（机械制造及其自动化专业论文）主轴可转位五轴高速铣床的建模与动态仿真.pdf

山东理工大学硕十学位论文 摘要 摘要 机床业在国家工业发展过程中起了重要作用，我国机床业的发展水平尤 其是多轴机床的发展水平同国外发达国家相比存在相当大的差距；同时国外 将高端机床如五轴机床列为战略物资严格管理，限制出口到发展中国家。因 此发展我国自己的五轴机床具有重要意义。 首先，本文分析了五轴机床的结构形式，研究讨论了各种支撑结构的特 点；同时针对大型复杂零部件的特点，如大型复杂模具的惯性大、移动困难 等特点，提出了工件不动、用机床主轴移动和主轴转位的方法对工件进行5 面加工的构想；设计并建立了主轴可转位五轴高速铣床的结构模型，该机床 能很好解决上述问题；在此基础之上，对机床关键零部件如主轴系统、导轨、 进给系统进行了选择和设计。 其次，介绍了u g 软件及其特点。利用u g 的c a d 功能对主轴可转位五 轴高速铣床的各个零部件进行了设计建模和装配。在不影响其功能情况下对 部分零部件进行了简化处理，使虚拟模型与本机床的物理样机模型具有相似 的结构及运动学特性。 最后，将主轴可转位五轴高速铣床的虚拟样机模型以p a r a s o l i d 文件格式 输入到a d a m s 软件中，施加约束，定义相关驱动函数，采样交互式仿真方 式对本机床进行运动学仿真。通过仿真分析，获得机床的仿真曲线，分析机 床特性，验证了方案和结构设计的合理性。 本文所作的工作，为整机模型的设计及进一步改进提供依据，同时也为 模型的c a m 仿真奠定等基础。 关键词：主轴可转位；五轴；高速铣床；建模；仿真 山东理工大学硕士学位论文a b s t r a c t a bs t r a c t m a c h i n et o o l i n d u s t r yp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ed e v e l o p m e n to f i n d u s t r yi nac o u n t r y h o w e v e r ，t h e r ei s s t i l lag r e a tg a pi nt h ed e v e l o p m e n to f m u l t i a x i sm a c h i n eb e t w e e no u rc o u n t r ya n dd e v e l o p e dn a t i o n s w h a ti sm o r e ， s o m ed e v e l o p e dn a t i o n sr e g a r dh i g h e n dm a c h i n et o o l s ，e s p e c i a l l yf i v e - a x i s m a c h i n et o o l s ，a ss t r a t e g i cm a t e r i a l sa n dl i m i tt h e i re x p o r t a t i o nt od e v e l o p i n g c o u n t r i e s t h e r e f o r e ，r e s e a r c h i n gf i v e - a x i sm a c h i n et o o l si sv e r yi m p o r t a n tt o o u rc o u n t r y f i r s t ，t h ep a p e ra n a l y z e st h es t r u c t u r eo ff i v e - a x i sm a c h i n et o o l sa n d s t u d i e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fa l lk i n d so fs u p p o r t i n gs t r u c t u r e s i na c c o r d a n c e w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fl a r g ec o m p l e xp a r t s ，s u c ha s l a r g ec o m p l e xm o l d s w h o s ei n e r t i ai s b i ga n dt h ep a r t sa r ed i f f i c u l tt om o v e ，t h i sp a p e rr a i s e sa m e t h o dt os o l v et h eq u e s t i o nb ym o v i n ga n dr o t a t i n gt h ep r i n c i p a la x i sw h i l e k e e p i n gt h ep a r ts t i l l a tt h es a m et i m e ，t h ep a p e rs e t su pt h em o d e lo ft i l t i n g p r i n c i p a la x i sf