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东北大学硕士学位论文摘要 数控软片裁片设备的建模和动力学仿真的研究 摘要 随着计算机技术和制造业水平的发展，数控机床正向着高精度、研制周期短、 造型宜人化等方向发展。机械结构的轻型化导致构件的柔性加大，高速化使惯性 力也随之急剧增大。在这种情况下，弹性变形导致的系统输出运动误差无法忽略， 也产生了诸如振动等不良动力学特性。对于精度要求较高的数控机床，必须计入 弹性变形的影响，而且进行动态设计和分析也是机床设计的一部分。 本文所要研究的数控机床正处于研制和开发阶段，由于没有可供实验的样机 模型或参考样机，我们只对需要解决的关键问题进行了简单的实验，各环节的设 计是否完善以及设备的精度是否达到预期要求还需要进一步验证，设备的动力学 特性也有待进一步分析。但要做一台样机进行实验，再修改设计，或者设备制造 出来以后再进行各方面的分析和检测，不仅周期较长，而且要耗费较多的费用， 这对于单件和小批量生产不是很好的方法。所以，需要借助于柔性多体系统动力 学仿真来解决上述问题。 近几年应用广泛的有限元软件a n s y s 能对弹性体进行静力、模态、谐波和瞬 态动力等分析，但单一的有限元软件只能对单个柔性件进行分析，用其进行瞬态 动力学分析非常繁琐，而且具有一定的局限性。目前，国内外学者进行机械系统 多体动力学研究较为先进的软件是a d a m s ，但单一的多体动力学分析软件 a d a m s 一般常用于解决多刚体豹动、静态分析，它本身对弹性体建模比较繁琐， 而且有一定的局限性，其建模方法也不适合于本文要研究的机械系统中的弹性体。 但发现，a n s y s 和a d a m s 二者之间存在数据接口。所以，将二者通过它们的接 口连接起来，取各自的长处，联合进行柔性多体系统动力学分析是一个有效的解 决方法。 本文详细描述了采用a n s y s 和a d a m s 软件对柔性多体系统进行建模和仿真 的过程，阐述了在此过程中需要注意的一些关键问题，为以后进行类似的研究打 下一些基础。本文介绍了所要研究的数控软片裁片设备的机械系统，对本系统的 组成、运动和动力学问题进行了分析，确定了系统的柔性构件龙门架和回转 工作台，并在a n s y s 中对其进行了结构强度分析，同时生成模态中性文件。以此 为基础，利用上述方法，对该设备进行了柔性多体系统动力学建模和仿真分析。 主要研究了直线进给系统在启动和制动惯性力下的动态特性、龙门架的变形情况、 刀具的轨迹偏差、切削力和刀具离心力对龙门架变形的影响，分析了回转台的动 一i i 东北大学硕士学位论文摘要 态特性和变形情况，切削力、转速和偏心质量的大小对回转台变形的影响。最后， 总结了本文的不足之处，并提出了改进建议。 关键词柔性多体系统数控软片裁片设备结构强度仿真模型动力学分析 1 1 1 查苎垄兰婴主兰竺垒查垒! ! ! ：! ! ! r e s e a r c ho f m o d e l i n g a n d d y n a m i c s s i m u l a t i o no fac n c s o f ts l i c ec u t t i n g e q u i p m e n 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 fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dm a n u f a c t u r el e v e l ，t h ec n c m a c h i n et o o l sa r eb e i n gd e v e l o p e di nt h ed i r e c t i o no fh i g ha c c u r a c y , s h o r tr e s e a r c h p e r i o d ，p l e a s a n ts h a p e ，e t c b e i n gl i g h t e r o fm e c h a n i c a ls t r u c t u r ew i l li n c r e a s et h e f l e x i b i l i t yo f t h ec o m p o n e n t ，a n dh i g h e rv e l o c i t yw i l lq u i c k l yi n c r e a s et h ei n e r t i af o r c e o ft h e s y s t e m i nt h i s c a s e ，t h es y s t e m so u t p u tk i n e t i ce r r o rc a u s e db ye l a s t i c i t y d e f o r m a t i o ni su n a b l et ob en e g