（机械制造及其自动化专业论文）石材异型制品复合加工技术与设备研究.pdf

摘要 摘要 随着石材加工业的发展，复合加工技术运用已经成为提高加工效率的一个重 要措施。国外多功能复合加工中心价格昂贵，难以推广，国内多功能复合加工中 心的研发至今仍是空白，因此开发、推广适合国情的有自主知识产权的多功能复 合加工中心，已成为我国石材业提高质量、增强竞争力的关键。石材异型制品复 合加工技术在具体设备上已经有所体现，但是缺乏一个体系化的理论体系，而且 对复合加工设备尚无进行系统研究。随着人们对石材异型制品要求的提高，对设 备的力学性能提出了更加严格的要求，使设备具有良好的动静念特性已经成为整 个研发过程中的一个重点和难点。 通过对石材异型制品加工工艺系统研究，把复合加工技术理论分为工艺复合、 运动功能复合以及加工工具复合三大类，建立了复合加工设备的加工运动学图谱， 为石材异型制品高效复合加工中心的研发奠定了理论基础。通过分析多种同类复 合加工中心的原理、功能、结构，在充分考虑了目前市场上石材异型制品的特点、 加工工艺以及用户对设备的需求下，最终提出了一种集铣、磨、钻、抛光、锯加 工工艺于一身的高效复合加工中心方案。运用模块化设计技术对设备方案进行了 规划，运用s o l i d w o r k s 三维软件初步建立了三维模型。 对高效复合加工中心功能部件的动态特性研究中的模态分析理论进行了数学 建模研究，掌握了其基本数学原理，测试研究了国外类似设备的模态特性，掌握 了其动态性能方面的一些关键技术。充分运用了c a d c a e 集成技术，在 s o l i d w o r k s 软件中为高效复合加工中心各功能部件建立了多个结构方案的简化 c a d 模型，输出到a n s y s 软件中进行了动静态性能仿真计算，对结果进行了分 析对比，选出了重量合理和动静态性能参数比较满意的设计方案。为了能给功能 部件的性能修改和优化提供有效参考依据，减小各部件力学性能修改的盲目性， 对各部件进行了动静态性能灵敏度分析，找出了对高效复合加工中心功能部件的 动静态影响最大的关键部位。基于研究成果，对各功能部件的设计方案进行了完 善，最后得到了较为满意的高效复合j n - r 中心整机结构设计方案，与企业合作进 行了制造。 高效复合加工中心成功研发标志着我国从此打破石材加工中心只能靠进口的 局面，同时高效复合加工中心的整个设计研发过程对其它设备研发也具有很好的 参考价值。 山东省自然科学基金资助项目( z 2 0 0 7 f 0 7 ) 、山东省科技发展计划资助项目 ( 2 0 0 7 g g l0 0 0 4 0 0 8 ) 。 v 山东大学硕十学位论文 关键词石材；复合加工；设备；有限元；性能 v l a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs t o n em a c h i n i n gi n d u s t r y t h eu s eo f c o m b i n e dm a c h i n i n g t e c h n o l o g yh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tm e a s u r eo fi m p r o v i n gt h em a c h i n i n ge f f i c i e n c y f o r e i g nm u l t i f u n c t i o n a lc o m b i n e dm a c h i n ec e n t e ri sv e r ye x p e n s i v e ，a n dd i f f i c u l tt o p r o m o t i o n t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to nm u l t i - f u n c t i o n a lc o m b i n e dm a c h i n ec e n t e r i ss t i l lb l a n ki nc h i n a d e v e l o p m e n ta n dp r o m o t i o nm u l t i f u n c t i o n a lc o m b i n e dm a c h i n e c e n t e r sw h i c hi sf i tf o r0 1 1 1 o w nc o n d i t i o n sa n dh a v i n gi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t y h a v eb e c o m et h ek e yo ni m p r o v i n gq u a l i t ya n de n h a n c i n gt h ec o m p e t i t i v e n e s so f c h i n a ss t o n ei n d u s t r y c o m b i n e dm a c h i n i n gt e c h n o l o g yo np r o f i l e