i v e - a x i sh i g h - s p e e dm i l l i n gm a c h i n e f u r t h e r m o r e ，t h ek e yp a r t s a r es e l e c t e da n dd e s i g n e d ，s u c ha st h es p i n d l es y s t e m ，r a i l sa n dt h ef e e d i n g s y s t e m s e c o n d ，t h es o f t w a r eu gi si n t r o d u c e d i na d d i t i o n ，t h et e x td e s i g n se v e r y p a r to ft h em a c h i n ea n dh a st h e mi n s t a l l e db yc a dp a r to fu g a f t e rt h a t ，t h e w h o l em a c h i n ei ss i m p l i f i e do nt h eb a s eo fn o ti m p a i r i n gi t sn o r m a lo p e r a t i o n i nt h i ss i t u a t i o n t h ev i r t u a lm o d e li sm o r er e a s o n a b l e f i n a l l y ，t h et w od i r e c t i o n ss w i n g i n gf i v e - a x i sh i g h - s p e e dm i l l i n gm a c h i n e i st r a n s f e r r e dt oa d a m st h o u g hp a r a s o l i d b e f o r es i m u l a t i n gt h em a c h i n e ， k i n d so fr e s t r i c t i o n sa r ep r o g r a m m e d t h em a c h i n ei s p r o v e d c o r r e c tb y a n a l y z i n gt h ed a t aa n ds i m u l a t e dc u r v e s t h ew o r ki nt h e p a p e rp r o v i d e s ab a s i sf o rt h ei m p r o v e m e n to ft h e m a c h i n ea n dt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n t ，a n dl a y sf o u n d a t i o nf o rc a m k e y w o r d s ：t i l t i n gp r i n c i p a la x i s ；f i v e - a x i s ；h i g h - s p e e dm i l l i n gm a c h i n e ； m o d e l i n g ；s i m u l a t i o n l i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：时间：年月日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不 同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 导师签名： 1 ) 可存朱 时间： 时间： 年月 日 年月日 山东理工大学硕学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题提出的发展背景及意义 当前，全球机床业发展迅速，最新信息表明，世界机床将朝着以下5 个 方向发展：高速化、精密化、高效能、系统化、复合化。其中高速化是指由 于机床各组件分工的专业化，在专业主轴厂的开发下，主轴高速化日益普及。 复合化是指产品外观曲线的复杂化致使模具加工技术必须不断升级，机床五 轴加工、六轴加工已日益普及，机床加工的复合化已是必然的发展趋势【l 】。 在现代工业中，模具扮演着越来越重要的角色，大批量的塑料件、合金 压铸件、钢板件和锻件就是由冷冲压模、型腔模、压铸模等模具生产的，因 此可以说模具是制造业中使用量大、影响面广的专用工具产品。进入2 1 世 纪，由于机械制造业面临市场需求动态多变，产品更新周期缩短，市场竞争 日趋激烈，因此，如何缩短模具制造时间，提高模具精度，确保产品及时上 市，是模具行业面临的紧迫问题。因此，市场要求机床能在一次装夹中完成 从粗加工到半精甚至精加工的全部加工。兼具多坐标加工的高速机床可以在 一次装夹中完成工件的全部机械加工工序，实现复合加工的优点，既适用于 单件小批量生产也适用于大批量生产，减少了加工时间和生产费用，提高了 数控设备的生产能力和经济性。实现上述功能的机床逐渐成为国内外各大机 床生产企业的研发和生产重点，占据市场的主体地位。 