（机械制造及其自动化专业论文）龙门式五轴镗铣加工中心虚拟制造技术的研究.pdf

硕十学位论文 摘要 机床是一个国家制造业水平的象征，目前代表机床秘造业最高水平 的是五轴联动数控机床系统，从某种意义上说，它反映了一个国家的工 业发展水平状况。五轴联动数控加工中心日益向高速度、高精度等方 向发展，其机构日趋复杂，对其工作性能的要求越来越高，不仅要具 有多坐标复杂曲面的加工功能，而且还要具有复合、柔性及多功能等 性能，并力求获得高质量、低成本和高效率。因此，加工中心的研究 开发是一个难度很大的任务。虚拟制造技术是一种先进制造技术。它的 发展与应用为开发研究高性能加工中心提供了技术手段。 本课题主要是研究龙门式五轴镗铣加工中心的虚拟建模与仿真分 析。使用三维虚拟建模技术建立龙门式五轴镗铣加工中心酶虚拟样机模 型，并对其进行运动学和动力学仿真分析。 虚拟建模和仿真分析是虚拟样枫技术的核心技术，而虚拟建模是整 个虚拟制造的基础，所有仿真分析都是在虚拟模型的基础上完成盼。本 课题在p r o e 环境下采用参数化特征建模技术完成了龙f 】式五轴镗铣加 工中心主要零件盼虚拟建模；接着使用虚拟装配技术完成了加工中心部 件和整机的虚拟装配，得封了龙f 了式五轴镗铣加工中心的虚拟实体模型； 并对模型进行了静态干涉检验。在设计过程中，为满足高速、高加速要 求，采用电主轴装置，x 、y 晦进给机梅采甩直线电机进给方式。然后将 加工中心晦实体模型导入蓟a d a m s 软件环境。 根据多附体运动学与动办学理论，对船工中心的虚拟样机模型在 a l k a l i s 软件环境中进行运动学和动力学的仿真分析。运动学分析部分主要 完成了运动规律检验和速度、行程检验。在动力学分析部分，分耕分析 了x 、y 向驱动力、速度、加速度之间的关系并显示各自的她线图。 本课题应用虚拟制造技术研究龙i 、了式镗铣加工中心的建模与仿真， 为设计出高性能的加工中心提供了可靠盼理论依据，并且缩短了产品盼 开发厨期，降低了开发成本，提高了产品质量。 关键诃：加工中心；虚拟耕造；虚拟建模；仿真分析；多刚体动力学 a bstrao t m a c h i n et o o li sas y m b o lo fm a n u f a c t u r i n gl e v e l sf o rac o u n t r y a t p r e s e n t ，t h es y s t e mo fc n cm a c h i n et o o tw i t hf i v e a x i si so nb e h a l fo ft h e h i g h e s tl e v e li nt h ef i e l do fm a n u f a c t u r i n gf o rm a c h i n e t o o l ，i ns o m es e n s e ， t h es i t u a t i o no fi n d u s t r i a ld e v e l o p m e n tl e v e rf o rac o u n t r yi sr e f l e c t e db yi t t h ec n cm a c h i n i n gc e n t e ri sd e v e l o p e di n c r e a s i n g l yt o w a r d st h ed i r e c t i o n o fh i g h s p e e 以h i g hp r e c i s i o na n ds oo n ，a n di t sm e c h a n i s m sa r eb e c o m i n g m o r ea n dm o r ec o m i c a t e d ，w h i c hr e q u i r e dh i g h e ra n dh i g h e rp e r f o r m a n c e s f o ri t f o ri tt h e r ei sn o to n l yt h ep r o c e s s i n gf u n c t i o no fc o m p l e xc u r v i n g s u r f a c ef o r t h em u l t i c o o r d i n a t e s ，b u t a l s ot h ep e r f o r m a n c e ss u c ha s c o m p o u n d ，f l e x i b i l i t ya n dm u l t i f u n c t i o n sa n d s of o r t h ，a n dt h eh i g hq u a l i t y ， l o wc o s ta n dh i g he f f i c i e n c ym u s tb eo b t a i n e d s oi t 王sa ne x t r e m e l yt a s kt o r e s e a r c ha n de x p l o i tt h ec n cm a c h i n i n gc e n t e r