l e c t e d ，a n ds o m eb a dd y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i cs u c ha s v i b r a t i o ni sa l s op r o d u c e d ，t h ec n cm a c h i n et o o l se x p e c t e dr e l a t i v e l yh i g h e rp r e c i s i o n m u s tc o n s i d e rt h ei n f l u e n c eo ft h ee l a s t i c i t yd e f o r m a t i o n a tt h es a m et i m e ，d y n a m i c d e s i g na n da n a l y s i si sa l s oap a r to f m a c h i n et o o ld e s i g n t h em a c h i n et h a tip l a nt or e s e a r c hi nt h i sp a p e ri si nt h ep e r i o do fd e v e l o p m e n t a n dm a n u f a c t u r e b e c a u s et h e r ei sn os a m p l em o d e lo rr e f e r e n c es a m p l em a c h i n e ，w e h a v eo n l yd o n es o m es i m p l ee x p e r i m e n t so i lt h ek e yp r o b l e m st h a tm u s tt ob es o l v e d w h e t h e rt h ed e s i g no f e v e r yp a r ti sp e r f e c ta n dt h ep r e c i s i o no f t h ee q u i p m e n tr e a c h e s r e q u i r i n gd e s i r en e e d t ob ev e r i f i e df u r t h e r b u t ，i ti sn o to n l yt o ol o n ga p e r i o d ，b u ta l s o c o n s u u l e sm o r ee x p e n s e si fw em a k eas p e c i a ls a m p l em a c h i n et od ot h ee x p e r i m e n t s a n dt h e nm o d i f yt h ed e s i g no rc a r r yo nt h ea n a l y s i sa n dm e a s u r i n go fv a r i o u sf i e l d so f t h ee q u i p m e n tw h e ni th a sb e e np r o d u c e d i ti sn o tag o o di d e at os i n g l eo ras m a l l q u a n t i t yo fp r o d u c t s o ，w en e e dt h eh e l po fd y n a m i c ss i m u l a t i o na n a l y s i so f f l e x i b l e m u l t i b o d ys y s t e m s t os o l v ea b o v e p r o b l e m s ， t h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y sw h i c hh a sb e e nw i d e l yu s e dr e c e n ty e a r si s a b l et oc a r r yo nt h es t a t i ca n a l y s i s ，m o d a la n a l y s i s ，h a r m o n i ca n a l y s i s ，t r a n s i e n td y n a m i c a n a l y s i so faf l e x i b l eb o d ya n ds oo n b u ts i n g l e f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ec a no n l y a n a l y z es i n g l ef l e x i b l eb o d yi ti sv e r yc o m