（机械制造及其自动化专业论文）五轴数控高速铣削加工中心的仿真研究——虚拟建模和模态分析.pdf

摘要 摘要 随着科技的发展和新产品的不断涌现，高速度、高效率、高精度和高刚度 已成为当今数控机床发展的主要方向，为满足数控机床发展需要并适应当今激 烈的市场竞争，必须使用先进制造技术加速高性能机床产品的开发。了解高速 机床的结构和工作原理。如何更好地发挥高速机床的性能和提高高速机床的效 率就成了普遍关注的问题。本课题主要根据虚拟生产线布局的要求，利用虚拟 制造技术研究高性能铣削加工机床的虚拟建模和动力学仿真。 本论文首先分析了h e r m l ec4 0 五轴数控高速铣削加工中心的结构特点， 提取了主要模块，采用基于特征的参数化实体建模技术完成h e r m l ec4 0 五轴 数控高速铣削加工中心主要模块零部件的虚拟模型，并且使用虚拟装配技术完 成该加工中心主要部件和整机的虚拟装配模型。在a n s y s 有限元分析软件平台 上，分析了机床结构的固有频率和主振型，进行了模态分析，验证了虚拟模型 的适用性。 最后，关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。 关键词：虚拟生产线，虚拟建模，高速机床，模态分析，有限元分析 a b s t r a c t a b s t r 嘁弋 n o w ，f o l l o w i n gt h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g ya n dt h ee m e r g e n c yo ft h en e w p r o d u c t s , h i g hs p e e d , h i g i ie f f i c i e n c y , h i g hp r e c i s i o na n dh i g l lr i g i d i t yh a v e b e e nt h e m a i nd e v e l o p i n gt r e n do fn u m e r i c - c o n t r o l om a c h i n et o o l s t om e e tt h en e e do f n cm a c h i n et o o l s d e v e l o p m e n ta n da d a p tt ot h eh e a t e dm a r k e tc o m p e t i t i o n ，w cm u s t u s ea d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yt od e s i g nt h em a c h i n et o o lw i t he x c e l l e n t s e r v i c ec a p a b i l i t y w ea l ec o n c e r n e da b o u tt h es t r u c t u r ea n dt h ep r i n c i p l eo f h i g h s p e e dm a c h i n e sa n dh o w t ow o r kb e t t e rt oe n h a n c et h ee f f i c i e n c yo fh i g h - s p e e d m a c h i n e i nt h i sp a p e r t h ev i r t u a ld e s i g n i n ga n dt h ev i r t u a ld y n a m i c ss i m u l a t i o no f l l i g h s p e e dm a c h i n i n gt o o la r ed o n eu s i n gv i r t u a lm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yo nt h e b a s i so f v i r t u a lp r o d u c t i o nl i n e f i r s t l y , t h es u u c t u r eo fh e r m l em a c h i n i n gc e n t e rc 4 0i sa n a l y z e d t h em a i nm o d u l e sa r ec h o s e n t h ev i r t u a lm o d e l so ft h em o d u l e so fh e r m l e m a c h i n i n gc e n t e rc4 0a r ea c c o m p l i s h e da d o p t i n gp a r a m e t r i ce n t i t ym o d e l i n g t e c h n o l o g yb a s e do nf e a t u r e a n dt h e nt h ev i r t u a la s s e