v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y ( v m t ) - i sak i n do fa d v a n c e dt e c h n o l o g y ，a n di t sd e v e l o p m e n t a n da p p l i c a t i o np r o v i d et e c h n i c a lm e a n sf o rr e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n g h i g hp e r f o r m a n c em a c h i n i n gc e n t e r v i r t u a lm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o na n a l y s i so ff i v e - a x i sm a n u f a c t u r i n g c e n t e rf o rm i l l i n ga n db o r i n gi sm a i n l yi n t r o d u c e di nt h ep a p e r u s i n g3 d v i r t u a lm o d e t i n gt e c h n o l o g yb u i l d su pv i r t u a 4p r o t o t y p e ( v p ) - o ff i v e a x i s m a n u f a c t u r i n gc e n t e rf o rm i l l i n ga n db o r i n g ，a n dp r o c e e d st o k i n e m a t i c s a n dd y n a m i c sa n a l y s i so ft h ev p v i r t u a lm o d e l i n ga n ds i m u l , a t i o na n a l y s i sa r et h ec o r et e c h n o l o g yo fv p t e c h n o | o g i e s ，a n d v i r t u a l m o d e l i n g i s t h ef o u n d a t i o n0 | v i r t u a l m a n u f a c t u r i n g ，a n da l ls i m u l a t i o na n a l y s i si sb a s e do nt h ev p p a r a m e t r i c f e a t u r em o d e l i n gt e c k n o l 0 9 3i sa d o p t e dt oc o m p l e t et b ev i r t u a lm 0 6 e t i n g f o r t h em a i np a r t so ff i v e a x i sm a n u f a c t u r i n gc e n t e rf o rm i l l i n ga n db o r i n g u n d e rt h ee n v i r o n m e n to fp r o e ，t h e nv i r t u a la s s e m m i n gt e c h n o l o g yi su s e d t of i n i s ht h ep a r t so fp r o c e s s i n gc e n t e ra n da s s e m b l i n go ft h ew h o l em a c h i n e ， a n dv i r t u a le n t i t ym o d e lo ff i v e a x i sm a n u f a c t u r i n gc e n t e rf o rm i l l i n ga n d b o r i n gi s a c h i e v e 虫m e a n w h i l e ，s t a t i c i n t e r f e r e n c ei sr e v i e w e d i nt h e p r o c e s so fd e s i g n ，i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fh i g hs p e e da n d h i g h a c c e l e r a t i o n 。