试述并联机床的干涉检查与干涉回避

于恩皓张贵昌

于恩皓张贵昌(山河屯林业局)

摘要：并联机床是指用并联机构作为进给传动机构的数字控制机床.与传统机床相比并联机床具有刚度重量比大、响应速度快、对环境适应性高、技术附加值高等优点。本文以通用CAM软件输出的刀具轨迹为基础，提出了缩短检查干涉时间的检查点文件的组成方式，并通过调整工件的安装位置来回避可能发生的各种干涉，提出了检验该工件能否进行加工以及可加工时工件最佳安装位置的计算方法。

关键词：并联机床工件安装位置计算

0引言

并联机床是基于空间并联机构Stewart平台原理开发的，是近年才出现的一种新概念机床，它是并联机器人机构与机床结合的产物，是空间机构学、机械制造、数控技术、计算机软硬技术和CAD/CAM技术高度结合的高科技产品。但由于其结构及工作空间非常复杂，在使用它加工工件时，极有可能发生机床零件间的自己干涉及机床与工件的干涉。

1并联机床的特点

随着高速切削的不断发展，传统串联式机构构造平台的结构刚性与移动台高速化逐渐成为技术发展的瓶颈，而并联式平台便成为最佳的候选对象，而相对于串联式机床来说，并联式工作平台具有如下特点和优点：

1.1结构简单、价格低机床机械零部件数目较串联构造平台大幅减少，主要由滚珠丝杠、虎克铰、球铰、伺服电机等通用组件组成，这些通用组件可由专门厂家生产，因而本机床的制造和库存成本比相同功能的传统机床低得多，容易组装和搬运。

1.2结构刚度高由于采用了封闭性的结构(closed-loopstructure)使其具有高刚性和高速化的优点，其结构负荷流线短，而负荷分解的拉、压力由六只连杆同时承受，以材料力学的观点来说，在外力一定时，悬臂量的应力与变形都最大，两端插入(build-in)次之，再来是两端简支撑(simply-supported)，其次是受压的二力结构，应力与变形都最小的是受张力的二力结构，故其拥有高刚性。其刚度重量比高于传统的数控机床。

1.3加工速度高，惯性低如果结构所承受的力会改变方向，(介于张力与压力之间)，两力构件将会是最节省材料的结构，而它的移动件重量减至最低且同时由六个致动器驱动，因此机器很容易高速化，且拥有低惯性。

1.4加工精度高由于其为多轴并联机构组成，六个可伸缩杆杆长都单独对刀具的位置和姿态起作用，因而不存在传统机床(即串联机床)的几何误差累积和放大的现象，甚至还有平均化效果(averagingeffect)；其拥有热对称性结构设计，因此热变形较小；故它具有高精度的优点。

1.5多功能灵活性强由于该机床机构简单控制方便，较容易根据加工对象而将其设计成专用机床，同时也可以将之开发成通用机床，用以实现铣削、镗削、磨削等加工，还可以配备必要的测量工具把它组成测量机，以实现机床的多功能。这将会带来很大的应用和市场前景，在国防和民用方面都有着十分广阔的应用前景。

1.6使用寿命长由于受力结构合理，运动部件磨损小，且没有导轨，不存在铁屑或冷却液进入导轨内部而导致其划伤、磨损或锈蚀现象。

2干涉检查与干涉回避

如果所用并联机床的工作台上没有周边器械或周边器械放置的比较远，不会影响工件的安装位置或加工过程中也不会出现机床与周边器械干涉现象时，则可省略机床及工件与周边器械的干涉检查。

2.1自己干涉

2.1.1检查点的组成在加工过程中，所有刀具位置可以应用文献中所述方法检查是否会发生自己干涉。如果发生干涉，则用调整工件的安装位置来回避干涉。工件的安装位置改变后，加工过程中的刀具位置自然也就改变了。因此，还须再次进行检查，直到不发生自己干涉为止。

2.1.2检查干涉的方法刀具位置和姿势分别在直进空间圆和回转空间圆内时，一定不会发生自己干涉。所以，自己干涉的检查方法为：①读取所有检查点，求出每一个检查点所对应的直进空间圆和回转空间圆。②刀具位置和姿势分别在对应的直进空间圆和回转空间圆内时，判定为在该检查点不会发生自己干涉；在所有的检查点都不发生干涉时，则判定为在该安装位置不会发生自己干涉。③如果在某检查点的位置或姿势超出了直进空间圆或回转空间圆，则用文献中所述的检查干涉的方法进行复检。由于空间圆比一般的检查干涉的计算量要小的多，所以，这样的检查方法可以缩短每次检查的计算时间。

2.1.3回避干涉的方法由于在同一水平面内，刀具位置在z轴上时最不容易出现自己干涉。所以，如果在某个检查点出现了自己干涉，则将该检查点与z轴的连线作为回避方向。然后，将工件的安装位置沿回避方向移动10mm。如果连续两次回避方向的夹角大于150°，可以认为回避方向已经翻转，在该水平面内不存在能够安装的位置，所以，只能将工件的安装位置向上提高。

2.2机床与工件的干涉

2.2.1检查点的组成机床与工件之间可能发生干涉的零部件有刀具、夹头、主轴头、主轴夹板、夹板铰链和连杆。工件可以认为是由加工表面和非加工表面构成。其中，加工表面由加工点、与机床可能会发生干涉的非加工表面由非加工点构成，在此，将加工点和非加工点统称为查询点。

2.2.2检查干涉的方法在检查是否出现第1类干涉时，首先将刀具、夹头、主轴头和主轴夹板(简称为刀具系统)以及第1类干涉的检查点向xz平面投影，然后，检查落入刀具系统投影内的检查点是否与刀具系统发生干涉。由于第1类干涉与工件的安装位置无关，所以，在计算工件的安装位置之前，只需进行1次这样的检查计算.由于工件安装位置的不同，必将导致夹板铰链和连杆的位置与姿势的变化。所以，工件的安装位置每次调整后，都必须检查是否会发生第2类干涉。因此，如何减少第2类干涉的检查点是缩短检查时间的关键。本文中，判断第2类干涉检查点的条件是满足d0且h0，这对于较小的工件或者较平坦的工件，可以大幅度地削减检查点数。

2.2.3回避干涉的方法当出现干涉时，其回避方法与出现自己干涉时的回避方法相同。

2.3机床与周边器械的干涉

2.3.1检查干涉的方法可能与周边器械发生干涉的机床零件有刀具、夹头、主轴头、夹板铰链、连杆和主轴夹板，它们的形状为圆柱体和有界平面构成的多面体，而周边器械的外形为多面体。所以，周边器械与机床零件之间可以沿用“有界平面与圆柱体”及“有界平面与有界平面”的干涉检查方法。即在所有的检查点上，计算构成周边器械的有界平面与机床零件的圆柱体或有界平面之间是否有交点。如有交点，说明发生干涉；如无交点，则说明不发生干涉。

2.3.2回避干涉的方法如果机床与周边器械发生干涉，则将周边器械前表面的法线方向作为回避方向，回避方法与发生自己干涉时的回避方法相同。