ds u r f a c es t o n e sh a s b e e nr e f l e c t e di naf e ws p e c i f i cm a c h i n e s ，b u tl a c ko fas y s t e m a t i ct h e o r ys y s t e m ，a n d c o m b i n e dm a c h i n i n g e q u i p m e n ti sa l s ol a c k i n go fs y s t e m a t i cs t u d y a sp e o p l ei m p r o v e t h er e q u i r e m e n t st ot h ep r o f i l e ds u r f a c es t o n e s t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h e e q u i p m e n tn e e dm o r es t r i n g e n tr e q u i r e m e n t st o o n l ee q u i p m e n tw i t hag o o dd y n a m i c a n ds t a t i cc h a r a c t e r i s t i ch a sb e c o m eo n eo fe m p h a s e sa n dd i f f i c u l t i e si nt h ee n t i r e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t s y s t e m a t i cr e s e a r c h e dt h em a c h i n i n gc r a f to np r o f i l e ds u r f a c es t o n e s t h et h e o r yo f c o m b i n e dm a c h i n i n gt e c h n o l o g yw a sd i v i d e di n t ot h r e ec a t e g o r i e s ：t h e r ea r ec r a f t c o m b i n a t i o na n dm o v e m e n tc o m b i n a t i o na n dt o o lc o m b i n a t i o n f o u n d e dm a c h i n i n g k i n e m a t i c ss p e c t r u mf o rc o m b i n e dm a c h i n i n ge q u i p m e n t , a n de s t a b l i s h e dag o o d t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fc o m b i n e dm a c h i n ec e n t e ro f p r o f i l e ds u r f a c es t o n e s a n a l y z e dav a r i e t yo fs i m i l a re q u i p m e n t s p r i n c i p l e sa n d f u n c t i o n sa n ds t r u c t u r e s ，t o o kf u l ia c c o u n to fc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r o f i l e ds u r f a c e s t o n e sw h i c ha r e s o l di nt h em a r k e ta n dm a c h i n i n gc r a f ta n dt h ec u s t o m e r s r e q u i r e m e n t s ，a tl a s tg o tak i n do fh i g h - e f f i c i e n c yc o m b i n e d m a c h i n ec e n t e rs c h e m et h a t p o s s e s s e so fm a n yc r a f t ss u c ha sm i l l i n g ，g r i n d i n g ，d r i l l i n g ，p o l i s h i n ga n ds a w i n g m a c h i n i n g m o d u l a rt e c h n o l o g yw a su s e dt op l a nt h ee q u i p m e n ts c h e m e ，u s e d s o l i d w o r k st h r e e d i m e n s i o n a ls o f t w a r et of o u n di n i t i a