t h es p i n d l ed e v i c ei sa d o p t e da n dl i n e a rm o t o ri su s e da tx a n d yf e e d i n gm e c h a n i s m t h e nt h ee n t i t ym o d e lo fp r o c e s s i n g c e n t e ri s 硕十学位论文 i m p o r t e di n t ot h ee n v i r o n m e n to fa d a m ss o f t w a r e a c c o r d i n gt ot h ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i c st h e o r yo fm u l t i - r i g i db o d y ， k i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sa n a l y s i sa r em a d ef o rt h ev i r t u a lp r o t o t y p eo f f i v e a x i sm a n u f a c t u r i n gc e n t e rf o rm i l l i n ga n db o r i n gi nt h ee n v i r o n m e n to f a d a m ss o f t w a r e t h el a wo fm o t i o na n dr e v i e wo fs p e e da n dd i s p l a c e m e n t a r ec h e c k e di nt h ek i n e m a t i c sa n a l y s i s t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nd r i v i n g f o r c e sa txa n dy ，s p e e da n da c c e l e r a t i o na r ea n a l y z e dr e s p e c t i v e l y ，a n d t h e i rc u r v i n gp a r a g r a p h sa r ed i s p l a y e d m o d e l i n ga n ds i m e l a , i o n0 | f i v e a x i sm a u u f a c t e r i 玲gc e n t e rf 衅m i l l i n g a n db o r i n gi ss t u d i e dw i t hv 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 yi nt h i sp a p e r t h er e l i a b l et h e o r yi sp r o v i d e df o rd e s i g n i n gp r o c e s s i n gc e n t e ro fh i g h p e r f o r m a n c e ，t h ed e v e l o n gc y c l ei s s h o r t e n e d ，t h ed e v e l o p i n gc o s t i s r e d u c e da n dt h ep r o d u c tq u a l i t yi sp r o m o t e d k e y w o r d s ：m a c h i n i n gc e n t e r m o d e t i n g ；s i m u l a t i o na n a l y s i s ； ； v i r t u a l m a n u f a c t u r i n g ； v i r t u a l m u l t i - r i g i db o d yd y n a m i c s m 龙门式镗铣加工中心虚拟制造技术的研究 插图索引 图2 1 虚拟制造环境下的设计模式8 图2 2g m b 2 5 5 0 5 x 龙门式五轴镗铣加工中心一1 5 图2 3 电机主轴1 6 图2 4 电主轴结构示意图一1 7 图2 5 速度时问曲线图1 9 图象6 直线电机进给单元2 b o 图2 7y 向直线电机布局原理图2 1 图2 8 加工中心主要功能模块2 1 图2 9 加工中心的横粱移溜板模型2 2 图2 1 0 滑枕模型和立柱模型一2 2 图2 1 1 工作台框架及工作台装配件模型2 3 , 图2 1 2 龙f 丁式加工中心装配模型2 5 图3 1 龙门式加工中心运动学仿真模型2 9 图3 2 加工中心仿真运动的瞬闻状态3 0 图3 3x 向加速度一3 1 图3 4x 向速度一3 2 图3 5x 向行程3 2 匿4 1x 向启动加速度4 口 图4 2x 向驱动力4 1 图4 3x 向启动速度4 t 图4 4y 向启动加速度4 2 图4 6y 向启动速度4 3 i v 硕士学位论文 附表索引 表2 1 龙f 了式五轴镗铣加工中心技术参数1 4 表3 1 加速度变化规律3 l v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 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 律后果由本人承担。 