m b l ym o d e l so fc o m p o n e n t s a n dw h o l em a c h i n ea r es e tu pu s i n gv i r t u a la s s e m b l yt e c h n o l o g y u s i n ga n s y s s o f t w a r e , t h ei n h e r e n tf r e q u e n c i e sa n dt h el i b r a t i n gm o d e l sa r eg o t t e nb a s e d0 1 1t h e m o d ea n a l y z i n gt e c h n o l o g y t h ev i r t u a lm o d e lo fh e r m l em a c h i n i n gc e n t e r c4 0i sp r o v e dt ob es u i t a b l ef o ru s e k e yw o r d s ：v i r t u a lp r o d u c t i o nl i n e ，v i r t u a lm o d e l i n g , h i g h s p e e dm a c h i n e ， m o d ea n a l y z e ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：禹彼 刎年3 户j 2 a , e 1 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：高但 哆年孑月如日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 高速数控加工中心的发展现状及发展趋势 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。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。从高速数控加工中心2 0 世纪8 0 年代诞生至今，已广泛应用于航天 航空、模具、汽车等制造业，而且其应用范围日益扩大，拥有巨大的需求空问。 因此，现代数控加工中心的高速化已成为机床发展的主要方向，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。 同时，用户对金属加工机床的技术要求越来越高，市场对机床生产厂家的 压力也越来越大。机床生产企业必须在尽可能短的时间内为用户提供高质量的 机床，以经济性的价格占领市场。为机床用户提供高质量、经济性的加工设备 是机床生产企业在当前和未来的发展目标，只有通过增加生产能力和提高产品 质量才能达到这一目的。因此，要求数控钻一铣机床和数控加工中心必须能在一 次装夹中完成从粗加工到精加工直到抛光加工的全部加工。五轴数控加工中心 可以在一次装夹中完成工件的全部机械加工工序，满足从粗加工到精加工的全 部加工要求，既适用于单件小批量生产也适用于大批量生产，减少了加工时闻 和生产费用，提高了数控设备的生产能力和经济性。五轴数控加工中心逐渐成 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。 1 1 1 国外高速数控加工中心的发展状况 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、德固、瑞士等的厂商l 二成为世界高速数控加工中心的 # 要提供者。 美国h a a s 公司生产的v f s s 系列超高速式自 l 工中心采用的是3 0 马力矢 1 第1 章绪论 量双驱动电机，独创的1 2 0 0 0 转分同轴直接驱动主轴，能够在1 6 秒内换刀的 超快速侧挂式刀库。另外还配有大螺距滚珠丝杠和大功率无刷伺服电机，快速 移动速度达1 4 0 0 英寸( 3 5 6 米) 分。美国h u r c o 公司生产的1 m 6 采用高刚 性的整体精细铸铁床身，最高转速6 0 0 0 转分的重载模块化主轴，液压驱动刀 架，大容量的2 g b 硬盘驱动器，6 4 m b 随机存储器。 除了生产通用机床，一些公司还开发出适于加工各种不同材料的专用机床。 如瑞士米克朗为加工石磨类材料而生产的h s m3 0 0g r a p h i t e m a s t c r 机床采用人 造大理石床身，保证最佳减振性能和最大稳定性。利用重负荷复合陶瓷轴承支 持高达3 0 0 0 0 转分转数的主轴，h s k4 0 刀柄系统同轴度最好，能准确操作最 小达0 2 m m 直径的刀具。采用长效润滑，主轴头不会滴落任何油滴，这对加工 石磨材料非常重要。机床配置可编程控制的消耗低的油雾润滑系列。 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自动万能铣头，把自动万能铣头应用于数控滑枕铣床 和数控龙门铣床，使机床达到五轴联动，实现多面或者五面加工，从而实现了 一次装夹工件就可以完成多个工序加工的任务，大大提高了机床的自动化水平 和工作效率，具有多面加工和五轴联动功能铣头的铣床在很大程度上扩展了普 通数控铣床的加工范围，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“1 。 