p l e x t oc a r r yo nt r a n s i e n td y n a m i ca n a l y s i s a n da l s oh a ss o m el i m i t a t i o n n o w , a d a m si sa na d v a n c e ds o f t w a r ew h e ns c h o l a r s d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c ho n d y n a m i c sa n a l y s i s o ff l e x i b l e m u l t i b o d y m e c h a n i c a ls y s t e m sb u ts i n g l ea d a m ss o f t w a r ei su s u a l l yu s e dt os o l v ed y n a m i ca n d s t a t i c a n a l y s i s o fr i g i d m u l t i b o d ys y s t e m s i t i s v e r yc o m p l e xa n da l s o h a ss o m e l i m i t a t i o nw h e n m o d e l i n g af l e x i b l eb o d y a n dt h em o d e l i n gm e t h o di na d a m si sn o t s u i t e dw i t ht h ef l e x i b l eb o d yi nt h em e c h a n i c a ls y s t e mt h a tw ep l a nt or e s e a r c h b u t ，l h a v ef i n dt h a tt h e r ei sad a t ai n t e r f a c eb e t w e e nt h i st w os o f t w a r e s o i ti sa ne f f e c t i v e m e t h o dt h a tt oc o n n e c tt h e mt o g e t h e rt h r o u g ht h a ti n t e r f a c e ，f e t c hs t r o n gp o i n to fe a c h 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t o t h e ra n dt h e nc a r r yo nt h ed y n a m i c a n a l y s i so fm u l t i b o d ys y s t e m i nt h i sp a p e r , ih a v ed e s c r i b e di nd e t a i l e da b o u tt h ep r o c e s so fm o d e l i n ga n d s i m u l a t i n g af l e x i b l em u l t i b o d ys y s t e ma n dh a v ee x p a t i a t e dt h ek e y p r o b l e m sn e e d e dt o b en o t i c ei nt h ep r o c e s s s o ，i tw i l la l s ot ob es o m ef o u n d a t i o n sf o ro t h e r si no r d e rt o c a r r yo ns i m i l a rr e s e a r c hi nt h ef u t u r e ih a v ea l s oi n t r o d u c e dt h em e c h a n i c a ls y s t e mo f t h ec n cs o f ts l i c ec u t t i n ge q u i p m e n tt ob er e s e a r c h e da n da n a l y z e dt h ec o n s t i t u t i o n ， m o v e m e n ta n dd y n a m i c sp r o b l e mo fi t ，ih a v ed e c i d e dt h ef l e x i b l eb o d y , p o r t a lf r a m e a n d r o t a r yw o r k b e n c h ，t h r o u g ha n a l y s i so f t h es y s t e m ，a n a l y z e dt h e i rs