作者签名： 西哆 日期：厶f 口年占月；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并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。本人授权兰州理工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、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收 录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 日期：知。年多月 ；日 日期：少加年b 月疹日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究的意义 五轴联动数控机床是一种科技含量高、精密度高的机床，这种机床 系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备 等行业有着举足轻重的影响力。现在，大家普遍认为，五轴联动数控机 床系统是解决叶轮、叶片、船用螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、 大型柴油机曲轴等等加工的唯一手段。装备制造业是一国工业之基石， 它为新技术、新产品的开发和现代工业生产提供重要的手段，是不可或 缺的战略性产业。即使是发达工业化国家，也无不高度重视。近年来， 随着我国臣民经济迅速发展和国防建设的需要，对高档的数控机床提出 了迫切的大量需求。机床是一个国家制造业水平盼象征。而代表机床制 造业最高水平的是五轴联动数控机床系统，从某种意义上说，它反映了 一个国家的工业发展水平状况。长期以来，以美国为首的西方工业发达 国家，一直把五轴联动数控机床系统作为重要的战略物资，实行出口许 可证制度。 五轴联动数控加工中心日益向高速度、高精度等方向发展，其机 构日趋复杂，对其工作性能的要求越来越高，不仅要具有多坐标复杂 陷面的姗工功能，而且还要向复合、柔性和多功能等方向发展，并力 求获得高质量和高效率n 1 。因此，五轴联动数控加工中心的研究开发 是一个难度很大的任务。虚拟锘i 上造技术是面向2 1 世纪的先进制造技 术，现在仍处于研究和探索阶段，它是以信息技术、仿真技术租虚拟 现实技术为支持，在高性能计算机及高速网络中，采用群组协阿工作， 通过虚拟模型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能 存在的阿题，实现产品制造的本质过程，包括产品的设计、工艺规划、 加工制造、性能分析、质量检验、并进行过程管理与控制心。引。作为 2 1 世纪先进制造技术的虚拟褂造技术，被誉为2 1 世纪的新型生产模 式，是制造业迎接挑战的有效技术阻1 。虚拟锚造技术盼发展应用，为 开发研究高性能数控机床产品提供了技术手段。高性能数控机床有其 自身特点和要求，如何在设计阶段采甩虚拟和仿真技术解决机床的关 键技术，是目前机床界研究的重点。本文采取以设计为中心的虚拟制 造技术，在五轴联动数控加工中心的虚拟建模和计算机仿真技术研究 龙门式镗铣加t 中心虚拟制造技术的研究 的基础上，探索虚拟制造系统的体系结构、主要内容和关键技术，以 及在传统机械设计与制造中的具体应用方法，以优化五轴联动加工中 心的设计n 】。 虚拟制造技术对制造业具有革命性的影响，在科技界和企业界成 为研究的热点之一。典型的例子有波音7 7 7 ，其整机设计、部件测试、 整机装配以及各种环境下的试飞均是在计算机上完成的，使其开发周 期从过去8 年时间缩短到5 年。日本m a t s u s h i t a 公司开发了虚拟厨 房设备制造系统，允许消费者在购买前，在虚拟厨房环境中体验不同 设备的功能，按自己的喜好评价、选择和重组设备，并将消费者的选 择存储在计算机中，通过网络送至生产部门进行生产。可见虚拟制造 在当代制造业中举足轻重的作用和对人们日常生活的影响之大。 1 2 五轴联动机床加工的优势 提高加工质量和工效，充分满足产品生产的要求是制造技术发展的 永恒主题。迄今为止，所有制造技术的研发、改进和创新，无一不是直 接或间接地在此主题的驱动下进行的，五轴加工机床的产生、应用和发 展也不例外。它既是为了加工某些具有特殊要求的复杂型面的大型工件 而出现的，也是为了提高对这些型面的加工精度、质量和工效得到应用 和发展的，因此，五轴联动机床加工存在如下优点： ( 1 ) 可以加工一般数控机床所不能加工或很难一次装夹完成加工的 连续、平滑的自由曲面，如航空发动机和气轮机的叶片，舰艇用的螺旋 推进器，以及许多具有特殊曲面和复杂型腔、孔位的壳体和模具等； ( 2 ) 五轴联动的机床加工还可大大提高空间自由曲面的加工精度、 质量和效率。例如，三轴机床加工复杂曲面时，多采用球头铣刀，球头 铣刀是以点接触成形，切削效率低，而且刀具工件位姿角在加工过程中 不能调，一般就很难保证用球头铣刀上的最佳切削点( 即球头上线速度最 高点) 进行切削，而且有可能出现切削点落在球头刀上线速度等于零的旋 转中心线上的情况，这时不仅切削效率极低，加工表面质量严重恶化， 而且往往需要采用手动修补，因此也就可能丧失精度。