基于EtherCAT的五轴激光切割机床数控系统设计
发布时间：2021-08-06 02:50
在“中国制造2025”国家战略背景下,五轴激光切割机床的发展也是顺应了制造业发展的潮流。它通过五轴联动的方式实现对复杂型面薄板类大型零件的三维切割,这样能够满足汽车覆盖件等复杂型面的全自动切割要求。要完成五轴机床复杂的控制指令,配套的数控系统就显得尤为重要。本文设计了一款新型的五轴激光切割机床摆头;基于EtherCAT总线和TwinCAT平台搭建了五轴激光切割机床数控系统;通过和毕孚公司的专门伺服系统、EtherCAT输入输出模块、调高器模块等几个部分的连接与调试,实现了五轴空间直线和曲线插补、比例阀的控制以及机床基本的切割功能等;同时基于毕孚的HMI设计了人机交互界面,用于显示和设定各项机床参数,配合实现机床基本功能。具体研究成果如下:1.通过运动学模型的分析,并结合现有的五轴激光切割机床,进行五轴机床结构设计的方案拟定,设计了适应实验环境的机床床身和机床摆头,为后期机床系统的设计和研发提供有力的机械基础。2.根据机床结构的设计确定A,C轴的参数要求,并通过分析进行A,C两个旋转轴的力矩马达的选型,基于EtherCAT总线实现五轴激光切割系统硬件平台搭建与设计。3.分析并研究五轴空间...
【文章来源】：南京林业大学江苏省
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
正在加工汽车热成型件的五轴激光切割机床Fig.1-2Five-axislasercuttingmachinethatisprocessingautomotivethermoformedparts
8第二章五轴激光切割机床的机械结构设计2.1五轴激光切割机床的运动学模型分析现在市面上常见的五轴数控激光切割机床运动学模型主要分为正交型和倾斜型，而正交型的机床模型比较常见的是双转台结构和双摆头结构两种类型，倾斜型的常见也是双摆头结构类型。下面我将就以上三种类型进行相应的运动学模型进行分析，并选出符合本文要求的模型。2.1.1正交型五轴激光切割机床的运动学模型分析2.1.1.1正交双转台型五轴激光切割机床的运动求解如图2.1所示是以A、C轴为例所构建的一个双回转型运动模型，其中假设整个激光器安装在连接Z轴的横杆上,它可以随着Z轴上下移动，而整个Z轴及横杆可以随着X和Y轴进行平面移动，此外工件安装在C轴的平台上，A、C轴为回转轴,定轴为A轴,从动轴为C轴可绕Z无限制旋转。这样就形成了一个符合工件空间上加工的五轴运动模型[37]。如图2-1中，首先假设工件夹持在旋转轴C轴的平台上建立加工工件的坐标系(wwwwO-XYZ)，接着是针对激光头中心建立一个机床坐标系(-MMMMOXYZ)，建立两个坐标系之后，进行旋转变换和平移变换，过程如下：图2-1正交双转台五轴数控机床模型立体图Fig.2-1Theperspectiveviewofthemodelofanorthogonaldoubleturntablefive-axisCNCmachinetool
10旋转轴A轴的旋转角度是：Aarccosk（2-5）具体的关于两个旋转轴A轴和C轴的转动角度的范围，可以参照文献[38]。2.1.1.2正交双摆头型五轴激光切割机床的运动求解如图2-2为正交双摆头类型五轴激光切割机床模型，其中Z轴和X轴与Y轴所形成的面相互垂直，而且X轴和Y轴也是相互垂直，其中工件装夹的平台是和X轴和Y轴形成的平面相共面的。旋转轴A轴和C轴分别绕X轴和Z轴运动。移动轴直线运动可以在机床坐标系下进行坐标定位，移动轴的相互之间的移动顺序可以任意组合，所以这样的组合一方面不会影响刀具在空间的运动姿态，另一方面也不会影响移动轴的移动量。在相对于机床坐标系进行分析时，那么切割头的位置姿态的矢量就是tUùF，其中转换成齐次坐标就是0,0,1,0T，那么切割头中心点的坐标就可以表示为tP，转换的齐次坐标为0,0,0,1,0T[39]。可以利用所转换的齐次坐标进行位姿矩阵相互之间的变换去表示五轴激光切割机床的三个移动轴和两个旋转轴的运动位姿的变换，再根据将之前得到的相对于机床坐标系下的tP和tU的工件坐标系的参数，转换成工件坐标系下的切割头中心点的坐标wP，转换的齐次坐标为,,,1Txyz和切割头位置姿态的矢量坐标wUp，转换的齐次坐标为,,,0TxyzUUU，根据它们之间的转换关系建立等式如下：7-1-11wjjpjjstjPTTP（）（）（）（2-6）图2-2正交双摆头五轴数控机床模型立体图Fig.2-2Theperspectiveviewofthemodelofanorthogonaldoubleswing-headfive-axisCNCmachinetool