t r u c t u r es t r e n g t h a n dt h e np r o d u c e dm o d a ln e u t r a lf i l e s o nt h eb a s i so ft h i s ih a v ec a r r i e do nt h e d y n a m i c sm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no f t h i se q u i p m e n t t h em a i nc o n t e n ti st h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i co ft h ed i r e c t d r i v ef e e ds y s t e mw h e nt h e s y s t e ms t a r t u pa n ds t o pw i t h i n e r t i af o r c e ，t h ed e f o r m a t i o ns t a t u so f t h ep o r t a lf r a m e ，t h ep a t hw a r po f t h ec u t t i n gt o o l ， t h ed e f o r m a t i o nc a u s e db yt h ei n f l u e n c eo f c u t t i n gf o i c ea n dc e n t r i f u g a lf o r c eo nt h e p o r t a lf r a m e ih a v ea l s oa n a l y z e dt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca n dd e f o r m a t i o no f t h e r o t a r yw o r k b e n c h ，t h ed e f o r m a t i o nc a u s e db yt h e i n f l u e n c eo fc u t t i n g f o r c e ，r o t a r y a c c e l e r a t i o na n dc e n t r i f u g a lq u a l i t yo nt h ew o r k b e n c h a tl a s l ，ih a v es u m m e du pm e s h o r t a g eo f t h ep a o e r a n d p u t f o r w a r dt h ea d v i c et om e n d k e y w o r d sf l e x i b l em u l t i b o d ys y s t e m ，t h ec n cs o f ts l i c ec u t t i n ge q u i p m e n t ，s t r u c t u r a l s t r e n g t h ，s i m u l a t i o nm o d e l ，d y n a m i c sa n a l y s i s v 声明 本人声明所呈送的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 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 的说明并表示谢意。 本人签名： 日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文的选题背景及意义 本课题针对我们为某航天企业研究的一台数控橡胶软片裁片设备进行三维建 模和静力学、动力学分析。该专用数控机床是用于橡胶衬板软片裁片和倒坡口的 自动化机床，简称数控软片裁片机。 在航天设备的研究中，为了满足下一道贴片工序的需要，橡胶衬板的加工必 须规范化并保证足够的精度，所以数控软片裁片机必须与贴片机紧密配合，与贴 片机的工艺要求相适应。这就要求数控软片裁片机自动化程度高，橡胶衬板倒边 时安装方便，定位便捷，把操作人员的劳动强度减到最低，同时获得最高的工作 效率。 目前，我国还没有这种专门用来切割橡胶衬板的数控设备，橡胶衬板的加工 是由工人手工完成的。他们把厚为2 1 0 厘米的橡胶衬板夹在模具中，手工切削， 所以效率很低，而且精度也不高，必须要求工人有娴熟的技术。而且每更换一种 型号的产品，都要重新制造模具和培训工人，非常浪费人力和财力。所以，批量 生产及现代工业的高自动化程度迫切要求我们能研制出一种高精度、自动化、二 次开发耗费少的加工设备。 现在，这种机床正处于研制和开发阶段，由于没有可试验的样机模型或参考 样机，我们只对需要解决的关键问题进行了简化的实验，各环节的设计是否完善 以及设备能够达到的精度还需要进一步验证，设备的动力学特性也有待进一步分 析。