎn)換的齊次坐標(biāo)為,,,0TxyzUUU，根據(jù)它們之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系建立等式如下：7-1-11wjjpjjstjPTTP（）（）（）（2-6）圖2-2正交雙擺頭五軸數(shù)控機(jī)床模型立體圖Fig.2-2Theperspectiveviewofthemodelofanorthogonaldoubleswing-headfive-axisCNCmachinetool


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