本文编号：3324924
【文章来源】：南京林业大学江苏省
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
正在加工汽车热成型件的五轴激光切割机床Fig.1-2Five-axislasercuttingmachinethatisprocessingautomotivethermoformedparts
8第二章五轴激光切割机床的机械结构设计2.1五轴激光切割机床的运动学模型分析现在市面上常见的五轴数控激光切割机床运动学模型主要分为正交型和倾斜型，而正交型的机床模型比较常见的是双转台结构和双摆头结构两种类型，倾斜型的常见也是双摆头结构类型。下面我将就以上三种类型进行相应的运动学模型进行分析，并选出符合本文要求的模型。2.1.1正交型五轴激光切割机床的运动学模型分析2.1.1.1正交双转台型五轴激光切割机床的运动求解如图2.1所示是以A、C轴为例所构建的一个双回转型运动模型，其中假设整个激光器安装在连接Z轴的横杆上,它可以随着Z轴上下移动，而整个Z轴及横杆可以随着X和Y轴进行平面移动，此外工件安装在C轴的平台上，A、C轴为回转轴,定轴为A轴,从动轴为C轴可绕Z无限制旋转。这样就形成了一个符合工件空间上加工的五轴运动模型[37]。如图2-1中，首先假设工件夹持在旋转轴C轴的平台上建立加工工件的坐标系(wwwwO-XYZ)，接着是针对激光头中心建立一个机床坐标系(-MMMMOXYZ)，建立两个坐标系之后，进行旋转变换和平移变换，过程如下：图2-1正交双转台五轴数控机床模型立体图Fig.2-1Theperspectiveviewofthemodelofanorthogonaldoubleturntablefive-axisCNCmachinetool
10旋转轴A轴的旋转角度是：Aarccosk（2-5）具体的关于两个旋转轴A轴和C轴的转动角度的范围，可以参照文献[38]。2.1.1.2正交双摆头型五轴激光切割机床的运动求解如图2-2为正交双摆头类型五轴激光切割机床模型，其中Z轴和X轴与Y轴所形成的面相互垂直，而且X轴和Y轴也是相互垂直，其中工件装夹的平台是和X轴和Y轴形成的平面相共面的。旋转轴A轴和C轴分别绕X轴和Z轴运动。移动轴直线运动可以在机床坐标系下进行坐标定位，移动轴的相互之间的移动顺序可以任意组合，所以这样的组合一方面不会影响刀具在空间的运动姿态，另一方面也不会影响移动轴的移动量。在相对于机床坐标系进行分析时，那么切割头的位置姿态的矢量就是tUùF，其中转换成齐次坐标就是0,0,1,0T，那么切割头中心点的坐标就可以表示为tP，转换的齐次坐标为0,0,0,1,0T[39]。可以利用所转换的齐次坐标进行位姿矩阵相互之间的变换去表示五轴激光切割机床的三个移动轴和两个旋转轴的运动位姿的变换，再根据将之前得到的相对于机床坐标系下的tP和tU的工件坐标系的参数，转换成工件坐标系下的切割头中心点的坐标wP，转换的齐次坐标为,,,1Txyz和切割头位置姿态的矢量坐标wUp，转换的齐次坐标为,,,0TxyzUUU，根据它们之间的转换关系建立等式如下：7-1-11wjjpjjstjPTTP（）（）（）（2-6）图2-2正交双摆头五轴数控机床模型立体图Fig.2-2Theperspectiveviewofthemodelofanorthogonaldoubleswing-headfive-axisCNCmachinetool
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