近年来，五轴机床的发展及应用尤其引人瞩目。上世纪9 0 年代以来，工 业发达国家的航空航天、汽车、模具、动力机械、轻工和信息等制造业己经 比较广泛地应用这种技术，该技术的应用大幅度提高了加工效率，降低了成 本并改善了加工表面质量。 高速切削加工技术是一种综合性的高新技术，是先进实用的制造技术， 正成为切削加工的主流，具有强大的生命力和广阔的应用前景。要实现高速 切削加工，机床的高速化是首要条件和最基本要素，高速数控加工中心是提 供高速加工的主体。高速数控加工中心从2 0 世纪8 0 年代诞生至今，已广泛 应用于航天航空、模具、汽车( 如图1 1 ) 等制造业t 2 1 ，而且其应用范围日 益扩大，拥有巨大的需求空间。因此，现代数控加工中心的高速化己成为机 床发展的一个重要方向，开发和研制性能优良的高速数控加工中心是发展高 速切削加工的重中之重。 m 东4 i 大学硕学位论文 第一# 绪论 ( a ) 飞机雷达罩( b ) 整体叶片( c ) 整体叶轮 图1 1 高速加工技术的应用示例 综上所述，五轴高速机床己成为装备制造业和高科技装各产品的快速研 发与实现的关键基础性设备。西方工业发达国家都将5 轴数控机床列为国家 战略物资严格管理，限制出口到发展中国家。因此发展五轴高速机床对提高 我国技术装备水平缩短同世界发达国家水平有重要意义。 本课题的目的是要完成对一台大型主轴可转位五轴高速铣床的设计，井 对其性能进行相应分析。主轴可转位五轴高速铣床的研制，为其实体机床的 建立，进入制造业的生产车问，进而实现主轴可转位五轴高速数控设备国有 化、产业化，为促进我国经济发展、加强我国国防建设，提高我国在世界上 的政治经济地位奠定实基础。 i 2 国内外发展现状 同时提高生产效率和加工质量，适用于不同批量生产的高速切削加工技 术，是近2 0 年来迅速崛起的一项高新技术。2 0 世纪9 0 年代以来各发达国 家都在高速切削加工技术上投入大量的人力和物力并取得了较大成就。机 械工业发达的国家如美国、日本、德国、瑞士等的厂商已成为世界高速数控 加工中心的主要提供者。 1 9 7 6 年美国的v o u g h t 公司首次推出有级超高速铣床，最高转速高达 2 0 0 0 0 r m i n 。功率1 5 k w 。 2 0 世纪8 0 年代以后，超高速铣床进一步发展到超高速铣床钻床乃至 加工中心。瑞士日本，英国也相继推出自己的超高速机床。 近年来超高速加工的实际应用和试验研究取得了显著成果，如美国的 c i n c i n n a t i ，日本牧野等公司，标准主轴转速可达到8 0 0 0 1 0 0 0 0 r m i n ，可选 的2 0 0 0 0 r m i n 以下的主轴单元己处于商品化阶段p j 。我国的超高速加工总体 水平同国外比尚有较大差距，快速进给速度在3 0 m m i n 以下。 目前许多机械工业发达国家已制造出高速、多轴并且能够实现高速切削、 自动换头等高技术水平的机床，并使机床达到五轴联动，实现多面或五面加 m 东f t 大学硕学位论文 第一帝绪论 工，大大提高了机床的自动化水平和工作效率，该类机床已被广泛应用航空 航天、模具、船舶以及汽车等制造领域，提高了数控机床的应用价值。瑞士 米克朗公司展出五轴联动高速加工中心h s m 4 0 0 u ，被誉为世界上第一台真 正的五轴雕动高速加工中心，具有高速、精密、自动化、易操作、高可靠性 等特点。h s m 4 0 0 u 已经应用到很多领域：医疗器械、钟表零件、涡轮发动 机、锻模、注塑模、铸模、吹塑模及原型制造等。 就超高速机床的结构而言，2 0 世纪9 0 年代中期相继展出了结构形式各 异的并联机床即p m t ( p a r a l l e lm a c h i n et 0 0 1 ) 的产品化样机，引起世界制造 业的轰动，被誉为2 1 世纪的新一代数控加工设备。新近推出的并联机床有 许多优点：如机床结构简单；同时结构稳定、刚度高；动态性能好；精度高； 适应性强；经济性好；通用性、模块化程度高多优点。 并联机床o 白问世以来，不过几十年的时问，就得到了迅速的发展。1 9 9 4 年美国g i d d i n g s l e w i s 公司在美国芝加哥i m t s 9 4 博览会上推出的 v a r i a x 并联机床，其加工精度比传统加工中心高2 - 1 0 倍刚度为传统加工 中心的5 倍，引起广泛的关注。1 9 9 4 年美国成立了h e x e l 公司专业从事 s t e w a n 机床( 图1 2 ) 及其功能部件研究、开发生产和销售：瑞士联邦技术 学院开发研制的h e x a g l i d e 并联机床( 图1 - 3p 1 ) 。还有苏黎世联邦大学，德 国斯图加特大学等诸多大学、公司、研究机构都对并联机床进行了深入的研 究并开发出自己的机床，在国内，清华大学、天津大学、哈尔滨工业大学、 东北大学、中国科学院沈阳自动化研究所等也对并联机床进行了研究。 图1 2h e x e i 公司的并联机床图1 3 瑞士联邦技术学院的并联机床 在国内，这几年，尽管国内各厂商对高速加工中心已经给予较大的关注 山东理t 大学硕十学位论文第一章绪论 也已引起国家的高度重视，但是由于受各方面因素的影响，高速切削加工工 艺的研究还比较薄弱，制造工艺技术制约了制造技术整体水平的发展。