如采用五轴机床 加工，由于刀具工件位姿角随时可调，则不仅可以避免这种情况的发生， 而且还可以通过进一步优化刀具工件的位姿角来进行铣削，从而获得更 高的切削速度、切削线宽，即获得更高的切削效率和更好的加工表面质 量： ( 3 ) 符合于工件一次装夹便可完成全部或大部分加工的机床发展方 2 硕十学位论文 向。因为随着科技的发展和人们物质生活水平的提高，人们对产品的性 能、质量要求也更高，形式更多样化和个性化。为了进一步提高产品的 性能和质量，充分满足使用者的多方要求，如节能、省材、轻便、美观、 舒适等吲。 1 3 国内外研究的现状 市场盼需求推动了我国五轴联动数控机床的发展，c i m t 9 9 展览 会上国产五轴联动数控机床第一次登上机床市场的舞台。自江苏多棱 数控机床股份有限公司展出第一台五轴联动龙门加工中心以来，桂林 机床股份有限公司、北京机电研究院、北京第一机床厂、济南二机床 集团有限公司、沈阳机床厂、汉i i 机床厂等企业也相继开发出五轴联 动数控机床。 当前，国产五轴联动数控机床在品种上已经拥有立式、卧式、龙 门式和落地式的加工中心，适用于不同大小尺寸的复杂零件加工，加 上五轴联动铣床和大型镗铣床以及车铣中心等的开发，基本涵盖了国 内市场的需求。精度上，北京机床研究所的高精度加工中心、宁江机 械集团股份有限公司盼n j 2 5 h m c 4 0 卧式加工中心和交大昆机科技 股份有限公司的t h 6 1 16 d 卧式镗铣加工中心都具有较高的精度，可 与发达国家盼产品相媲美。在产品市场销售上，江苏多棱、济南二机 床、北京机电研究院、宁江机床、桂林机床、北京一机床等企业的产 品已获得国内市场的认厨。 国内高速加工机床的发展状况从近几年的中国国际机床展览会 上可见一斑。从参展品可以看出，国产数控机床在高速化、多轴化、 复合化、精密化、自动化等方面取得了明显的进展。国内高速加工中 心盼主轴转速可达封4 0 ，0 0 0 r r a i n ，快移速度可达辩6 0 m m i n ， n j 5 h m c 4 0 高速五轴联动卧式加工中心是宁江机床集团公司新近开 发的高技术产品，工作台可连续分度，主轴头可连续分度摆动，定位 精度和回转工作台分度精度均达到微米级水平。工件一次装夹后，可 完成铣、锉、铰、攻螺纹和轮廓的粗、精加工，适用于叶片、叶轮、 模具工业、航空和船船工业等各种类型复杂莹面零件加工，能满足中、 小型箱体零件和空间睹面多品种加工的需要。主轴最高转速可达 4 0 ，0 0 0 r m i n ，另可选择转速为15 ，0 0 0 2 5 ，0 0 0 r m i n 的主轴系统。工作 台尺寸为由4 0 0 m m ，x ，y ，z 轴行程分别为7 0 0 ，5 0 0 ，4 0 0 m m ，快进速度 为6 0 m m i n ，加速度为1 9 ，刀库容量2 4 把，换刀时间3 s 。b 轴0 11 0 。， 3 龙门式锋铣加t 中心虚拟制造技术的研究 c 轴3 6 0 。；x ，y ，z 轴的定位精度为4 肛m ，重复定位精度为2 m ：b 轴 分度定位精度为10 ”，重复分度定位精度为6 ”，c 轴分度定位精度为 5 ”，重复分度定位精度为3 h 。 北京机床厂研制的z10 0 0 5 v 立式加工中心主轴最高转速可达 2 0 ，0 0 0 r m i n ，可进行五轴联动加工。刀库容量2 4 把；换刀时间1 5 s ， x ，y ，z 轴的定位精度为8 m ，重复定位精度为4 弘m ，c 轴分度定位精 度为14 ”，重复分度定位精度为5 ”，a 轴分度定位精度为2 0 ”，重复分 度定位精度为7 ”。虽然我国已掌握了一些高速加工机床制造技术， 但与国外同类产品相比，我国的高速加工机床还存在差距。具体地说， 我国制造高速加工机床时所使用的电主轴大部分仍需进口；高速进给 装置仍主要使用高速高精度滚珠丝杠传动，而不是直线电动机驱动， 在五轴加工中心方面，我国自行研制的机床大多停留在样品阶段，在 刚度与精度上与世界领先水平差距甚远。 国外高速加工机床的主轴转速己发展到1 5 ，0 0 0 7 0 ，0 0 0 r m i n 。美 国b o s t o nd i g t a l 公司的立式加工中心，主轴转速为6 0 ，0 0 0 r m i n ；瑞 士m i l r o n 公司的高速数控锉铣床，主轴转速为4 2 ，0 0 0 r m i n ；意大利 f i d i a 公司的高速铣床，主轴转速为2 4 ，0 0 0 r m i n 。高速进给系统多采 用技术成熟的直线电机进给。 在第八届中国国际机床展览会上，国外高速立式加工中心和高速 铣床最高主轴转速为4 0 ，0 0 0 r m i n 。日本s o d i c k 公司由直线电机驱 动的m c 4 3 0 l 高速立式加工中心的x ，y ，z 轴行程分别为 4 2 0 ，3 5 0 ，2 0 0 m m ；主轴转速4 0 ，0 0 0 r m i n ；快移速度为3 6 m m i n ，加速度 为1g ，分辨率为0 0 0 0l m m 。