lt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l s d i dm a t h e m a t i c a l m o d e l i n gs t u d y t om o d a l a n a l y s i st h e o r yo nd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i cf o r t h ef u n c t i o n a lp a n so ft h eh i g h e f f i c i e n c yc o m b i n e dm a c h i n ec e n t e r , m a s t e r e dt h eb a s i cp r i n c i p l eo fm a t h e m a t i c s t e s t e dm o d a lc h a r a c t e r i s t i c sf o ras i m i l a r e q u i p m e n tw h i c hm a d ei nf o r e i g nc o u n t r y , m a s t e r e ds o m ek e yt e c h n o l o g i e si ni t s d y n a m i cp e r f o r m a n c e f u l lu s e do fc a d c a ei n t e g r a t i o nt e c h n o l o g y e s t a b l i s h e da n u m b e ro fs i m p l i f i e dm o d e l sf o rt h ef u n c t i o n a l p a r t so fh i g h 。e f f i c i e n c yc o m b i n e d m a c h i n ec e n t e ri ns o l i d w o r k ss o f t w a r e 。a n d i n p u ti n t oa n s y ss o f t w a r et od o s i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n ，a n a l y z e da n dc o m p a r e dt h er e s u l t s ，s e l e c t e dt h ed e s i g ns c h e m e w h i c hh a sr e a s o n a b l ew e i g h t ，g o o ds t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e i no r d e rt op r o v i d e v n 山东大学硕十学何论文 e f f e c t i v er e f e r e n c e si nm o d i f y i n ga n do p t i m i z i n gt h ep e r f o r m a n c et ot h ef u n c t i o n a lp a r t s ， a n dr e d u c et h eb l i n d n e s si na m e n d i n gt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，d i ds e n s i t i v i t ya n a l y s i s i nt h es t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c et ot h ep a r t s ，i d e n t i f i e dt h eb i g g e s tk e yc o m p o n e n t b a s e do nr e s e a r c hr e s u l t s ，i m p r o v e dt h ed e s i g ns c h e m ef o rt h ee a c hf u n c t i o n a lp a r t a t l a s t ，ar e l a t i v e l ys a t i s f i e de q u i p m e n ts t r u c t u r ed e s i g ns c h e m ew a sg o t a n dc o o p e r a t e d 、7 l ，i t l la l le n t e r p r i s et om a n u f a c t u r e s u c c e s s f u lr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e do fh i g h e f f i c i e n c yc o m b i n e dm a c h i n ec e n t e r m e a n st h a tc h i n ah a sb r o k e nt h es i t u a