与国 外相比，我国的高速机床不管从精度、功能、外观还是对操作者或环境的保 护上都存在较大差距。目前国内机床生产厂商正在通过引进国外先进技术， 进行消化吸收，以满足国内外市场需求，缩短同国外的差距。 目前，随国家经济建设的高速发展，我国机床业得到了快速发展并取得 长足进步，但和国际先进水平相比还有相当大差距。国内虽也有企业进行多 轴甚至5 轴数控机床研发与生产，但其多数仍要依靠国外技术，尚未形成具 有自主知识产权与核心技术、具有创新性产品自主研发能力以及向市场提供 商品化批量产品的能力1 5 , 6 1 。我国高效高速高精度5 轴数控机床基本上全需依 靠进口解决，价格相当昂贵。此外，目前我国多轴数控机床应用主要集中在 宇航与军工企业，数量还比较有限；一般中小企业大多数尚未有能力采用。 1 3 虚拟样机技术概述及其应用 1 3 1 虚拟样机技术的含义 机械工程中的虚拟样机技术1 7 , s l 又称为机械系统动态仿真( m e c h a n i c a l s y s t e ms i m u l a t i o n ) 技术，是国际上2 0 世纪8 0 年代随着计算机技术的发展而 迅速发展起来的一项计算机辅助工程技术。虚拟样机技术是指在产品设计开 发过程中，将分散的零部件设计和分析技术( 指在某单一系统中零部件的 c a d 和f e a 技术) 糅合在一起，在计算机上创建出产品的整体模型，并针 对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进 而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术。 工程师在计算机上建立样机模型，对模型进行各种动态性能分析，然后 改进样机设计方案，用数字化形式代替传统的实物样机实验。运用虚拟样机 技术，可以大大简化机械产品的设计开发过程，大幅度缩短产品开发周期， 大量减少产品开发费用和成本，明显提高产品质量，提高产品的系统性能， 获得最优化和创新的设计产品。 虚拟样机技术的应用可以贯串在整个设计过程中。在概念设计和方案论 证阶段，设计师可以把自己的经验和创造性思维结合在计算机中建立的虚拟 样机模型里；在结构设计阶段，工程师可以及时修改结构参数，进行各种校 核和优化，快速接近理想的设计目标；在产品功能分析阶段，测试工程师可 以设置不同的工况参数对产品进行全方位的功能检验，以检测新产品的主要 功能。因而，用虚拟样机技术开发产品可使开发周期缩短，设计质量和效率 4 山东理丁大学硕十学位论文第一章绪论 得到提高。 1 3 2 虚拟样机技术的核心理论 工程中的研究对象大多是由大量零部件构成的系统，根据设计优化与性 态分析的要求可以将其分为两大类：一类称为结构，它们的特征是在正常的 工况下构件间没有相对运动，研究中只关心这些结构在受到载荷时的强度、 刚度与稳定性；另一类是系统在运行过程中部件间存在相对运动的机构，如 航空航天器、操作机械臂、机器人等复杂机械系统。力学模型为多个物体通 过运动副连接的系统，称为多体系统。 虚拟样机技术的核心理论是多体系统动力学。多体系统动力学是由多刚 体系统动力学与多柔体系统动力学组成的。 1 ) 多刚体系统动力学的研究对象是由任意有限个刚体组成的系统，刚体 之间以某种形式的约束连接，这些约束可以是理想完整约束、非完整约束、 定常或非定常约束。研究这些系统的动力学需要建立非线性运动方程、能量 表达式、运动学表达式以及其他一些量的公式。多刚体系统动力学主要解决 多个刚体组成的系统动力学问题，各个构件之间可以有较大的相对运动。 2 ) 多柔体系统动力学的研究对象是由大量刚体和柔体组成的系统。多柔 体系统动力学可以看作是多刚体动力学的自然延伸。根据多柔体系统组成的 特点，一般以多刚体系统动力学的以研究为基础，对系统中柔性体进行不同 的处理，在机械系统中常用的处理方法有离散法、模态分析法、形函数法和 有限单元法等。将柔性体的分析结果与多刚体系统的研究方法相结合，最终 得到系统的动力学方程 7 1 。 1 3 3 虚拟样机技术的特点 同传统的基于物理样机的设计研发方法相比，虚拟样机设计方法具有以 下特点： 1 ) 传统的设计思想是一个串行的过程，从设计到产品的批量生成按照从 前至后的顺序进行。这种方法直到设计开发的最后阶段才能得到整个样机， 在开发过程中各个小组往往把注意力集中在各自的细节上，忽略了整机性 能，所以最终产品集成后存在缺陷。现在，并行工程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 在设计领域得到了广泛应用，但大多数情况下仅是对单个零部件采用并行设 计，这同样导致整机系统效果不够理想。而虚拟样机技术的核心是包含各学 科子系统的数学大模型d m u ，使虚拟样机技术具备整机性能评估的条件， 山东理工大学硕 ：学位论文第一章绪论 强调从系统层面上的优化，重视整机性能。因此在产品开发设计阶段就可以 快速比较不同的设计方案。这样在开发早期及整个设计过程中能及时发现问 题并反馈，使得整个设计过程得到优化。 2 ) 虚拟样机技术使产品的开发设计更短的研发周期、更低的研发成本、 更高的产品质量。