德国s p i n n e r 公司的r v 6 s p 高速立式 加工中心，x ，y z 轴行程分另廿为 6 0 0 ，5 0 0 ，3 5 0 m m ，主轴转速 3 0 ，0 0 0 r m i n ；快移速度为3 0 m m i n ，分辨率0 0 0 0 5 m m ，刀库容量2 0 把。这表明，国际先进的高速加工机床不仅转速越来越高，精度也越 来越高。而且，为了加工更加复杂的型面，不少厂家研制出了九轴联 动加工中心哺1 。 1 4 五轴联动加工中心的结构及原理 五轴机床的种类有：摇篮式、立式、卧式、n c 工作台+ n c 分度 头、n ct 作台+ 9 0 0 b 轴、n c 工作台+ 4 5 。b 轴、二轴n c 主轴等。五 轴联动加工中心有高效率、高精度的特点，工件一次装夹就可完成五 面体的加工。若配以五轴联动的高档数控系统，还可以对复杂的空间 4 硕士学位论文 曲面进行高精度加工，更能够适应像汽车零部件、飞机结构件等现代 模具的加工。立式五轴加工中心的回转轴有两种方式，一种是工作台 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 轴一般工作范匿+ 3 0 度至12 0 度。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 度回转。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 轴租c 轴最小分度值一般为0 0 0 1 度， 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阎皓 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，特尉是当a 轴回 转大于等于9 0 度时，工件切射时会对工作台带来很大的承载力矩。 另一种是依靠立式主轴头的回转。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，回转头上还有带可环绕x 轴旋转的a 轴， 一般可达9 0 度以上，实现上述同样的功能。这种设置方式的优点是 主轴加工非常灵活，工作台也可以设计的非常大，客机庞大的机身、 巨大的发动机壳都可以在这类加工中心上加工。这种设计还有一大优 点：我们在使甩球面铣刀加工曲面时，当刀具中心线垂直于加工面时， 由于球面铣刀的顶点线速度为零，顶点切出的工件表面质量会很差， 采用主轴回转的设计，令主轴相对工件转过一个角度，使球面铣刀避 开顶点切削，保证有一定的线速度，可提高表面加工质量。这种结梅 非常受模具高精度曲面加工的欢迎，这是工作台回转式加工中心难以 做掰的。为了达封回转的高精度，高档的回转轴还配置了圆光栅尺反 馈，分度精度都在几秒以内，当然这类主轴的回转结构比较复杂，制 造成本也较高。 t 5 课题的目的及主要研究内容 本课题以研究沈阳第一机床厂生产的g m b 2 5 5 0 5 x 龙门式五轱 镗铣加工中心为例，采取虚拟制造技术，对加工中心的零部件进行虚 拟建模，实现有限空间冉零部件机构运动的设计，并在虚拟模型的基 础上，对加工中心进行运动学和动力学仿真，预估加工中心的功能、 性能、可装配性、可加工性和提前发现设计中的缺陷，以及针对设计 5 龙门式镗铣加f t 中心虚拟制造技术的研究 的不合理性进行修正和优化。一个新产品的开发研制按传统的方式要 经过几个阶段。 产品设计一根据用户要求将设计思想变成二维图纸； 样机制造一按照设计图纸制造出实体样机； 性能实验一对制造出的样机进行性能实验，以检验设计是否满足 要求； 最后是根据实验结果进行样机评价和修改设计。 这种传统的设计方法开发研制周期长，做实体样机投资大。对于 性能要求高和结构复杂的机床产品可能要经过几次反复才能得到满 意的结果而投入生产。 五轴加工中心的虚拟制造技术是将虚拟现实技术应用于新产品 的设计开发。在计算机上设计出满足视觉动感效果的三维动态机床虚 拟样机模型，对模型进行虚拟实验和样机评价。其结果直接反馈修改 虚拟样机模型的设计。对实际机床的实验和评价过程虚拟地进行，这 样可以节约了大量样机试制投资，同时也缩短了开发时间。 本课题主要研究虚拟制造技术在开发五轴联动数控加工中心中 的应用。理论上主要探索虚拟制造技术的体系结构、主要内容和关键 技术，以及在传统机械设计与制造中的具体应用方法。实践上主要是 应用虚拟制造技术完成五轴联动数控加工中心的开发研究工作，包括 应用虚拟制造技术完成加工中心各零部件的虚拟建模、部件装配模 型、整机装配模型、运动部件及整机的运动仿真、动力学仿真研究等。 本章小结 本章主要介绍了课题背景及研究的意义、五轴联动机床的优势、 国内外研究的现状、五轴联动加工中心的结构及原理、课题的目的和 主要研究内容等。 6 硕士学位论文 第2 章龙门式五轴镗铣加工中心的虚拟建模 目前五轴联动龙门加工中心国际主流机床按结构可分为：定梁定 柱工作台移动式、横梁升降的动梁定柱工作台移动式、动梁动柱工作 台固定式及桥式龙门式结构。按摆头结构分为两种：a c 摆( b c 摆 、 a b 摆。 本章以沈阳第一机床厂生产的g m b 2 5 5 0 5 x 龙门式五轴镗铣加工 中心为例，该机床属于定梁定柱工作台移动式结梅，对其建立零部件 模型并进行虚拟装配以得到加工中心的装配模型，为下一步进行运动 分析和动力分析作好准备。 