t i o nt h a ts t o n em a c h i n ec e n t e ro n l yr e l yo n i m p o r t i n g t h ep r o c e s so fr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti nh i g h e f f i c i e n c yc o m b i n e d m a c h i n ec e n t e ra l s oh a sag o o dv a l u et ot h eo t h e re q u i p m e n t s t h ep a p e ri s s u p p o r t e db yn a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fs h a n d o n gp r o v i n c e ( z 2 0 0 7 f 0 7 ) ，s c i e n c ea n db yt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tp l a n n i n go fs h a n d o n gp r o v i n c e ( 2 0 0 7 g g l0 0 0 4 0 0 8 ) k e yw o r d ss t o n e ；c o m b i n e dm a c h i n i n g ；m a c h i n e ；f i n i t ee l e m e n t ；p e r f o r m a n c e v i i i 原创t l 生声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 墓盎 日期：丕堕：；丝 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：二选导师签名：荔筮塑丝全日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究目的和意义 我国石材行业的生产与应用发展迅猛，石材以其天然华贵、典雅大方的饰面 效果在建筑装饰、生活用具、艺术制品等方面得到广泛应用，同时其优异的耐酸、 碱，耐磨和热稳定性能，使其在精密机械、化工等领域应用越来越大，并成为创 汇主角。2 0 0 7 年石材行业规模以上企业实现石材总值超过8 0 0 亿元，实现出口超 过4 0 亿美元，我国已成为石材加工和出口大国，已经成为国际石材市场中不可或 缺的重要力量【l l 依据目前的趋势，在不久的将来，世界石材的生产与贸易中心将 会从欧洲转到我国。 国家石材开采与加工业的持续发展带动了石材设备制造业的兴旺。近年来， 我国石材设备制造业已初具规模，各种用途的石材设备应运而生【2 j 。全球经济一体 化的趋势为我国的石材设备制造业的发展创造了机遇，但同时，我国石材机械制 造行业也面临着严峻的挑战。我国石材加工技术和生产设备档次较低，质量要求 较高的石材异型制品只能依靠进口或采用进口成套设备加工而成，石材行业的成 本在持续增加，主要体现在劳动力成本的提高，运输成本的加大，燃料等能源长 期处于高价位、海运价格涨声不断、石材销售环节的场地租金锐涨，资源的逐年 匮乏，我国已经开始限制“两高一资 即“资源型、高能耗、高污染 产品的出 口，有数据显示原来保留出口退税的石材制品其出口退税率由1 3 降为了5 ，这 些因素都限制着我国石材行业的发展。 我国石材设备的种类繁多、各具特色，但是目前大多数石材加工设备功能比 较单一，虽然功能单一的设备针对某种加工而言效率比较高，但是相对于整个加 工流程而言，增加了由于工序、工艺的转换而引起的待工以及多次上下料等额外 的加工准备时间，影响了整体) j n t 效率。当今，加工设备发展呈现明显的高速、 高效、复合、智能化的趋势，尤其是复合加工技术更是成为提高效率的主要措施。 随着石材加工业的发展，多功能复合加工设备已经成为了必需。用复合加工设备 进行加工，工件一次装卡可完成不同形状、要求的全部加工，消除了装卡误差， 减少了工件搬运和等待时间。国外多功能复合加工中心约1 5 - - 2 5 万欧元，难以推 广，有自主知识产权的多功能石材复合加工中心在国内至今仍是空白，因此开发、 推广适合国情的多功能复合加工中心，已成为石材业提高质量、增强竞争力的关 键。同时，石材制品复合加工技术缺乏一个系统化理论研究体系，尚无对石材复 合加工技术及设备进行系统化、体系化研究。本课题立足于石材异型制品的加工 工艺和加工运动学研究，探讨石材异型制品的复合加工技术，消化吸收国内外先 山东火学硕+ 学1 1 7 ：论文 进加工设备的关键技术，结合复合加工技术研究成果，运用创新设计法，研发出 功能齐全、性能参数先进的石材异型制品高效复合加工中心。 1 2 复合加工技术研究发展现状 采用复合加工技术进行加工能消除或显著减少辅助时间，既能显著提高加工 效率，又能兼顾保证加工精度、加工表面质量及工具损耗等，具有常规加工技术 无法比拟的优点。复合加工技术已经成为推动设备结构和加工工艺发展的一个新 热点。