虚拟样机的设计方法是通过计算机技术建立产品的数字化 模型( 虚拟样机) ，摆脱了对物理样机的依赖，从而可以完成无数次物理样机 无法进行的虚拟试验，有时这些试验是破坏性的，因此大大减少了物理样机 的数量，而且缩短了研发周期、提高了产品质量。 3 ) 虚拟样机是实现动态联盟的重要手段。为了适应快速变化的全球市场， 克服单个企业资源的局限性，出现了在一定时间内，通过i n t e r n e t & i n t r a n e t 临时缔结成的一种虚拟企业，即目前被世界广泛接受了的动态联盟( v i r t u a l c o m p a n y ) 的概念。参盟的企业为了实现并行设计和制造，信息的快速交流尤 显重要，而虚拟样机是一种数字化模型，通过网络可以快速、准确的传输， 从而为动态联盟活动的高度并行性提供了基础。 4 ) 虚拟样机技术以虚拟样机为媒介，在产品开发的整个过程与用户紧密 结合，比传统c a d 技术互动性更强、更深入。虚拟样机技术直接完美的结 合了人类的创造能力、设计师丰富的经验与计算机强大的数据运算和数据存 储功能，把计算机辅助设计活动提升为积极参与的主动活动，形成优势互补、 人机融合的产品设计开发环境【7 8 j 。 1 3 4 虚拟样机的应用 目前，虚拟样机技术在一些较发达国家，如美国、德国、日本等已得到 广泛的应用，应用领域从汽车制造业、工程机械、航空航天业、造船业、机 械电子工业、国防工业到人机工程学、生物力学及工程咨询等很多方面。 美国航空航天局( n a s a ) 的喷气推进实验室( j p l ) 成功的实现了火星探测 器“探路号”在火星上软着陆，成为轰动一时的新闻。j p l 工程师利用虚拟样 机技术研究宇宙飞船在不同阶段( 进入大气层、减速和着陆) 的工作过程保证 了火星登陆计划的成功。 j o h nd e e r e 公司，为了解决工程机械在高速行驶时的蛇行现象以及在重 载下的自激振动问题，公司的工程师利用虚拟样机技术，不仅找到了原因， 而且提出了改进方案，并且在虚拟样机的基础上得到了验证，从而大大提高 了产品的高速行驶性能与重载作业性能。 c a t e r p i l l a r 公司是世界上最大的拖拉机、装载机和工程机械制造商之一。 为了提高竞争力， c a t e r p i l l a r 公司采用了虚拟样机技术，从根本上改进设计 6 山东理1 = 大学硕士学位论文第一章绪论 和试验步骤，实现了快速虚拟试验多种设计方案，从而使产品成本降低，性 能却更加优越1 8 9 1 0 1 。 1 3 5 虚拟样机技术在本课题中的应用 如果在用传统的机械系统实物试验研究方法设计研制主轴可转位五轴 高速铣床时，往往需要先设计出样机模型尺寸，然后制成物理样机，再对物 理样机进行调试和分析，发现问题后再重新进行设计，不仅周期长，成本大， 而且设计过程中计算量巨大，计算公式复杂烦琐，直观性较差，不能及时发 现和解决设计过程中可能避免的一些问题。 本文借助虚拟样机技术，在计算机上建立主轴可转位五轴高速铣床的模 型，然后在几何模型上施加相应的激励，最后使机床执行一组与实际状况十 分接近的运动仿真测试，模拟在现实环境下主轴可转位五轴高速铣床的运动 学特性。这项研究实现的功能如下： ( 1 ) 虚拟样机系统的可视化 建立可视化环境是虚拟样机系统的基础工作，而c a d 几何建模是核心。 主轴可转位五轴高速铣床虚拟样机可视化环境具有以下特征： 1 ) 在计算机上实现主轴可转位五轴高速铣床的可视化环境，操作者可直 观、高效地在此基础上进行机床的设计与开发，良好的环境可使操作者方便 地将自身经验和知识随时融入系统。 2 ) 从c a d 模型中提取几何数据，以便在虚拟样机系统的进一步工作过 程中，如运动学分析中加以利用。 3 ) 在虚拟样机开发的初级阶段，主轴可转位五轴高速铣床的c a d 模型 可以不断改进。 ( 2 ) 主轴可转位五轴高速铣床运动过程的演示 根据主轴可转位五轴高速铣床的本体构成，包括各部分的几何结构与参 数、关节数量、类型等因素，仿真实现机床的运动学分析与干涉检验等。同 时在运动学分析过程中还可实现对机床的运动空间分析，运动轨迹规划，碰 撞等进行仿真分析。 ( 3 ) 主轴可转位五轴高速铣床的运动学分析 通过运动仿真，可得到系统的位移，速度等规律曲线，分析系统特性。 传统产品开发过程是一个大循环过程，不仅难以提高产品质量，而且耗 费大量的时间和资金。通过虚拟样机技术，在制造主轴可转位五轴高速铣床 物理样机之前，就可以进行样机的测试，找出和发现潜在的问题，缩短产品 开发周期，其过程如图1 4 所示，这样不仅节省时间和金钱，还可以大幅度 7 。坐查翌三奎兰堡主兰丝丝圣，。：。摹。，鲁。，；皇。，。鲁，。篓= 坠 地提高设计质量。 概念 设计 详细 设计 主轴可转位五轴高 铣床虚拟样机仿真 产品定 型制造 图卜4 主轴可转位五轴高速铣床虚拟样机开发流程图 将虚拟样机技术与主轴可转位五轴高速铣床研究相结合，可以避免传统 设计方法周期长、效率低等缺陷，而且在主轴可转位五轴高速铣床物理样机 制造前就可以知道它是怎样工作的，可以为本课题的后期工作奠定一定的基 础。 1 4 本论文研究的主要内容 本课通过研究分析提出主轴可转位五轴高速铣床，在此基础之上以三维 实体造型软件u g 和虚拟样机软件a d a m s 为平台，对本铣床进行设计、分 析和研究的一个初步探讨性研究工作。