但要做一台样机进行实验，再修改设计，或者设备制造出来以后再进行各方 面的分析和检测，不仅周期较长，而且要耗费较多的费用，这对于单件和小批量 生产不是很好的方法。 本论文正是针对这一实际问题，利用虚拟样机技术及多体系统动力学仿真软 件a d a m s 和大型有限元分析软件a n s y s 对正在研制的这台专用数控机床进行建 模和力学分析，研究了进给系统的动态特性以及柔性构件在工作时的变形情况， 为数控机床的设计改进和动态特性的研究展现了个新方法。 近年来，国内也有不少文献研究数控机床的仿真，但大都是对机床的加工过 程的研究，采用的一般是o p e n g l ( o p e ng r a p h i cl a n g u a g e ) 结合v i s u a lc + + 技术。 还有人采用m a t l a b 对控制系统进行仿真或数值计算，采用l a b v i e w ( 虚拟仪器技 术) 、v r m l 或v m t ( 虚拟数控机床) 软件建立虚拟样机模型，研究数控机床运 动过程的误差、干涉等。对数控机床采用多体动力学仿真分析所使用的大部分都 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 是数值计算和仿真，还没有文献阐述采用仿真软件对机床本体进行三维建模、仿 真，进而分析其动态特性。而且，采用柔性多体动力学仿真软件进行分析的几乎 都是柔性机器人，主要研究的也是其挠性杆或转动关节的动态特性。所以，本文 采用将a d a m s 和a n s y s 相结合的方法对数控机床柔性多体结构进行仿真分析也 具有一定的学术意义。、 1 2 国内外数控机床的发展概况和趋势 用数字控制技术进行机械加工的思想源于4 0 年代美国飞机制造业。1 9 4 9 年 在美国空军的经费支持下，帕森斯公司和麻省理工学院伺服机构研究所开始共同 研究数控机床，于1 9 5 2 年试制成功世界上第一台数控机床。从第一台数控机床问 世到现在的半个世纪中，数控技术的发展非常迅速，几乎所有品种的机床都实现 了数控化。数控机床的应用领域也从航空工业部门逐渐扩大到汽车、造船、建筑 等民用机械制造行业。此外，还出现了金属成型类数控机床，其它还有数控绘图 机、数控三坐标测量机等。特别是相继出现的加工中心、计算机群数控系统、自 适应控制系统、柔性制造系统、计算机集成制造系统等，进一步说明，数控机床 已经成为组成现代机械制造生产系统，实现计算机辅助设计、制造、检验与生产 管理等全部生产过程自动化的基本设备。 1 2 1 数控机床各组成部分的发展概述 随着自动控制技术、微电子技术、计算机技术、精密测量技术及机械制造技 术的发展，数控机床得到了迅速发展。同时，为了满足制造业向更高层次发展， 为柔性制造单元，柔性制造系统，以及计算机集成制造系统提供基础设备，也要 求数控机床向更高水平发展。数控机床各部分的发展主要表现在以下两个方面： ( 1 ) 数控机床总体布局 数控机床总体布局的发展主要表现在数控加工中心机床的发展上。2 0 世纪6 0 年代初期，在一般数控镗铣床基础上增加刀库和自动换刀装置，开发出了数控镗 铣加工中心。继镗铣加工中心之后，先后出现了带自动装卸工件机器人的车削中 心，可自动更换电极的电火花加工中心和带砂轮交换装置的内置磨削加工中心。 特别是近年来，为进一步实现工序的高度集中和工件的自动装卸，开发了主轴可 实现垂直和水平转换的五面加工中心和带交换工作台的柔性制造单元( f m c ) 。这一 发展对数控机床的总体布局产生了极大影响。 佗1 数控装置 数控装置的发展是数控技术和数控机床发展的关键。电子元器件和计算机技 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 术的发展推动了数控装置的发展。最初的数控装置使用电子管器件，后来使用晶 体管和印刷电路板，发展到2 0 世纪6 0 年代末期使用的小规模集成电路器件。2 0 世纪7 0 年代以来，随着计算机技术的发展，才出现了以小型微机、微处理器为核 心的计算机数控装置( c n c ) 。当今它广泛采用，占据绝对优势。 目前，机床数控系统多采用3 2 位或6 4 位c p u 和多c p u 并行技术，使运算速 度显著提高。可控制十几个轴，甚至几十个轴( 包括坐标轴、主轴和辅助轴) ，可实 现3 6 轴联动控制。 为适应自动化加工技术的进一步发展，满足柔性制造系统( f m s ) 和计算机集成 制造系统( c i m s ) 的通信要求，现代数控系统的微机都具备有r s 2 3 2 或r s 4 2 2 串行 通信接口。高档数控系统具有d n c 或m a p 接口，可实现上级计算机对多台数控 机床的直接控制。目前，不少控制系统采用了m a p 工业控制网络，可以很方便地 进入f m s 和c i m s 。 