复合加工理论及技术在机械制造领域已有一定的研究，机械一机械、机械 一电、机械一电一化学、机械一光等【4 9 l 复合加工技术及各种复合加工工具已经在 研究和应用方面有所体现，并且取得了理想的效果。 在机械行业中加工设备统称机床，多功能数控复合加工机床简称复合机床， 或称为多功能加工或完全加工机床，是以现代柔性自动化机床为基础，以“集中 工序、一次装央实现多工序复合加工 的理念为指导发展起来的新一类数控机床， 其含义是在l 台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的全部加工。工件一次装 夹，通过对加工工具的自动更换，便能自动地按数控程序依次进行同一工艺方法 中的多个工序或不同工艺方法中的多种工序的加工。复合机床可以减少在不同数 控机床间进行工序的转换而引起的待工以及多次上下料等时间，通常这些时间占 零件整个生产周期的4 0 一6 0 ，即使在信息管理较良好的情况下，仍将占2 0 左右 f 1 0 1 ，因此，复合机床具有明显的技术效果，其最根本的目的就是为了以“高速、 高效、高质、高柔性化 的方式来制造产品【1 1 1 。 从2 0 世纪7 0 年代以来，出现了以旋转加工工具作主切削运动的、主要用于镗 铣加工的加工中心，和以工件旋转作主运动的、主要用于车铣加工的车削中心， 这两类多功能数控机床在推进数控机床的工序集中上发挥了重要的作用。但对于 较复杂的零件，它们的功能范围尚不足以完成从毛坯至成品的全部工序或工艺加 工，因而还不能充分提高在单件和中小批量生产条件下的生产效率，且由于工件 在多台机床间的转移增加了安装误差，也不利于保证加工精度。企业如何能够更 及时有效地应对市场的变化，同时又能高速、高质量地生产出用户所需的产品， 并且尽可能扩大自己的生产范围，这是一个值得深入思考的问题。加快复合机床 的发展步伐，提高工序的集中度，使加工过程链集约化，提高多品种单件和中小 批量加工的工效，已经成为制造业的发展趋势之一，这不但可以缩短加工时间， 提高加工精度，而且缩短生产周期，最终提高整体生产效率。 为了能进一步提高复合机床的工效，通过对工艺和工序的优化( 如合并、简化 加工过程) 、加工工具结构的改进( 如采用组合加工工具、专门加工工具等) 来减少 工艺、工序及所需工具的数量，这样可进一步缩短加工周期；现代加工机床又采 2 第1 章绪论 曼曼曼曼曼曼皇曼詈曼皇曼曼曼量曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼皇舅曼曼曼舅曼皇曼_ 一 a _ t 曼i 曼 用了多主轴、多面体切削，可同时对一个零件的不同部位进行不同方式的加工， 如各类五面体加工中心。另外，现代数控系统的控制轴数不断增加，有的多达1 5 轴，其同时联动的数控轴已达6 轴【1 2 1 。通过机床结构和配置的创新( 如多轴的主轴 头、多刀位的转塔式刀架和砂轮头架等) ，增加机床的灵活度、加工工具的储备量 和自动提供( 更换) 加工工具的能力，从而提高机床复合加工的能力，使更多的零 件、更多的工艺和工序都能在一台机床上一次装夹后加工完成。为了提高复合机 床的生产效率，除了在刀库中放置足够的加工工具，通过集中管理缩短比较麻烦 的安装时间外，各加工工具厂商已研发了复合机床用的各种复合加工工具来提高 生产效率【1 3 】。电主轴的出现，也促进了复合机床的发展。 目前，世界上越来越多的复杂零件采用复合机床进行综合加工，复合机床已 成为未来机床发展的一个重要方向。复合机床的发展主要体现在以下几个方向 【1 4 15 】 ( 1 ) 以车削为基础的复合机床这类机床在卧式车削中心和立式车削中心的 基础上集成了铣削、钻削和攻丝、镗削、磨削以及滚齿和插齿等工艺方法，成为 卧式或立式车铣复合机床。 ( 2 ) 以铣削为基础的复合机床这类机床在卧式加工中心和立式加工中心的 基础上集成了车削、钻削和攻丝、镗削、磨削以及滚齿和插齿等工艺方法成为卧 式或立式铣车复合机床。 ( 3 ) 其他复合加工机床除以上两类较流行的复合机床外，还有许多其他类型 的复合加工机床。以磨削为基础的和磨头回转式( 或可换式) 复合机床，其他还有 将激光加工、冲压、热处理等各种工艺组合而成的复合机床。 未来的复合机床还将结合数控技术、软件技术、信息技术、可靠性技术的发 展，向部件简约化、结构紧凑化、配置模块化和部件商品化方向发展。复合机床 的性能也会根据用户的加工要求多样化，有为适合于多品种、单件和小批量生产 条件的全功能性复合机床，也有为适合于提高生产效率、较大批量生产条件的专 用的功能适宜的复合机床。 机械行业复合机床发展迅速，带动着其他行业加工设备也往复合化方向发展。 石材加工行业是一个比较特殊的行业，但是石材行业的一些加工设备也已经逐步 体现出复合趋势，加工设备开始追求多功能、高柔性、高效率。但是我国石材行 业发展缓慢，目前尚没有针对石材行业的复合加工技术研究，石材加工设备的研 发仍停留在模仿国外先进设备的层次上，这对整个行业的发展是很不利的。只有 脱离国外技术束缚，吸取国内外一切技术的长处，走自主创新的道路，才能给石 材行业的发展带来蓬勃生机。 如何以“高速、高效、高质、高柔性 的方式来生产石材制品，提高设备自 山尔人学硕十学位论文 动化程度、提高设备性能、缩短加工准备时间等起到非常关键作用。