具体的研究内容有： 论文的主要研究内容： ( 1 ) 对多轴高速机床的发展现状、样式及虚拟样机技术进行了深入讨论。 分析了五轴机床的结构形式及支撑特点，在此基础之上针对大型复杂零部件 的加工问题提出了主轴可转位机构；建立了主轴可转位五轴高速铣床的模型 并对其进行总体设计；同时对其重要部件进行了选型设计。 ( 2 ) 对u g 的特点和功能进行了相应的介绍；在u g 环境下对本机床进行 三维实体设计建模及装配。 ( 3 ) 讨论u g 和a d a m s 的接口问题，利用a d a m s e x c h a n g e 模块，将 u g 中的主轴可转位五轴高速铣床的虚拟装配模型转换到a d a m s 中。在 a d a m s 中依据主轴可转位五轴高速铣床的工作原理对其添加相应的约束和 驱动，建立本机床的虚拟样机。 ( 4 ) 以a d a m s 为平台，对主轴可转位五轴高速铣床进行运动学仿真，并 对其结果进行相应的分析。 8 山东理工大学硕十学位论文第二章主轴可转位五轴高速铣床结构设计及坐标转换 第二章主轴可转位五轴高速铣床结构设计及坐标转换 2 1 总体布局设计 设计机床的第一步是确定总体方案，机床是由部件装配而成的，每个部 件在机床中占有一定的位置。选择机床的形式，分配运动以及安排各部件等 在整台机床中的位置，即机床的总体布局。机床的总体布局是保证实现机床 工艺方案的基础，也是部件和零件的设计依据，对整个机床设计的影响较大 1 “1 。合理的机床总体布局应满足： ( 1 ) 保证刀具和工件间的相对位置和相对运动； ( 2 ) 足够的刚性，抗振性； ( 3 ) 便于操作、维修、排屑等； ( 4 ) 材料消耗低，占地面积小； ( 5 ) 造型美观。 机床总体布局设计的一般步骤是，先根据工艺分析，分配机床部件的运 动，不同的工艺方法所要求的机床运动的类别和数目是不一样的；然后，选 择传动形式和支承型式，并拟订从布局上改善机床性能和技术经济指标的措 施，比如为增强机床的刚性等。 主轴可转位五轴高速铣床为符合加工高速等特性而参考多种结构形式， 结构设计方面借鉴了较多的高速加工中心( 特别是高性能加工中心) 的相关结 构设计，但由于其各轴的运动要求又不同于常规的加工中心，由三个移动轴 ( x ，y ，z ) 和两个回转轴实现五轴联动，因而有自身的特点。 2 1 1 主要结构形式 五轴加工机床按照坐标运动的相互关系分为并联型和串联型，两种型式 各有其优缺点。 串联型的五轴加工机床有三种运动配置方式，即五个运动全在刀具侧， 五个运动全在工件侧，和五个运动分配在刀具和工件侧。其各有特点 “： ( 1 ) 五个坐标运动( x ，v , z ，a ，c ) 全部集中在刀具一侧完成。其的特点是工件 即工作台不动，五个运动都由具有移动、旋转和摆动功能的主轴头( 即刀具一 侧) 来实现。主轴前端是一个回转头，能自行环绕z 轴3 6 0 度，成为c 轴， 回转头上还带有可环绕x 轴旋转的a 轴，一般可达士9 0 度以上。这种设置 9 m 末g i 大学碰学位论文第= 章主轴日转位i 轴高速铣床鲒构设计及标# * 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。尤其是适合 加工具有复杂形面的大型、重型壳体件，如大型发动机壳体和飞机龙骨，模 具等。缺点是运动部件质量大，惯性力大，不适宜于用过高的进给速度和加 速度加工。不过运动部件的质量虽大，但较恒定，因为刀具重量相对较小， 改变刀具时，对运动部件重量变化影响不大，故机床的运动特性还是比较稳 定的。 ( 2 ) 五个坐标运动均集中在工件完成。一种简单易实施的方案是在一台三 轴数控的升降台立式铣床上再装上一个数控回转工作台，工件装在回转工作 台上完成四轴运动，主轴头则固定不动。若要实现五轴加工，则需在回转工 作台上在安装上一个可以绕x 轴或y 轴旋转的工作台。形成( x ，y ，z ，a ，c ) 或 ( x ，y ，z ，b ，c ) 。 ( 3 1 五个坐标运动分别配置在刀具一侧和工件一侧来完成。在这个型式 中，又可以按两个转动坐标轴的配置方式进一步分为两种结构形式的机床。 第一种除工件一侧至少有一个移动坐标轴外，二个转动坐标轴均由刀具一侧 的复合主轴头来实现( 如图2 1 “”) ，这主要为大型机床采用，比如工作台 移动式五轴联动的龙门铣床 或加工中心。第二种是二个 传动坐标轴分别由主轴头摆 动和工作台回转来实现，此 种形式工作台能承受较大重 量且可以采用标准交换工作 台，而主轴结构叉比第一种 简单，现在多为中型五轴加 工机床所采用。其缺点是工 作台成为刚度较为薄弱的环 节，特别是在需要工作台有 较高的转动进给速度和加速 度时，所承受的工件重量受 到一定限制。 镬多 饕i 二j 图2 - 1 回转工作台加工中心模型图 并联机床l t 6 , t 1 结构简单，但控制复杂。以s t e w a r t 平台结构原理为基础的 并联机床。一般刀具主轴安装在s t e w a r t 结构的活动平台上，并通过6 根可 控的伸缩杆来控制刀具的空间位姿并完成五轴运动，工件则安装在固定的底 座平台上不动，该机床可以使与动平台固连的机床刀具加工出复杂曲面的工 件，如模具、叶轮等。 