现代数控系统具有“友好”的人机界面，普遍采用薄膜软按钮的操作面板、 彩色c r t 显示器，并大量采用菜单选择操作方法，使操作非常方便。同时，数控 系统的可靠性大大提高了，大量采用高集成度的芯片、专用芯片及混合式集成电 路，提高了硬件质量，减少了元器件数量。新型大规模集成电路，采用了表面安 装技术，实现了三维高密度安装工艺。元器件经过严格筛选，保证了数控系统的 质量。 现代机床数控系统发展总的来说就是更加通用、开放、智能、人性化、柔性 化和网络化。系统结构除原有的并行总线系统外，近几年国际上又推出了串行总 线数控系统。进入2 1 世纪后，串行总线数控系统将逐渐取代并行总线数控系统。 目前基于个人计算机( p c ) 的c n c 数控系统( 业界称之为第六代数控系统) ，是 数控系统的又一种新的发展方向。 ( 3 ) 伺服系统 现代数控机床上伺服系统的发展趋势是以交流数字伺服系统代替直流伺服系 统。伺服电机的位置、速度和电流环都已实现数字化，并采用了新的控制理论， 实现了不受机械负荷变动影响的高速响应伺服驱动。 现代伺服系统采用前馈控制技术，在原来的控制系统上加上速度指令的控制， 使跟踪滞后误差大大减小：新型的数控伺服系统具有自动补偿系统静、动摩擦非 线性的控制功能；伺服系统的速度环和位置环都采用软件控制，更具有柔性，能 适应不同类型的机床，并能实现复杂的控制算法，以适应高性能控制的要求；采 用高分辨率的位置检测装置，如脉冲编码器，内装微处理器组成的细分电路，使 得分辨率大大提高：现代数控机床利用c n c 数控系统的补偿功能，对伺服系统进 3 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 行了多种补偿，如轴向运动误差补偿、丝杠螺距误差补偿、齿轮间隙补偿、热补 偿和空问误差补偿等。 ( 4 1 数控编程 数控编程由脱机编程发展为在线编程。现代数控系统由于多采用c p u 结构， 将自动编程、程序编辑修改、图形模拟等一系列的编程功能置入数控系统，由数 控系统中的c p u 来处理，可做到前台加工后台编程同时进行。而且，还具有机械 加工技术中的特殊工艺方法和组合工艺方法的程序编制功能。除此之外，新型的 数控系统中装有小型的工艺数据库，使得在线编程的过程中可以自动选择最佳刀 具和切削用量。 f 5 ) 数控机床的工况检测、监控和故障诊断功能 现代数控机床上装有工件尺寸检测装置，对工件加工尺寸进行定期检测，发 现超差时则及时发出报警或补偿信号。还有红外、超声发射等监控装置，以便调 换刀具，以保证加工产品的质量。 目前c n c 系统中已经采用了开机诊断、运行诊断、通讯诊断和专家诊断系统 等故障诊断技术，对故障进行自动查找、分类、显示、报警，便于及时发现和排 除系统的故障。 ( 6 ) 机床主体 机床的主运动部件不断实现电气化和高速化，除采用直流调速电机和交流变 频调速电机驱动主轴部件，以提高主运动的速度和调速范围，并减少机械传动链 以外，近来更采用内装式主轴电机，将主轴部件做在电机转子上，从而大大提高 了主轴转速和减少机械传动。 逐渐增加加工功能，集中工序以提高生产率和加工件的形位精度。如采用自 动换刀装置、自动更换工件机构、数控卡具等，开发出镗铣加工中心，车削加工 中心等机床，有的还采用转位主轴头架，形成五面加工能力。 采用机电一体化和全封闭式结构。将以前与主体分离的数控装置、强电控制 装置和液压传动油箱等设备全部与主机集成为一体，使结构紧凑、减少管线、减 少占地面积。零件加工区域完全封闭在可以窥视的罩壳内，并采用自动排屑装置 改善了加工环境和条件。采用气动液压机构以控制和驱动各种辅助运动机构。利 用集中的压缩空气动力，避免了液压油泵的耗能、发热和噪声等缺点。 主机的大件采用焊接结构和合理的结构形式，在减轻机床自重的条件下，获 得极高的结构刚度和抗振性。采用电机无极调速驱动，缩短机械传动链的长度、 减小噪声、提高机械效率。采用低摩擦阻力的滚珠丝杠螺母副、静压丝杠螺母副、 滚动导轨、静压导轨、贴塑导轨等传动元件和导向导轨，极大地提高了传动刚度 d 东北大学硕士学位论文第一章绪论 和减小摩擦阻力，从而提高了进给运动的动态响应性能和低速运动平稳性能。 1 2 2 数控机床的发展特征和趋势 纵观二十世纪，特别是近十多年来，机床借助于微电子、计算机技术的飞速 进步，正向着高精度、多功能、高速化、高效率、复合加工功能、智能化、模块 化等方向迈进，明显地反映出时代的特征，其主要表现为： ( 1 ) 高精度化 当代工业产品对精度提出了越来越高的要求，像仪器、钟表、家用电器等等 都有相当高精度的零件，典型的高精度零件如陀螺框架、伺服阀体、涡轮叶片、 非球面透镜、光盘、磁头、反射鼓等，这些零件的尺寸精度要求均在微米、亚微 米级、因此，加工这些零件的机床也必须受到需求的牵引而向高精度发展。如中 等规格的普通机加中心的定位精度，八十年代初为o 0 1 2 m m 3 0 0 m m ，到了九十 年代初，己提高为0 0 0 2 - - 0 0 0 5 m m 全程( 如瑞士d i x i 公司的坐标镗铣中心) 。 