1 ，1 2 国内高速数控加工中心的发展状况 我国对高速数控加工中心的研究开发起步较晚，高速切削加工技术的研究 和应用仍处于初级阶段，正在发展和推广中，但是近几年取得了较大的进展。 2 0 0 1 年北京国际机床展览会上，桂林枫床股份有限公司展出了与北京机械 工业学院、北京航空航天大学合作开发的五轴联动数控龙门铣床和配有立卧自 动转换万能铣头的滑枕床身式多面加工中心，该公司的产品是我国首台自主开 发的具有先进自动万能铣头的五轴加工中心，填补了国内空白。 沈阳中捷摇臂钻床厂生产的g m b 系列龙门式数控镗铣加工中心可以将工件 在一次装央后高精度、高效率的连续完成铣、镗、钻、铰、刚性攻丝等多种工 序的加工，还可以根据用户需求对工件进行血面加工。 台湾快捷机械股份有限公司生产的g t v - 9 7 轴采用最先进的内藏式马达 2 第1 章绪论 主轴，提供转速f h 2 0 0 转分至2 4 0 0 0 转分。床身采用单一铸件结构，使用f c - 3 0 0 高级铸铁材质，结合双层箱型设计，结构强固，避震能力佳，确保高速切削时 的稳定性，高刚性的水平三点支撑结构，形成独立的平面空闻，床身本身能确 保加工时的精度，不因地基及机械水平变化而影响精度。 尽管国内各厂商对高速加工中心已经给予较大的关注，这几年，制造工艺 技术制约了制造技术整体水平的发展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。通过在上海举办的几 次国际机床展不难看出，我国的产品只是一些低档数控机床，机床本身结果简 单，精度较低，功能单一，不论从外观，还是对操作者和环境的保护上，都与 国外参展的机床不可同日而语。在中、高档数控机床方面，与国外一些先进产 品与技术发展趋势，更存在较大差距，大部分处于技术跟踪阶段。 为了尽快推进我国高速切削加工技术的发展，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，掌握关键技术，生产高速加工设备，以满 足国内外市场需求，缩短同国外的差距。 1 1 3 高速数控加工中心的发展趋势 在高速的同时，还要力求保持高的加工精度，否则达不到一定精度要求， 高速也就失去了意义。为了保证高速下的高加工精度，人们不断研究各项新技 术，采取各种新措施。如利用现代计算机辅助分析、设计和仿真等方法，大力 改善机床结构的静态、动态和热态特性，同时不断提高数控和伺服系统的性能， 采取诸如前馈控制、超前控制等新型控制策略，采用误差补偿功能等。 高速切削加工时，常使用大量的冷却液。既增加了制造成本，又危害操作 者的健康和污染环境。在环保意识不断增强的今天，高速数控加工中心的干切 削或准干切削越来越受到重视。发展干切削，追求绿色化和产品的“回收再造” 技术，已是当今产品开发、研究和使用时所必须自始至终考虑和重视的一个方 面。 为了提高开发和制造效率，国外企业已应用了模块化和系统化的思想。通 常对定范围的产品，在功能划分的基础上按系列化、标准化的原则，设计出 一组功能独立、结构独立的基本单元模块，而后进行组合而成为多种机床，以 最短的周期和较低的成本生产出满足市场需求的多元化产品。 3 第1 章绪论 总之，随着微电子技术、现代制造技术及计算机控制等技术的发展，各国 都在着力开发和研究高速数控加工中心，以求达到高速、高效、高精度的性能， 同时克服工作空间小、成本高等缺陷。 1 2 虚拟生产线 随着市场的全球化和消费的个性化趋势日益增强，对市场需求的快速响应 能力和降低生产风险的能力已成为企业在激烈多变的市场竞争中生存发展的重 要条件之一。虚拟制造作为实现这一目标的重要手段，引起了国内外研究机构 和企业广泛的研究兴趣。虚拟制造( v m ：v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ) 是利用信息技术、 仿真技术、计算机技术等对真实产品的制造进行动态模拟，使产品的生产过程、 工艺规划、供应调度以及财会、管理等一系列过程在集成、综合的制造环境下 运行。理想的虚拟制造系统是一个十分复杂的系统，其实现必须进行层次化、 模块化分解。一个具体的制造系统由一些工厂、车间、生产线及设备组成，生 产线是现代生产的组成单位。虚拟生产线是构建虚拟制造系统的基础“1 。 为了保证产品快速响应市场，制造系统必须快速响应新产品的需求。制造 系统本身也是一种“产品”，它具有动态性、复杂性等特点。因此，如何迅速 准确地设计再设计( 对已有的制造系统进行重组和参数优化) 制造系统以满足 新产品的需求，是保证响应速度快的竞争策略的一个重要部分。 传统设计往往存在以下的问题：传统设计手段只能专门针对某几个问题作 单方面的分析与设计，不能对系统进行全局考虑；用文字或数字对制造系统进 行表达，不能清楚地表述制造系统的动态特性。