山东理工大学硕十学位论文第二章主轴可转位五轴高速铣床结构设计及坐标转换 相比之下，并联机床是对称的封闭框架结构，受力、受热均匀，有多根 杆件分摊承担主轴平台的受力，每根杆的受力要小得多，且只承受拉力或压 力，而不承受婉拒或者扭矩，故刚度高、稳定性好，在相同的机床自重下具 有高得多承载能力。同时在动态性能上并联机床容易将电机及传统部件置于 框架上，运动平台上仅安装刀具，运动部件的数量少、质量轻，减少了运动 负荷，能够实现更快的动态响应。在高速加工时，并联结构的优点更加明显。 鉴于并联机床的控制较串联机床异常复杂，并且有效空间比很小，同时 本课题研究的机床主要面对大型复杂的模具加工，同时要求有较快的速度， 故本机床设计优先选用五坐标运动集中在刀侧的结构形式，同时参考并联机 床的头部的主轴机构。 2 1 2 五轴联动机床的支撑形式 随着对机床刚性的要求越来越高，高刚性的床身结构是保证精度持久性 的基础。目前五轴联动加工机床的主要支承形式有以下几种【”1 9 】： ( 1 ) 门型结构：主轴箱在龙门式横梁上移动，龙门框架使机床整体刚性 良好，该结构适应高速、高效的加工要求。国内桂林机床股份有限公司、江 苏多棱数控机床股份有限公司等开发的五轴联动数控机床都以龙门式为主。 ( 2 ) 动柱式t 型结构：目前采用该结构的也很多，主要优点是避免因工件 质量不均匀而造成工作台承载不均匀，乃致在运动中形成倾覆力矩。比如瑞 士威力铭公司的五轴联动加工中心w 4 l8 就采用该结构。 ( 3 ) 框中框结构：框中框结构运动框带动主轴箱在立柱上沿x 向运动， 主轴箱安置在运动框中做上下运动。该结构既确保最佳的刚性和精度的稳定 性，同时可将移动部件的质量降低到最小，保证最高加速度的实现。 2 1 3 主轴可转位五轴高速铣床的总体布置方案 本设计的机床的市场定位是：大型单件、小批量、形状复杂零件的加工 中心。通过对不同结构布局形式优劣的分析比较，选择五个刀具全部在刀具 一侧完成的结构形式。其支撑结构采用龙门式框架结构，并提出主轴可转位 结构。其机床结构如下： 固定式床身、龙门架沿床身导轨水平纵向移动( x 轴) 、溜板沿龙门架 导轨水平横向移动( y 轴) ，滑枕沿溜板导轨垂直升降( z 轴) ，主轴可转位 机构即可在竖直面内转动( 绕z 轴旋转的c 轴) ，也可在水平面内摆动( 绕 y 轴旋转的b 轴) 。其结构如图2 2 所示： 山东理工大学硕t - 学位论文第二章主轴可转位五轴高速铣床结构设计及坐标转换 本铣床可实现x ，y ，z ，b ，c 五个轴的联动。 各轴最大运动范围如下： x ，y ，z 三个直线运动导轨的移动范围分别定为+ _ 2 0 0 0 m m ，6 0 0 m m ， 4 0 0 m m ： b 轴转动范围初步定为一1 0 0 1 1 0 0 ： c 轴转动范围初步定为2 0 0 0 2 0 0 0 。 图2 - 2 主轴可转位五轴高速铣床的结构示意图 主轴可转位五轴高速铣床可实现工件一次装夹，同时完成五个工作面的 从粗到半精加工。由于主轴可转位机构的使用，加工过程中，可使刀具的轴 线始终垂直于工件的被加工面，实现“法向”加工。特别适合于发动机叶片、 螺旋桨曲面，大型模具型腔等复杂三维曲面工件的高速加工。 该机床可广泛应用于汽车模具、航空航天、发动机、汽轮机、造船、水 泵、机床等行业。 2 2 主轴可转位五轴高速铣床主要部件的设计 2 2 1 床身的设计 机床的床身是整个机床的基础支承件，一般用来放置导轨等重要部件。 为了满足本铣床的高速度、高生产率、高自动化程度的要求。与普通机床相 比，主轴可转位五轴高速铣床应有更高的静、动刚度，更好的抗振性。 选用a g ( 人造花岗岩) 材质作为本机床的材质，它除了具有较好的阻尼性 能( 阻尼为灰铸铁的8 1 0 倍) 外，还具有尺寸稳定性好、抗腐蚀性强、制造 成本低等优点1 5 4 1 。与灰铸铁比，它热容量大，热导率低，构件的热变形小， a g 床身的后期加工量很少，这样可以大大减少占用大型机床加工时间相加工 1 2 山东理t 大学硕十学位论文 第二章主轴可转位五轴高速铣床结构设计及坐标转换 成本，并能节约大量金属。 由于本机床的床身很大结构复杂，可以采用分块结构，在浇铸时可分为 几个形状相对简单的部分，分别浇铸，之后在用粘结剂或其他形式连接起来。 同时由于a g 材质的抗弯强度较低，且弹性模量较小( 约为灰铸铁的 1 3 1 4 ) ，床身截面壁厚要相应取的很厚。 2 2 2 主轴系统设计 在确定机床总体方案后，就要根据方案进行各部件的结构设计，而主轴 系统作为传递动力和直接承受切削的关键部件组，直接影响机床的加工性 能、加工精度以及加工效率 2 0 , 2 h 。 五轴联动加工在考虑机床的空间曲面加工能力的同时，追求高的加工效 率也提到主要要求中。由此，高速主轴被考虑到机床结构设计中来。高速主 轴是高速切削机床的核心部件，随着对主轴转速要求的不断提高，传统的齿 轮一皮带变速传动系统由于本身的振动、噪音等原因己不能适应要求。取而 代之的是一种新颖的功能部件一电主轴。 电主轴结构紧凑，质量轻，惯性小，可提高启动、停止的响应特性，并 利于控制振动和噪声。 