尽可能地在 一台高性能、高自动化的设备上，在一次装夹后，通过自动更换加工工具，进行 多个工序、多种工艺的加工，将大大减少因在不同设备问进行工序、工艺的转换 而引起的待工以及多次上下料等加工准备时间，其依托的设备正是同益受宠的高 性能复合加工设备。在一次装夹中对制品进行多工序、多工艺的集中加工，是当 前提高加工效率的有效途径。复合加工技术不仅对加工设备有复合要求，对加工 工具也同样有复合要求，如果一把加工工具能尽可能多地完成工件加工内容，减 少换刀次数，不仅可以节省换刀时间，提高加工效率，而且减少工具的数量和库 存量，有利于管理和降低制造成本。如在批量生产线上，针对工艺需要开发的复 合加工工具，可以提高加工效率和精度，减少投资，有的复合加工工具可将工件 的加工时间降至原来的十分之一以下，效果十分显著。 目前国外一些石材设备制造企业已经生产了复合加工设备，也就是人们常说 的加工中心。图1 1 所示为b r e t o n 公司生产的n c 3 9 9 型复合加工中心，图1 2 所示为o m a g 公司生产的m i l l 9 8 型复合加工中心，只要仔细研究一下它们的技 术特点，就会发现它们的功能比较强大，就像一条小型生产线。但是这些设备设 计理念都局限在功能开发上，并没有真正引入复合这个概念来进行设备的开发。 综合上述，复合加工理念适应石材制品生产的特点，所以将复合加工技术引 入到石材行业，将对整个石材行业带来巨大影响，将给石材行业丌创一个全新的 研究方向。利用高性能复合加工设备进行石材制品的加工，可提高二 r 的集t i 一度， 使n - r 过程链集约化，这不但可以缩短加工时问，从而能够缩短整个生j ：剧期， 并且可以提高设备的加工柔性，扩大设备的应用面，提高加工质量，延长设备、 加工工具的使用寿命，这些都是石材加工业所急需的。 4 图1 1b r e t o n 公司生产的n c 3 9 9 孤4 复合加i ：中心 第1 章绪论 图卜2o m a g 公司生产的m i l l 9 8 型复合加： 中，i i , 1 3 机械结构动态特性研究发展综述 目前国内外设备在机械结构方面设计的比较盛行的方法是： ( 1 ) 在计算机软件平台上，通过运用c a d 三维设计软件对设备整机及结构零 部件进行三维实体造型。 ( 2 ) 对三维实体模型进行适当的合理简化，建立设备部件的结构有限元模型。 ( 3 ) 利用零部件的有限元模型和研究分析得到的设备结合面参数建立起合理 的整机结构有限元模型，利用分析软件对零部件与整机模型的动、静态特性进行 分析。 ( 4 ) 根据分析结果，指导整机和零部件的结构动态修改和优化。 ( 5 ) 利用主动或被动阻尼控制装置实现在某些激励下设备结构的减振设计， 以达到提高设备加工精度和加工稳定性的目的。 ( 6 ) 运用c a d 技术绘制优化后的设备整机和部件的结构设计图，进行样机生 产，并对生产的样机进行试验分析，来检验整个设计的正确性，如发现问题及时 修改，最后定型生产。 其中在整个设计过程中设备结构的动态特性分析显得尤为重要，其所包含的 研究内容比较丰富，是整个研究的重点和难点。设备结构是由许多零部件组成， 而零部件之间的连接方式也有很多种，如螺栓紧固连接、平面导轨和滚动导轨的 滑动连接以及转子支撑连接等等。由于计算机硬件条件限制，应用有限元法建立 准确的设备结构有限元模型，使之符合实际工程建模精度要求，是一个非常复杂 的问题【l6 | 。为保证大型复杂设备结构具有足够的建模精度，通常需要进行大量的 试验，利用试验结果修改有限元模型，也就是所谓的“动力学模型修改问题”， 至今仍没有得到广泛认同的方法来解决【1 7 】。 1 3 1 机械结构动态性能分析研究发展现状 目前，对机械结构动态性能的研究主要有三种基本方法，即理论分析方法、 山东人学硕十学何论文 试验分析方法和二者相结合的方法。 ( 1 ) 理论分析法是根据设计图纸建立起模拟设备结构动力特性的动力学模型， 然后转化为对该动力学模型的动力分析，不仅可以获得该设备各种模拟的动力特 性和动力分析所需的数据资料，还可以获得表示该设备结构偏离最优设计到何种 程度的指标，以及应对哪些部件进行改进、如何改进等具体指示，可以预估改进 设计后设备的动态特性。所以，理论分析的方法可以在设计改进具体实施之前， 对各种可行方案进行比较，利用计算机反复进行设计修改，从而可经济地达到优 化设计的目标。其理论建模的方法是指由设计图纸出发，做出必要的假定和简化 后，根据力学原理建模。在设备结构的动力分析与动态设计中，最常见的理论建 模方法有三种，即集中参数法、分布质量梁法和有限元计算法。其中最常用、最 有效的建模方法是有限元计算法。 集中参数法和分布质量梁法计算机械结构动态特性固然有简单、花费少和能 使用微型计算机进行计算的优点，但由于是用简单模型置换复杂结构，自然会出 现对复杂结构的模拟精度较低的问题。为提高分析精度，应使用更接近实际结构 的模型来进行设备结构的动特性计算。经过众多学者的努力，有限元建模方法已 成为当今建模方法的主流。