抽象的表述很难描述清楚，不 同部门的人员也很难理解，无法形成具体印象；手工计算，图形拼凑，复杂、 耗时长，串行设计过程，一旦出错，从头开始，对设计者的经验依赖性强；对 于车间的一些实际存在的问题( 如故障和维修等概率问题) ，很难确切地得到其对 车间生产率的影响。用数学方法解决的问题往往建立在一定的假设上，单方面 的，没有集成，因此往往带有一定的片面性，与实际问题有差距。 与传统设计方式相比，虚拟环境下的生产线仿真是虚拟制造技术在制造系 统中的应用。是利用计算仿真与虚拟现实技术，在计算机上实现生产线设计， 立体布局、系统参数优化、决策与控制。通过仿真对生产线及其主机的可制造 性、可能存在的问题、系统瓶颈、质量管理、调度和规划等进行综合评估，给 第1 章绪论 人以直觉、逼真的虚拟环境来感受未来生产线的动态规划、布局等。系统可通 过人机交换输入生产纲领，对其生产全过程进行三维动态仿真。 一个虚拟生产线是对生产线上的物理模型及其相互关系的信息描述，包括 与物理生产线相对应的虚拟运输带、虚拟机器人、虚拟c n c 、虚拟测量机等。它 与物理生产线的区别在于它并不消耗真实的物质和能源，它需要输入的是物料 和生产线的信息模型，输出的是加工过程动画及产品信息模型。实现虚拟生产 线所依赖的决定因素之一就是对物理系统的精确表达，包括机床设备的三维虚 拟模型、体素特征和材料特征，及工件的三维虚拟模型等“。 虚拟设备模型表示虚拟环境中执行任务的对象，是真实设备功能特性及其 形状特性的信息体现，包括虚拟控制器和三维几何模型两部分。真实设备的功 能特征确定了虚拟设备的控制属性，形状特征规定了其几何属性。虚拟控制器 作为真实设备控制器的映像，接收来自任务管理模块的设备调度信息和由虚拟 检测模块来的虚拟传感器的反馈信息，对输入信息进行处理、判断，输出决策 控制信号。输出信号送至各种虚拟执行器如马达、阀等，驱动相关的虚拟设备 使位置和姿态发生变化，产生虚拟对象的行为。几何模型是对真实设备几何特 征的描述，表示了虚拟设备形状、位置、方向等属性和运动、操作等行为。采 用虚拟现实技术，生成设备的立体模型及虚拟场景，使用户产生沉浸感。立体 模型精确代表真实设备的几何特征与行为，并接收虚拟控制器数据流，这些数 据实际代表着马达的转角、阀的位移、传送带上对象的运动、以及运动发生和 终止的时间。因而在设备执行一定功能时，在数学函数( 工程数据) 驱动下，产 生虚拟设备和虚拟工件的位置及姿态变化的动画显示，给用户直观展现虚拟生 产线的工作过程，使控制舰律所表达的精确性与虚拟现实所强调的沉浸感结合 起来形成对物理生产线特征的准确理解和直观评价“1 。 利用三维动态模拟可很快地、直观地检查出其运动轨迹、数学模型和干涉 发生的原因，把设计误差降到最低。它可模拟产品初级阶段的试制过程、直观 地检测制造产品的工艺、工艺平面布置设计。特别是三维动态模拟或仿真给管 理决策层以可视、可观新产品的设计制造、生产线的设备布置、物流的几大系 统，使决策的风险大大降低成本降低。 为了得到生产线的最佳配置，保证不出现设备利用率低、产量低、操作人 员空闲多等情况，在生产线设计初期，设计者要根据用户的需求和生产线的功 能，确定生产线的模式，所需的主要加工设备、工装央具、刀具等，制定出一 5 第1 章绪论 套方案。根据这套方案，建立所需加工设备的三维虚拟模型进行虚拟生产线的 初期布置，初步检测布局的合理性。然后，还要根据虚拟生产线上各工位的类 型和所有加工设备的各自性能、特点及操作要求，对布局进行调整，确定所有 设备的精确位置，同时要兼顾操作者的工作空间，以及操作者和在生产线上工 作的其他技术人员的人身安全。对于各个加工设备，也要根据在生产线的位置 和工位要求，在其编制加工程序时，对所选加工余量、刀具的选择、刀具转数 等加工参数进行相当的调整，保证按生产节拍生产，不会因为加工过程成为整 个生产线的瓶颈。最后，对虚拟生产线的动态仿真，可以及时发现整个设计布 局的一些缺陷，解决潜在的瓶颈问题，最终实现生产线的作业要求。在这个设 计过程中，机床设备的三维虚拟模型起到了关键的作用，模型建立的程度和深 度直接影响设计全过程的评估、调整。因此，不论在静态调试过程还是在动态 仿真过程，都对机床设备的三维虚拟建模提出了很高的要求。 1 3 本文研究内容 虽然现在我国制造业在总量上成为仅次于美、日的世界第三大制造国，但 从产业结构看，我国在制造业存在明显的结构缺陷。世界制造业的发展己呈现 出四大趋势：绿色制造、极端制造业、制造业与高新技术广泛融合，以及信息 技术融入传统制造业，而我国却远远落在了后边。我国制造业的长期目标就是 摆脱“世界工厂”的称谓，从制造大国向制造强国转变。提高我国制造业整体 科技水平的战略措施，除了众所周知的提高企业创新能力和设计能力外，提高 企业的加工能力和工艺水平也是至关重要的。目前我国绝大多数制造业企业设 备落后，工艺水平较低，想要追赶上述所提到的四大趋势，首先要改善设备水 平。因此，对高速数控加工机床的需求将大大增加。在增加高速加工机床的同 时，企业的生产线和工艺流程都需要重新配置。在重新配置过程中，虚拟生产 线设计将有很广泛的用武之地。对于企业来说，高速数控加工机床的功能和结 构的知识就成了必不可少的，而且越详细越好。另外，对高速数控加工机床进 行三维虚拟模型也是不可或缺的。 