主轴系统参数中，主轴的转速高低决定了切削速度的大小，进而影响刀 具的耐用度、积屑瘤的大小、切削力的大小等直接决定工件加工精度和表面 质量的因素。研究表明，在工件一定的情况下，主轴转速越高，进给量也就 越小，越能得到高的表面光洁度。 高速切削的特点： 一方面，在高速切削状态下，9 5 以上的切削热还来不及传给工件时， 就被切削迅速带走，工件的温度不会升高 2 2 1 。 另一方面，高速切削时，机床的激振频率特别高，远远离开机床关键零 部件的自振频率，使机床工作平稳，从而能加工出精密且光洁度好的零件。 另外，在切削速度增加到一定值后，切削力可降低3 0 以上，尤其是径 向切削力的大幅度减少，有利于提高加工精度。 本台机床适用于复杂零件的高速切削，主轴转速要求能达到 3 0 0 0 0 r m p m i n ，但传统的皮带或齿轮的最高转速只有1 5 0 0 0 r m p m i n ，显然无 法满足本机床的切削要求。于是本机床采用采用内装式主轴电机，即电主轴， 它采用无外壳电机，将带有冷却套的电机定子装配在主轴单元的壳体内，转 子和机床主轴的旋转部件做成一体，主轴的变速范围完全由变频交流电机控 制，使变频电机和机床主轴合二为一，满足了本机床的需要。 1 3 山东理丁大学硕士学位论文第二章主轴可转位五轴高速铣床结构设计及坐标转换 2 2 3 导轨的选型设计 作为刀具和工件相对定位机构的导轨，是仅次于主轴的重要部件。本机 床的进给速度较高，传统的普通机床的方形导轨已不能满足其要求。选用直 线滚动导轨。 直线滚动导轨( 如图2 3 ) 由导轨体、滑块、滚珠、保持器、端盖等组成。 使用时，导轨体固定安装在床身( 不动部件) 上，滑块固定在龙门架( 运动部件) 上。当滑块沿着导轨体运动时，滚珠在导轨体和滑块之间的圆弧直槽内波动 并通过端盖内的滚道，从工作负荷区到非工作负荷区。然后再滚动回工作负 荷区，不断循环，从而把导软体和滑块之间的移动变成了滚动。为防止灰尘 等脏物进入导轨，滑块两端及下部均装有塑料密封垫。滑块上设有润滑油注 油杯。 俣持架锕球 图2 - 3 直线滚动导轨结构图 由于滚珠的不断循环，使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，大 大降低二者之间的运动摩擦阻力，从而获得：动、静摩擦力之差很小，随动 性极好，即驱动信号与机械动作滞后的时间间隔极短，有益于提高本机床的 响应速度和灵敏度；驱动功率大幅度下降，只相当于普通机械的十分之一； 与v 型十字交叉滚子导轨相比，摩擦阻力可下降约4 0 倍；适应高速直线运 动，其瞬时速度比滑动导轨提高约10 倍；能实现高定位精度和重复定位精 度；能实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度；成对使用导轨副时，具 有“误差均化效应”，从而降低基础件( 导轨安装面) 的加工精度要求，降低 基础件的机械制造成本与难度；导轨副滚道截面采用合理比值的圆弧沟槽， 接触应力小，承接能力及刚度比平面与钢球点接触时大大提高，滚动摩擦力 比双圆弧滚道有明显降低；导轨采用表面硬化处理，使导轨具有良好的可校 性；心部保持良好的机械性能；简化了机械结构的设计和制造 i 1 , 2 3 , 2 4 , 5 4 。 1 4 山东理工大学硕士学位论文第二章主轴可转位五轴高速铣床结构设计及坐标转换 2 2 4 传动装置的设计 直线运动上的传动装置设计 本机床在设计直线运动上的传动装置时仍采用滚珠丝杠螺母副。尽管机 床设计己千变万化，但传动部分的机械结构很大一部分己采用了标准化的机 构。几乎在所有情况下，均采用循环式滚珠丝杠将伺服电机的转动转化为直 线移动。伺服电机通常直接和滚珠丝杠系统连接，这保证设计上的紧凑，而 且更好满足速度要求。 滚珠丝杠螺母副的结构原理示 意图如图2 4 所示，在丝杠c 和螺 母a 上部有半圆弧形的螺旋槽，当 将它们套装在一起时便构成了滚珠 的螺旋滚道。螺母上有滚珠回路滚 道l ，2 与3 为滚珠在螺母上的进出 门。将几圈螺旋滚道的两端连接起 来构成封闭的循环该道，并在滚道 内装满滚珠b 。当丝杠旋转时，滚 珠在滚道内既自转又沿滚道循环转 动。因而迫使螺母( 或丝杠) 轴向移 动。 8 ：螺母b ：滚珠c ：丝杠 图2 - 4 滚珠丝杆原理示意图 由于滚珠丝杠螺母副是滚动摩擦，它具有很多特点：传动效率高，摩擦 损失小，滚珠丝杠副的传动效率1 = 0 9 1 - 0 9 6 ，而一般的常规( 滑动) 丝杠螺母 副，7 = 0 2 0 0 4 0 。故滚珠丝杠副的传动效率比常规丝杠螺母副提高了3 - 4 倍； 可适当预紧，消除丝杠和螺母螺纹间隙，与常规丝杠螺母副相比有较高的轴 向刚度；运行平稳，无爬行现象，传动精度高；磨损小，寿命长；有可逆性， 即丝杆和螺母都可以作为主动件，也可以作为从动件哗】。 主轴可转位机构的设计 主轴可转位机构以滑枕为支撑、蜗轮蜗杆、电主轴、轴承座，电机等组 成，其结构如图2 5 所示( 不包括防护装置) 。滑枕上的电机驱动蜗杆转动， 通过涡轮蜗杆副将运动传递给蜗轮，实现c 方向上的回转。主轴可转位机构 上的蜗杆在电机的驱动下，带动蜗轮旋转，实现电主轴绕b 轴旋转。为了安 全起见，将电机和涡轮蜗杆封闭起来，避免意外事故。 山东理工大学硕，j j 学位论文第二章主轴可转位五轴高速铣床结构设