用有限元计算法| 1 8 - 2 2 1 建立设备动力学模型在微机的虚 拟环境下上对设备结构作动态特性分析，优点是无需制造样机，极大程度的降低 了动态特性分析成本，缺点是由于理论计算结果与实际情况的误差，无法保证动 态特性分析结果与实际情况的一致性，特别是在对整机进行动态特性分析时，对 各个结合部的参数结合面的接触刚度是机床结构整体刚度的重要组成部分，有文 献认为，机床中的结合面接触刚度约占整个设备总刚度的6 0 8 0 ，对于不同的 设备，这一比例也不相同，而结合部参数的识别问题是目前动力学研究领域中的 一个重要而困难的问题，因而也无法正确获得而影响到整机分析的结果，而且由 于设备结构是在多变的动态条件下工作的，不确定的因素很多，要建立确切模拟 设备结构的理论模型绝非易事，建模质量与建模人员的水平、经验等密切相关， 而且很突出问题是计算机容量和计算工作量之间的矛盾，现已证实，计算机容量 和机时随分析结构的自由度数成3 次方增长t 2 3 1 。 多年来，国内外许多学者对设备结构的理论建模进行了研究1 2 4 之6 j 。实践表明， 要理论建模准确模拟机械结构的动态特性，还需要作大量的工作。如有限元模型 的简化，边界条件的处理，结合面参数的识别等。因此理论方法的不足是获取能 确切模拟设备结构动力特性的动力学模型非常困难，存在着一些难以确定的因素， 如结构的简化，结合部特征、物理常数选择误差以及边界条件的处理等，严重影 响了所建动力学模型的模拟精度，所以计算结果只能是一个近似值。因此，大多 数数学模拟的结构，在试制阶段常做全尺寸样机的动力试验，以验证计算结果的 6 第1 章绪论 可靠度和补充理论计算上的不足。目前复杂的机械结构系统的动态设计常用的方 法是采用人一机交互的方式，对结构系统进行建模和特性分析，根据设计者的要 求进行结构的动力学修改，然后在计算机上进行再分析，多次反复，直到所设计 的结构动态性满足要求。 ( 2 ) 试验分析法先要根据已有的知识和经验，在老产品的基础上试制出一台 新的样机( 或模型) ，再对样机作全面的测试与分析，识别出系统的模态参数，建 立数学模型，进而获得系统的较为准确动念特性。试验方法也有其不足之处，其 缺点是需要有测试样机，优化时还需进行样机改造并再次进行试验验证，成本高， 周期长，而且“艺术性 太强，尽管模态分析理论是完善的，但做好一个复杂结 构的模念分析在很大程度上决定于工程师的经验和技巧，如激振方式的选择、拟 合方法的选择、工程师对被辨识系统的先验知识等；而且容易在试验过程中产生 如测量误差、数据处理误差和被识结构或模型的误差等；试验中所依据的数学模 型与被试验结构的动力学状态不一致，最明显的一个例子是非线性问题依线性模 型来处理试验数据。 ( 3 ) 理论与试验分析综合法【2 4 - 3 l 】是将试验测试和理论计算结合，相互取长补 短，即发挥了理论分析的指导作用，又充分利用了试验测试的可操作性，是目前 最为广泛应用的方法。具体步骤是通过对现有样机进行试验动态特性分析以验证 理论计算的结果，再通过理论计算的方法进行结构动态优化，可无需制造新样机 和重复试验，便能获得较为准确的优化后机床动态特性。该方法的应用，既降低 了分析成本，分析精度又得到了保障。在应用理论与试验分析综合法进行设备动 态性能分析研究中，国内外研究者多采用动态子结构法( 又称子结构综合法) 对 设备进行理论动态性能分析，运用模型仿真和动态优化，以达到预期目标函数的 要求，其具体步骤为将复杂的机床结构按结构加工装配过程中各子结构的组合情 况分解为若干个简单的子结构，再根据各子结构间的结合方式确定刚度和阻尼作 为边界条件，模拟实际联接条件对每个子结构进行动态特性分析，但是在动态子 结构法应用中，由于结合面联接情况复杂且刚度和阻尼具有非线性的特性，使得 结合面理论分析和试验研究较为困难，尤其是影响结合部静、动态特性的相关因 素( 如结合部表面材料、几何形状、受力状况和结合面间介质状况等) 不易控制， 造成理论计算及实际测定时的误差，甚至影响到对其规律的探求，而且对于结合 部的动态特性的测量和鉴别，具有一定的难度。 1 3 2 机械结构动力修改研究发展现状 目前，国内学术界对设备部件进行的动态优化设计仍局限于广义意义上的优 化设计，其实质是“方案比较 的优化设计，其优化效果的好坏往往取决于设计 7 山东大学硕十学何论文 者的经验，而且由于对复杂结构的边界条件、联接条件的处理以及动力学模型的 简化同实际情况有所差别，使建立的动力学模型同实际结构的动特性存在一定的 误差。因此，如何修改模型来提高建模精度，并使之符合工程实际情况，已成为 研究中的一个重要问题一即机械结构的动力学修改问题。结构动力修改的实质是： 根据系统某些动态特性要求，对己有系统进行有约束、有目标的修改，原理上这 是一个有约束系统的优化设计问题。一般来讲，通过人机交互式的方式进行设备 结构的动态性能修改，这种方式有两种研究思路：一种是根据经验和估计，首先 对结构作出修改，然后计算或测定其动态响应结果，看是否符合要求，为得到满 意的动态性能，可能要对结构作多次修改和调整，这属于结构修改中的尝试法： 另一种是根据结构动力学性能的要求，首先计算确定最佳的修改部件和修改量， 求取结构参数的改变量，然后再去实际改变结构，这属于结构修改的优化法。近 3 0 多年来，结构动力修改的研究发展很快，但至今没有广泛运用于工程实际瞄纠川。 目前从结构动力修改的研究发展状况来看，仍处于研究成果逐渐向工程应用 逼近的阶段，有些问题还在进一步研究中，如：动力修改与动态优化的异同：对 于复杂结构，有限元模型中不易测量的自由度处理方法的研究等。