本课题是以德国h e r m l e 公司出品的c4 0 五轴数控高速铣削加工中心为 样机，见图1 1 。德国h e r m l e 公司在五轴高速加工中心的制造领域一直处于世 界领先地位，其生产的各类机床已广泛应用于航天航空、汽车、船舶和模具等 6 第1 章绪论 重要产品生产领域。c4 0 五轴数控高速铣削加工中心为h e r m l e 公司最新设 计，是为了满足加工企业的需求，顺应市场发展的趋势而设计出来的。该机床 既可用于单个工件的小批量加工，又适合于大批量工件的生产。c4 0 五轴数控 高速铣削加工中心可一次装夹完成多道工序加工，减少非加工时间，提高工件 整体加工经济性。选择c4 0 五轴数控高速铣削加工中心为样机，可以让我们直 接了解国际先进的设计理念。 图1 1 南京威孚金宁有限公司现有的两台h e r m l ec4 0 五轴数控高速铣削加工中心 本课题主要是利用c4 0 五轴数控高速铣削加工中心详细说明高速数控加 工机床的结构特点，加深对高速数控加工机床结构和性能的了解和认识，为了 在计算机上设计和布局应用高速数控加工机床的生产线，打下坚实的理论基础。 并以虚拟制造技术为理论依据，建立该机可适用于虚拟生产线设计和布局的三 维虚拟模型，运用有限元方法对c4 0 五轴数控高速铣削加工中心的虚拟模型进 行模态分析。虚拟建模及其模态分析大致分为三个主要阶段，第一阶段详细分 析高速数控加工中心整机和关键部件的结构特点，从理论上分析c4 0 五轴数控 高速铣削加工中心的结构特点及其优势所在，达到了解高速数控加工机床结构 7 第1 章绪论 和性能的目的；第二阶段根据虚拟生产线设计和布局的要求，建立机床零部件 的三维虚拟模型，应用虚拟装配技术，对虚拟样机模型进行装配仿真；第三阶 段是为了对以后的高速数控加工机床的研究工作起一定的参考作用，还对样机 进行模态分析计算，获得机床床身和主轴系统的固有特性。 8 第2 章h e r m l ec4 0 五轴高速铣削加1 二中心结构分析 第2 章h e r m l ec4 0 五轴数控高速铣削加工中心结构分析 近年来，我国对高速切削技术已有了更广泛的重视，应用范围越来越大。 我国现已进口了大批高速加工机床，却由于缺乏理论指导和配套技术，不能充 分发挥其真实加工能力。企业购买高速数控加工机床一般投资很大，必须根据 实际需要和经济效益全局考虑。又由于现在国际国内机床市场竞争越来越激烈， 性能价格比高的产品层出不穷。根据产品开发和加工的需求，选择和购买高速 数控加工机床就更加困难了。因此，对高速数控加工机床进行结构分析，充分 了解其结构特征和性能特性是行之有效的方法。同时，加工设备是生产线的基 础构件，研究加工设备的状态和行为是研究生产线状态和行为的基础，因而在 深入研究加工设备状态和行为的基础上构造设备模型，准确而适当的定义与表 达其特性是此研究的基础。了解高速数控加工机床的结构特征和性能特性，掌 握其加工原理和工作状态，都对于建立机床的三维虚拟模型和设计虚拟生产线 起到指导性、决策性的作用，是不能忽略的。只有这样才能决定提取什么建立 模型，模型提取的程度和深度。所以，分析高速数控加工机床的结构特点是十 分必要的。 2 1 高速数控加工中心的特点 对大多数工件材料而言，高速切削是指高于常规切削速度五倍乃至几十倍 条件下所进行的切削。同时，采用高速切削技术能使整体加工效率提高几倍乃 至几十倍，加工成本相应降低。因此，高速切削加工中的“高速”不仅是一个 技术指标，也是一个经济指标，是一个可获得较大经济利益的高速度的切削加 工。 为了适应高速切削的要求，高速数控加工中心与普通机床有很大的不同。 高速机床必须能够提供高的切削速度和满足高速切削加工带来的一系列功能要 求，主要包括如下几点： a 适合高速运转的主轴单元 高速主轴单元是高速数控加工中心最为核心的部件，是实现高速加工的最 9 第2 章h e r m l ec4 0 五轴高速铣削加工中心结构分析 关键的技术之一，其性能直接决定了机床的加工质量。高转速下主轴零件离心 力作用下产生振动、变形，高速运转时的摩擦发热和大功率内装电机产生的高温 和变形是影响主轴性能的关键因素。高速主轴要有高的同轴度、高的传递力矩 和传动功率、高刚性、良好的热稳定性、抗振性好、高动平衡精度、先进的散 热或冷却装置。主轴部件还要具有极高的角加减速度来保证在极短时间内实现 升降速和在指定位置的准停。 b 高精度的进给系统 高速切削加工过程对进给系统提出了很高的要求，一是为了减少非切削时 间，实现高效加工，必须实现进给的高速度；二是为了保证轮廓切削形状的高 精度和小的加工表面粗糙度，要求进给系统具有良好的快速响应特性，即最大 限度地减少系统跟随误差。1 。因此，现在各机床生产企业都普遍采用直线电机进 给驱动系统，其特点是高进给速度、良好的加减速特性、高精度、快响应、宽 调速范围、低速大转矩等。 c 高速控制系统 为了适应高主轴转数，高进给速度、高加减速度，高速数控加工中心的c n c 控制系统，必须具有高的数据处理和运算速度，保证实现高速插补、程序快速 处理和有效的超前处理能力，提高进给刀具或工件的进给运动轨迹控制精度蚴。 同时，数字主轴控制系统和数字伺服轴驱动系统也应具有超高速响应特征。 