2 1 基本概念与技术基础 2 1 1 虚拟制造技术 虚拟耕造系统是现实制造系统在虚拟环境下的映射，是现实制造 系统的模型化、形式化以及计算机化的抽象描述和表示，任何虚拟错 造系统都是在一定的体系上构建和运行的，体系结构的优劣直接关系 到虚拟制造实施技术的成败，另外，如何建立虚拟制造系统运行所需 的各种模型也是虚拟 茜! 造技术研究的重要内容。 虚拟制造是由美国首先提出来盼一种全新概念，基于虚拟现实技 术的虚拟制造技术是在一个统一模型之下对设计和制造等过程的集 成，它将与产品制造相关的各种过程与技术集成在三维的、动态盼仿 真真实过程的实体数字模型之上。虚拟制造技术是多学科综合盼系统 技术，虚拟制造系统被分为三种模式。 ( 1 以设计为中心的虚拟 | ；! 造：提供设计工程师在虚拟环境下 设计产品盼设计工具私环境，如面向制造的设计，面向装配白q 设计等 并行设计工具，以满足各种设计准贝i j 。 以设计为中心的虚拟制造的日标是进行产品设计，产品的适甩性 分析和宜人性评价，其主要内容包括： 产品外形设计； 口产品布局设计，入管道布局，设备布局，面板设计等； o 产品装配仿真； 产品运动学，动力学仿真，如运动协调、运动干涉检验，运动 范围确定及强度校验等。 7 龙门式镗铣加t 中心虚拟制造技术的研究 系统的输出为产品数字模型及产品评价结果。 图2 1 虚拟制造环境下的设计模式 ( 2 ) 以生产为中心的虚拟制造：提供开发和分析各种生产计划、 过程计划和资源需求规划的仿真工具。 以生产为中心的虚拟制造的目标是评价产品的可生产性。它是在 生产过程模型中溶入仿真技术，对产品生产全过程进行仿真，以寻求 资源的最佳配置和生产组织、调度的最佳方式。 以生产为中心的虚拟制造的重要研究内容包括车间设备的配置 及分布、生产调度、生产环境的布局设计、设备集成、生产组织调度 等。其输出是资源需要规划、生产调度规划、供货计划及精确的成本 信息等。 嵌入式仿真已在生产计划的编排中获得广泛的应用，而以生产为 中心的虚拟制造技术可生产性评价达到了更高的水平，它不但以动画 或高真实感图象显示某一生产计划驱动下生产线的制造过程，还可考 虑到各种资源约束( 如机器故障、刀夹具数量、空间及人力资源限制 等) 情况下的动态调度过程。传统仿真技术主要考虑的是设备的空间 布局，而虚拟制造则还包括总体( 人、设备、环境) 协调及动态过程 优化。虚拟现实技术的采用，更进一步使用户进入“未来挣的系统或 生产过程中，动态地预演整个生产过程。 ( 3 ) 以控制为中心的虚拟制造：构建从设计到制造一体化的虚拟 环境，即在考虑车间和制造单元生产活动的情况下，评价产品设计、 生产计划和控制策略，并在模拟的控制过程中提供改进的手段。 以控制为中心的虚拟制造是将仿真加到控制模型和信息处理中， 以实现基于仿真的最优控制，例如c n c 控制器和机器人路径规划的 仿真以及流程工业的控制研究，并提供过程监测、评价和实现用户定 8 硕士学位论文 义的处理算法。其中，虚拟数控是当前研究的热点之一，它利用计算 机软硬件的强大功能，将传统的各种控制仪表、检测仪表的功能数字 化，并可灵活地进行各种功能的组合心“ 。 建模技术是虚拟制造的核心技术，是将设计思想和工程信息以一 定结构的数字化模型方式表达出来。其本质就是对产品的信息用计算 机进行描述，需要描述的信息包括形状信息、物理信息、功能信息及 工艺信息等，其中形状信息是最基本的。而虚拟制造技术又涉及到虚 拟现实技术和虚拟样机技术，下面分另i j 对其相关内容进行简单的介 绍。 2 1 2 虚拟现实技术 虚拟现实技术是计算机辅助应用领域的新发展。虽然其研究尚处于 起步阶段，但虚拟现实技术的应用研究成果己在国内外引起极大的关注。 目前，国外学者在虚拟现实技术的研究方面取得的成绩十分显著。在国 际上，美国作为虚拟现实技术的发源地，其水平在很大的程度上代表着 国际虚拟现实技术的发展水平。美国宇航局的a m e s 实验室己经建立了航 空、卫星维护v r 训练系统，空间站v r 训练系统，并且已经建立了可供 全国使用的v r 教育系统；s r i 研究中心建立了“视觉感知计划，研究 现有虚拟现实技术的进一步发展。此后，华盛顿大学华盛顿技术中心的 人机界面技术实验室将v r 研究弓 入了教育、设计、娱乐和制造领域。日 本在当前使用虚拟现实技术的研究与开发中是居于领先的国家之一，主 要是致力于建设大规模虚拟现实知识库和虚拟现实游戏方面的研究。 在国内，虚拟现实技术的起步比较晚，还和世界水平有一定的差距， 但是研究重点基本和国外保持一致。国内关于虚拟现实技术的研究主要 集中在一些重点阿院校。西北工业大学电子工程系的西安虚拟现实工程 技术研究中心是国内最早开展虚拟现实技术试验的院校，紧跟国际新技 术。另外，浙江大学c a d & c g 国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟 建筑环境实时漫游系统，清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实和临 场感的方面进行了研究。这些都为虚拟现实技术的应用发展奠定强大的 技术支持。