特别是对有限 元模型，能否在结构设计阶段直接修改或通过设计变量来修改，人们开始对其重 视。顾松年【3 2 1 提出发展直接修改或通过设计变量来修改有限元模型的动力修改值 得重视；唐小兵【3 6 】等动力修改逆向问题中基于有限元模型的修改做了分析； m o d a k 3 7 - 3 5 1 等提出可以利用修改后的有限元模型来预示动力修改结果，进行动态设 计。 在国外，机械结构的动力学模型修改和动态优化设计等方面的研究发展很快， 并已将其它领域的知识应用于结构的动力学模型修改，美国c a t h o l i c 大学c b i a n c h i 等学者将机床的动态设计与控制相结合，l o w a ) + l 立大学的j m v a n c e 与i s u 研究中 心的t p y e h 等学者应用虚拟现实技术来进行机床结构的形状优化设计，m i c h i g a n 大学的t j i a n g 和m c h i r e d a s t 在应用有限元法和动态分析的基础上，提出了一种数 学模型来模拟机床结构的联接形式。由于国外机床制造公司对机床部件的优化设 计方面等内容在技术上保密，很少在文献中看到类似的报道。 在这方面，国内许多学者做了很多工作并取得了大量的成果1 3 9 1 。汤文成、易 红对机床结构的动、静态特性进行分析和优化设计，通过分析和研究得出改变结 构的筋板类型和布局提高结构动、静态特性，并且提出了以导轨变形量作为结构 设计的主要依据，各设计变量对机床动、静态性能贡献加权作为结构优化设计的 目标函数，同时在结构的参数化设计等方面进行了有益的尝试【4 叫2 1 。吴长智提出 了一种离散误差线性优化的方法，在m g l 4 3 2 b 磨床动态测试的基础上，建立整机 的动力学模型，较全面地分析和指出了整机结构存在的薄弱环节，并提出了修改 第1 章绪论 方案，该方法为整机结构动态性能的修改提出了准确、可靠的依据【4 3 l 。徐燕申、 刘晓平、彭泽民等提出了应用模糊理论来实现机械结构的优化设计和动力学模型 修改，而陈新、张学良等应用b p 神经网络进行结构的动力学修改和优化设计，这 些方法对于机床结构件的动态优化设计都具有很好的指导意义m j 。 在结构动力学模型修改与优化问题的研究中，明确修改前模型物理参数( 质 量、刚度、阻尼) 矩阵中误差所在位置或单元是非常重要的，并对此也进行了大 量的研究，其中具有代表性的方法是灵敏度分析法，它使修改成为有针对性、目 的性、明确性的修改【4 孓4 9 1 。所谓灵敏度分析，就是研究目标对设计变量变化的灵 敏程度，用适当的方法找出对动态特性最敏感的结构部位，进而对模型做动力修 改，并在此基础上对结构进行优化设计【5 0 l 。结构动力学修改中所指的灵敏度分析 具体的是指结构的特性对于结构参数变化的灵敏程度。尽管结构动力灵敏度分析 已不再是一个年轻的课题了，然而，至今它仍然是结构动力修改与优化中的主要 瓶颈之_ 5 1 5 6 1 。已经有不少学者围绕此课题做了大量工作。v a n b e l l t 5 7 】首先把伴随 构造理论引入机床结构特性的灵敏度分析中。v a n b o n a c k e r t s s 】在博士论文中又成功 地把此理论用于一般粘性阻尼系统的灵敏度分析中，为结构有较大修改时进行灵 敏度分析，还提出了差分灵敏度的算式。黄世林等人在微分灵敏度分析的基础上 提出了一种连续分析的方法，这样，即使结构参数变化到原结构参数的百分之百， 仍能得出令人满意的结果。陈波等人针对现有灵敏度分析方法中存在的问题，借 鉴于模态综合技术在计算机上的简便性，提出并且建立了机床结构灵敏度分析的 子结构法 5 9 7 2 1 。 1 4 论文的研究内容及章节结构 本文通过系统研究复合加工技术应用现状和发展趋势，结合石材异型制品的 多品种、异型化、高质量、艺术化、规模化的生产和需求特点，对石材异型制品 复合加工技术进行了研究，建立了复合加工设备加工运动图谱，为高效复合加工 中心结构规划方案设计奠定了理论基础。 本文通过系统分析现有各种多功能石材复合加工中心的原理、功能、结构和 测试、研究现有国外类似石材复合加工中心的动态性能，掌握其动态性能上的关 键技术，拟定了高效复合加工中心的结构、配置、造型方案和技术参数，运用模 块化设计技术规划出了设备具体结构方案，运用c a d 技术建立了设备模型初步方 案。充分运用了c a d c a e 集成技术对模型各部件进行具体的设计与研究，对设备 模型进行了完善，最终设计出了较为理想的高效复合加工中心，最后与企业合作 投入了制造。 论文结构安排如下： 9 山东大学硕十学何论文 第l 章：介绍了课题的来源与背景；阐述了复合加工技术及设备的研究现状 和发展趋势；介绍了设备机械结构动态特性研究现状与关键技术。 第2 章：对石材制品的进行了分类，对石材制品成形及加工运动学的研究； 对石材制品复合加工理论进行了初步的规划；根据石材异型制品的结构特点、加 工特点和石材加工设备常用加工运动学图谱研究，对复合加工设备进行了加工运 动学分析与图谱建立。 第3 章：在上述理论研究的基础上，提出了石材异型制品高效复合加工中心 的总体设计方案，对进给传动系统与设备