d 高效、快速的冷却系统和机床温控系统 高速切削中的热源主要有两个：一是高速切削过程中产生的大量的切削热， 二是切削过程中，主轴电机发热及滚珠丝杠、导轨由于摩擦产生的热。如果不 能使这些热量迅速从切削区域传走，将造成机床、刀具、工件系统的热变形， 严重影响加工精度和机床的机动性。为此，有的公司采用高压喷射装置，将高 压冷却液射向机床的切削部位，进行冷却，清除切削产生的热量；有的公司采 用瀑布方式由机床顶部淋向机床工作台，带走大量热切屑，同时保证工作台清 洁。对于丝杠，有的公司采用在中空的滚珠丝杠中传输冷却液，达到冷却丝杠、 稳定加工的目的m “。 e 高刚性的床体结构 由于高速切削速度大幅度提高，使得产生振动的可能性也增大，这就要使 机床的固有频率远离颤振频率。而在切削过程中产生的热量也可能使床身受热 变形，严重影响, 0 n t 质量。另外，加工时因高加速度或高减速度产生的惯性力 1 0 第2 章h e r m l ec4 0 五轴高速铣削加t 中心结构分析 和不平衡力也会对床身产生影响。基于以上因素和其它未列因素，高速数控加 工中心的床体结构应具有良好的动、静刚度，足够的强度，好的热稳定性和最 佳的阻尼特性。大部分机床都采用高刚性、高抗张性和高热传导性的灰铸铁。 也有一些公司采用高热稳定性、高阻尼的聚合物混凝土直接浇铸。 f 可靠的安全装置和实时监控系统 在高速切削加工中，飞溅的切屑初速度如子弹一样，易造成危险和人身伤 害，而且，如果高速旋转的刀具发生断裂，飞出的碎片能量巨大，非常危险。 为了防止切屑和冷却液的外溅，污染环境和意外伤人，高速数控加工中心普遍 采用全封闭式安全门罩，来保证机床操作者及机床周围现场人员的安全0 1 。除此 之外，为了适应高运转条件下设备与环境的安全性，必须采用主动在线监控系 统包括切削力监测、机床主轴功率监测、刀具磨损与破损监测、主轴轴承监测、 主轴颤抖监测、电器控制系统过程稳定性监测等。 g 方便可靠的换刀装置 刀库和换刀装置要保证高速切削加工下换刀方便、可靠、迅捷、换刀时间 短埘。其中，刀具夹持系统要求具有刚性好、传递转矩大、体积小、动平衡性好、 能承受较高的加减速度和集中应力等特点，同时保证主轴、刀柄、刀具三者在 旋转时有极高的同轴度。 h 合理的切屑处理系统 切屑积存会使热量大量积聚导致机床床身受热变形，影响加工质量，另外， 切屑积存本身就严重影响加工精度。故此，常用的高速机床切屑处理系统主要 有螺旋式、刮板式、铰链式、带式自动排屑器以及抽屉式集屑镇等形式。自动 排屑器可实现无人排屑操作，减轻了操作人员清理和维护机床的工作量。抽屉 式集屑箱可向前方拖出，方便使用，且不占空间。通常机床还装有倾斜不锈钢 导轨防护罩，不积存切屑，易于清理。有的排屑器带有内置切屑过滤器，去除 冷却液中的小切屑颗粒“，。 总之，高速切削加工技术的特殊性，对实现高速切削加工的机床提出了更 高的要求。只有将上述功能要求有机结合和优化处理，并不断改进，才能生产 出高速、高效、高精度的高速数控加工中心。在一定程度上，上述功能要求也 是正确选择和使用高速数控加工中心的衡量标准i ”j 。 同时，高速数控加工机床技术是一门新兴的和正在普及的综合技术，实际 应用中还有许多问题尚待解决，这些问题包括：高速机床的动态、热态特性，高 第2 章h e r m l ec4 0 五轴高速铣削加工中心结构分析 速机床刀具、工装夹具及工艺参数问题，冷却润滑、切屑排除和安全操作，c n c 高速高精度控制系统等问题。如何提高高速加工中心的加工精度、增加其加工 功能、扩大其适用范围，都成为制造技术发展的重要方向。 2 2h e r m l ec4 0 五轴数控高速铣削加工中心的结构分析 2 2 1h e r m l e 公司简介 德国贝托特哈默机械( h e r m l e ) 公司是德国一家专门生产中小型加工中心 的世界著名机床公司，在德国国内和国际上都处于领先地位。h e r m l e 的万能 铣床和加工中心用于工具、模具和系列零件的合理加工。高动态的五轴铣削加 工中心可以减少加工时间和生产费用，减少了非生产加工时间，模块式的设计 方案既适用于单件小批生产也适用于大批量生产。由于它们的质量和高精密度， 使得它们在很多领域被广泛使用，尤其是在一些高要求领域，如医疗器械领域， 光学领域，航空航天，汽车、赛车制造工业。 2 2 2h e r l ec4 0 五轴数控高速铣削加工中心结构特点分析 工件整体加工经济性的一个重要标志是非切削加工的辅助时间少，与机械 加工同时进行的工序操作多，从而减少了总的加工时间。按照合理的顺序进行 的机床操作时间、定位运动的时间和自动化运动的时间等大多数都进行了有效 的优化，归并起来同时进行。模块式的机床自动化配置方案使得操作者在单件 生产、大批量生产时都能很好地控制机床，大大地提高了机床的利用率。机床 的各个模块部件，例如多工件装夹夹具、夹具更换装置、大型回转夹具库和自 动化装置都进一步进行了标准化设计和标准化的配置。h e r m l ec4 0 五轴数 控高速铣削加工中心就是按照上述要求，为适应市场发展而设计的。 