通过以上的虚拟现实技术的研究现状的分析和研究可以看出： 虚拟现实技术的技术成熟状况及其应用研究的重要性。 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ，v r ) 是一种高度模拟人在自然环境中听、 视与动等基本动作的人机界面，它是一项可创建和体验模拟现实世界或 幻想世界的综合性程序系统。它是以计算机及其配套的输入输出数据设 备而构成的具有图形影像、声效、交互感应等功能的二维交互仿真环境。 虚拟现实技术可使用户通过不同的交互设备进入虚拟环境，实时感受、 9 龙门式镗铣加工中心虚拟制造技术的研究 观测、使用虚拟物象，并产生身临其境的动态效果或测量结果。美国科 学家柏迪，在1 9 9 3 年的世界电子学年会上所发表虚拟现实系统及其应 用一文中，它简明地表示了虚拟现实技术的基本特征，即：三个“i ” ( i m m e r s i o n 沉浸感、i n t e r a c t i o n 交互操作、i m a g i n a t i o n 思维构想) ，其中 人的感受在整个系统中最重要，强调人在虚拟现实系统中的主导作用。 虚拟现实技术的主要特征： ( 1 ) 真实感：指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理 想的模拟环境应该达到使用户难辨真假的程度。 ( 2 ) 多感知性：指除一般计算机所具有的视觉感知外，还有听觉感知、 触觉感知、运动感知，甚至还包括味觉、嗅觉、感知等。理想的虚拟现 实应该具有一切人所具有的感知功能。 ( 3 ) 交互性：指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反 馈的自然程度。主要体现在基于虚拟现实技术的工业设计以虚拟的三维 数字模型作为信息主载体，保证多人能够协同工作。利用数字模型与虚 拟现实i o 设备( 立体眼镜、头盔、数据手套、跟踪器等) 生成产品的虚 拟世界。在其中我们利用设备与给定的仿真对象结合，通过视觉、听觉 和触觉等作用于人，使人产生身临其境的感觉。我们所有的动作都可以 体现在数字模型上，从中我们实现了人与人之间、人与机器之间的相互 交流。 它将消费者、制造商与设计师联系到一个平台上，也将设计、工程 制造、消费集成于一个系统中。在产品被真正制造之前，设计师与工程 师首先看到的是在特定虚拟制造环境中生成数字样机，设计师、工程师 和市场人员共同对其外观、性能和市场潜力进行预测和评价。 最早的虚拟现实是指用立体眼镜、传感手套等一系列传感辅助设施 来实现的一种三维现实，人们通过这些设施以自然的方式( 例如头的转 动、手的运动等) 向计算机输入各种动作信息，并且通过视觉、听觉以及 触觉传感设旌使人们得到三维的视觉、听觉及触觉，随着人们不同的动 作，这些感觉也随之改变。目前，虚拟现实内涵己经飞速扩展，像“人 工现实( a r t i f i c i a lr e a l i t y ) ，“虚拟环境( v i r t u a le n v i r o n m e n t ) 等， 都可以认为是虚拟现实的不同术语或形式。事实上，虚拟实现技术不仅 仅指那些戴着头盔和手套的技术，而且还包括一切与之有关的具有自然 模拟、逼真体验的技术与方法，它的根本目标就是达到真实体验和基于 自然技能的人机交互，能够达到或者部分达到这样目标的系统都可称为 虚拟现实系统。 1 0 硕十学位论文 2 1 3 虚拟样机技术 虚拟样机技术( v i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y ) 又称为机械系 统动态仿真技术，是上世纪8 0 年代随着计算机技术的发展而产生的 一项新技术，其核心是机械系统运动学和动力学仿真技术。回时包括 三维建模技术、有限元分析技术、机电液压控制技术、最优化技术等 相关技术。 虚拟样机技术是一项新生的工程技术。借助于这项技术，工程师 们可以在计算机上建立机械系统的模型，伴之以三维可视化处理，模 拟在现实环境下系统的运动和动力特性，并根据仿真结果精化和优化 系统的设计与过程。它进一步融合了现代信息技术、先进仿真技术私 先进制造技术，将这些技术应用于复杂系统全生命局期和全系统，并 对它们进行综合管理，从系统的层面来分析复杂系统，支持由上至下 盼复杂系统开发模式，秘用虚拟样机代替物理样机对产品进行仓i j 新设 计测试和评估，观察并试验各组成部件的相互运动情况，它可以在计 算机上方便地修改设计缺陷，仿真试验不同的设计方案，对整个系统 进行不断改进，直至获得最优设计方案以后，实际加工做出物理样机。 以缩短产品开发周期，降低产品开发成本，改进产品设计质量，提高 面向客户与市场需求的能力。 虚拟样机仿真技术包括两方面的内容：一是几何仿真，即机构的 几何特性与装配关系的仿真；二是性能仿真，即系统运动性能及动力 特性的仿真。几何仿真是通过虚拟造型技术直观、准确地反映产品的 几何特征与装配关系，进而在设计早期预测系统干涉、检验装配缺陷， 以便顺秘进入下一步盼运动学、动力学仿真中。建模盼过程是为几何 模型施加协合实际的特性，如约束、驱动力、摩擦及刚度等性能参数。 合理