五坐标高性能加工中心c4 0 是专门为五轴加工中心动态模拟、完成工件铣 削加工而研制开发的新产品，是h e r m l e 公司新一代c 系列加工机床的代表。 它们不仅可以用于单一工件的小批量生产加工，也适合于进行大批量工件的加 工。c4 0 加工中心是立式五轴加工中心，回转轴是工作台回转轴，设置在床身 上的工作台可以环绕x 轴回转，定义为a 轴，a 轴一般工作范围为+ 3 0 0 至一1 2 0 0 。 第2 章h e r m l ec4 0 五轴高速铣削加t 中心结构分析 工作台的中间还设有一个回转台，环绕z 轴回转，定义为c 轴，c 轴都是3 6 0 0 回转。这样通过a 轴与c 轴的组合，固定在工作台上的工件除了底面之外，其 余的五个面都可以由立式主轴进行加工。a 轴和c 轴最小分度值一般为0 0 0 1 0 ， 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 x y z 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9 0 0 时，工件切削时会对工作台带来很大的承载力矩。 为了适合于完成五轴加工任务，c4 0 五轴数控高速铣削加工中心具有以下 特点； a 高性能高速运转的电主轴单元 在高速加工过程中，不仅要保持极高的转速和极高的快速响应( 极高的加速 度和减速度) ，还要有高的同轴度，高的传递力矩和传动功率，就必须最大限 度地减少旋转部件的转动惯量，采取的措施是去掉电机和执行部件日j 的一切中 间传动环节，就是要采用电主轴结构。电主轴是指主轴电机和主轴部件合二为 一，采用内藏电机式主轴，即采用无外壳电机，并将其空心转子用压配合的形 式直接套装在机床主轴上，带有冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体中。这 样，电机的转子就是机床的主轴，机床主轴单元的壳体就是电机座，从而实现 了变频电机和机床主轴的一体化。电主轴因结构紧凑、重量轻、惯性小、响应 性能好并可避免振动和噪声，是高速加工中心主轴单元的理想结构“。 图2 1w e i s s 2 s p l 电机主轴 1 3 第2 章h e r m l ec4 0 五轴高进铣削加t 中心结构分析 h e r m l ec4 0 五轴数控高速铣削加工中心采用s l e m e n s 公司的w e i s s 2 s p l 电机主轴。2 s p le c o 电机主轴产品系列是一种结构紧凑的标准电机主轴， 可作为皮带传动主轴的替代品，既可用于粗加工，也可用于精加工。w e i s s2 s p l 电机主轴包含有一根电机主轴的所有常规元素，例如刀具接口、刀具夹紧和松 开机构、主轴轴承( 用于消除加工作用力) 、水冷驱动电机、主轴箱以及用于 分度和换刀监控的传感器，其外型如图2 1 所示。w e i s s2 s p l 电机主轴结构紧 凑，可全部安装在主轴箱内，部件数量少，易于安装。同时，w e i s s2 s p l 电机 主轴传动系刚性好，大转矩，高转速，高切削效率，可显著减少非生产时间， 保持极高的生产率。 高速主轴的支撑作为高速主轴单元的核心技术之一，不但要在主轴旋转时 有较高的刚度和承载能力，而且要有较高的使用寿命“1 。w e i s s2 s p l 电机主轴使 用液体静压轴承，具有极佳的回转性能和极低的粗糙度，可承载运转过程中的 轴向力和径向力。轴承罩的油膜具有很大的阻尼，动态刚性高，特别适用于铣 削类的断续切削过程。同时，w e i s s2 s p l 电机主轴使用的是长使用寿命的润滑油 脂，不需要再添加油脂。电主轴上还装有带碰撞检测的碰撞保护系统，这是 h e r m l e 公司的专利技术。 b 直线电机高速进给单元和引导装置 高速机床在高速加工过程中，主轴转速的提高，要求机床进给速度和加、 减速度也必须大幅度提高，以保证工件或刀具的进给量基本不变，否则将严重 影响加工工件的表面质量和刀具寿命。为此，高速机床进给驱动系统在设计时 摒弃了传统的“旋转伺服电机+ 普通滚珠丝杠”的进给传动方式，采取的主要 的措施，一是大幅度减轻进给移动部件的重量，取消了旋转电机、滚珠丝杠副 等到工作台之问的一切中间环节，将机床进给传动链的长度缩短为零，在结构 上实现“零传动”，即采用直线电机驱动：二是采用多头螺纹行星滚柱丝杠代 替常规的钢球式滚珠丝杠以及采用无| 日j 隙直线滚动导轨，实现进给部件的高速 移动和快速准确定位；三是采用快速反应的伺服驱动c n c 控制系统。1 。 直线电机是指可以直接产生直线运动的电动机，其工作原理与旋转电机没 有本质的区别，即可视为旋转电机沿园周方向拉开展平的产物，如图2 2 所示。 对应于旋转电机的定子部分称为直线电机的初级。对应于旋转电机的转子部分 称为直线电机的次级。当多相交变电流通入多相对称绕组时，就会在直线电动 机初级和次级之间的气隙中产生一个行波磁场，从而使初级和次级之问相对移 1 4 第2 章h e r m l ec4 0 五轴高速铣削加1 ：中心结构分析 动。为了减少发热量和降低成本，高速加工中心用直线电机一般采用短次级、 短初级结构，如图2 3 所示。1 。 衙睁 浅缓磺 飞罾燃医冠 匹! ! ! 舅富三三j 图2 41 f n 直线电机结构图 初级部件次级部件线性位置测鼍系统导轨系统动力拖链 h e r m l ec4 0 五轴数控高速铣削加工中心采用的是s i e m e n s 生产的1 f n 直线电机进给单元，直线电机的初级部分直接安装在可高速运转并具有较高轨 1 5 第2 章h e r m l e c 4 0 五轴高速铣削加t 中心结构分析 道精度的导轨上，如图2 4 所示，其具有以下特点：1 ) 由于没有滚珠丝杠等中 间环节的干扰消耗，空行程时最高的进给速度可达6 0 m m i n 。2 ) 具有较短的对 位定位时间，在动力系统中加、减速度达6 m s - 1 0 m s 。3 ) 带有线性位置测量 系统，又没有中间机械传递元件的导程误差、传动误差等，进给单元精度很高， 达到亚微米级，可持续保持很高的运动精度和位置精度。同时可以获得比传统 进给系统更高的传动效率。4 ) 结构简单，只实现直线运动，仅在导轨处有磨损， 基本无机械磨损，维护简单，无需定期维护。 作为引导装置，在三个轴向都装配有无间隙直线滚动导轨以保证稳定的动 态性能。y 型滑块带着滑动托架装配在三根交错的导轨上。滑块按良好的比率在 一根导轨上装配三个，驱动单元只驱动中日j 的滑块，另外两个滑块保证滑动时 动态性能的稳定。在导轨旁边是滚珠丝杠和位置检测装置。滚珠丝杠按伺服系 统的要求带有预紧力，同时采用中空润滑方式，无需定期维护。 c 快速响应的高速、高性能数控系统 为了保证高速加工过程中的快速反映能力和零件加工的高精度，高速加工 中心必须具有一个高性能的数控系统。数控系统必须要有足够的容量和较大的 缓冲内存，以保证大容量的加工程序高速运行，能够迅速、准确地处理和控制 信息流，把加工误差控制在最小，同时保证控制执行机构运行平滑、机械冲击 小。由于现在市场飞速发展，就要求不断提高控制系统的集成度、速度和精度， 同时价钱更低，供货时间更短。所以，标准的数控系统只需要有很少的部件， 供机床制造商在这些部件中添加其特有的编程技术。【l ” 为了适应市场需求，h e r m l ec4 0 五轴数控高速铣削加工中心采用的是 s m m e n s 公司开发的s u m e r l k8 4 0d 数字控制系统。这个数字控制系统是 为高级铣削过程所设计的，具有优于其它系统的动态品质和控制精度，无论是 在普通生产加工还是高速加工过程中的工具生产或模型制造，都适用。由于 s i n u m e r i k8 4 0d 数字控制系统是一个开放的系统，f i e r m l e 公司可以在系统 中集成其特有的专有知识，根据不同的应用需求构成不同的系统。 对于最复杂、最精确的应用，如用于加工刀具及模具的五轴铣削加工中心 的制造，系统将r t c p ( 旋转刀具中心点) 和三维刀具轴向偏置中的几何数掘和 工艺数据分开，简化了加工过程。另外，系统通过采用自适应控制，可以优化 主轴动力的利用，避免过载，保护工件，缩短加工时间并改进表面加工质量而 无需任何附加硬件。 1 6 第2 章h e r m l ec4 0 五轴高速铣削加t 中心结构分析 s i n u m e r i k8 4 0d 数字控制系统装配有大屏幕的t f t 彩色屏幕，有友好的 操作界面，这些保证用户方便操作。用户可以直接对工艺周期和轮廓加工进行 编程，系统为用户提供了许多不同的插补方法，如直线、圆弧、样条、多项式 和螺旋插补。然后在一个图形动态加工仿真模块中检查结果，利用系统自带的 一个功能强大的图形处理器，随时随地修改已完成的程序。 数控系统中的样条插补、预处理和f r a m e 功能( 描述在笛卡儿坐标系空问 的自由度) 以及将线性块转变为样条的集成压缩器使s i n u m e r i k8 4 0d 数字控 制系统比同类系统运行速度更快。因此，在大多数情况下，s i n u m e r i k8 4 0d 数字控制系统可以将加工时日j 缩短一半，将产量提高一倍，同时又保证了加工 质量。 s i n u m e r i k 8 4 0 d 数字控制系统的另外两个特色，一是e m e s s e n g e r 模块。 e m e s s e n g e r 模块可以让机床发送电子邮件和短信给预先设定的收件人。这增加了 机床的功能，还可以在发生故障时，减少传递信息可能出现的干扰。同时，保 证出现错误信息时，可以按照预先设计的机床停机步骤执行。数控系统还可以 通过以太网把机床连接到电脑或工作站。二是远程诊断。远程诊断帮助操作者 快速响应调试和实际加工过程中出现的错误，对这些错误可立即分析处理，可 缩短停机时间和提高机床的实用性。 d 高效的冷却润滑系统 在高速切削加工过程中，由于单位时日j 内产生大量的热量，必须设法尽快 散热，主要包括高速旋转支撑部件所产生的热量和切削区域产生的热量。因此， 高性能的冷却系统是高速加工中心所必须采用的措施“1 。 在切削区域，产生的大量热切屑必须尽快从工作台上清除，以免妨碍高速 切削加工的正常进行，避免产生机床、刀具和工件的热变形，影响加工精度和 机床的使用。h e r m l ec4 0 五轴数控高速铣削加工中心采用喷射装置，容量约 为3 5 0