航天工业是当今高精度数控加工机床发展的典型的受益工业部门之、第一 代惯性器件、伺服机构等高精度仪表零件的高精度关键部位的尺寸精度均在lum 以下。而当前第二代惯性器件，以动马达为例，其关键部位的尺寸精度己提高到 o 1 o 2 1 1m ，为适应这种要求，机床主轴回转精度己达到0 1um 以下。当前一些 透镜、磁盘等的精度也己要0 1um 以下的精度，为适应这种需要，数控机床和机 械加工中心也必须提高精度，才能与之相适应。为此，在计算机技术发展的推动 下，各种加工精度补偿技术和误差分析技术得到应用和发展。 ( 2 ) 高速度化 提高生产率是机床技术发展的永恒主题，数控机床高速化进入工业应用的关 键因素除了刀具性能的提升之外，有赖于内装式电机主轴单元( 简称电主轴) 和 直线电机驱动技术的发展。在八十年代中期，中等规格的机加中心的最高转速为 4 0 0 0 6 0 0 0 r m i n ；而传统机床的转速均在3 0 0 0r m i n 以下；而到了九十年代， 则达到了8 0 0 0 1 2 0 0 0r mi n 。甚至达到5 0 0 0 0 r i ni n 。 另一方面，为提高生产率，缩短工具交换和托板交换等非切削时间也有很大 的进步。如数控车床的刀架转位时间己从l 3 0s ，减少到0 4 - - 0 6s ：机加中心的 换刀机构的改进，换刀时间也从5 1 0 s 减少到1 3 s ：托板交换时间则从1 2 2 0 s 减少到6 1 0 s ，有的少到2 5 s ；坐标轴的快速移动目前己提高到1 8 2 4 m mi n ， 甚至达到3 0 4 0i t i i t ii n 。所有这些对缩短非切削时间都起了很大的作用，上述 各项措施突出表明了高速化对提高生产率的作用。 f 3 ) 高柔性化 5 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 当代产品的多样化和个性化，对机床提出了更高的柔性加工要求。如：车削 加工中心可以进行铣削、钻孔；铣削加工中心可以车削、钻孔、攻丝：切削与磨 削可在台机床上完成；最近还有一家日本公司为满足用户需要，将电加工与切 削加工集成于一台机床上完成这种将各种加工功能在一台机床上进行集成，均是 为了能在一台机床上实现一次装夹就能完成不同工件的不同的加工要求，以充分 展示机床加工的柔性。而机械加工中心的出现，正是适合了这种发展趋势，并与 当代产品的多样化和个性化发展默契配合。单件、小批量产品的传统加工，许多 精密零件的生产准备时间很长。如惯性平台的四大件，以往的小批量的生产准备 周期要长达一年半以上，而使用机械加工中心，则可在同一机械加工中心上逐个 完成台体、外环、内环和基座这四大件的加工，成套提供装配，大大缩短了生产 准备周期和加工时间。 “) 高度自动化 自动化是指在全部加工过程中，减少人的“介入”，而能自动地完成规定的任 务。传统的自动化往往与大批量生产加工联系在一起，使用大量专用机床和组合 机床。而目前可以通过数控机床和机械加工中心，不仅能在大批量生产中实现自 动化加工，也可在小批量、多品种产品的加工中实现自动化生产。另外还应注意 的是自动化的“面”也在不断扩展，如自动编程、自动换刀、自动上下料( 工件) 、 自动加工、自动检测、自动监控、自动诊断、自动对刀、自动传输、自动调度、 自动管理等等。自动化程度的提高，进一步推动了标准化和进线的生产能力。机 械加工的自动化大大提高了生产率，但检测计量往往是一个薄弱环节、如复杂箱 体的加工，在机械加工中心上的加工周期己缩短到几个小时，而传统检测则需要 几倍于加工时间。而今生产型三坐标测量机迸入生产线，缓解了这种矛盾，使自 动化更加全面。另外，数控机床也有了自动检测的系统( 如英国r e n i s h a w 公司的 测量系统) ，使在线检测成为现实，检测自动化更加完善。 ( 5 ) 造型宜人化 当一台机床展示时，是其外观给人们留下第一形象。近年来，机床造型的宜 人化己成为一门学科，宜人化的内容，除了外观、颜色之外，考虑操作使用时方 便、省力等人体学知识也是一个重要的方面。好的数控机床不仅要功能齐全、操 作可靠安全、性能良好，而且要成为外观宜人和符合操作人体学的一件艺术品。 f 6 ) 高的可靠性 这是一项硬指标，好的数控机床的无故障工作时间( m t b f ) 目前己达到 3 0 0 0 0 h 以上，甚至更高。航天工业总公司在仪表可靠性方面积累有相当丰富的经 验，这可以移植到机床数控系统上来。如在技术管理上通常使用的元件筛选、在 6 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 线装配、整机调试及环境试验、全面质量管理等等都可有借鉴之处。 ( 7 1 模块化设计、零部件标准化 近年来，各制造厂商致力于将机床的各功能集成在各个模块中，并将机床的 零部件标准化。在设计机床机械系统时就像组装电脑一样，只需根据机床所要完 成的功能选择所需的模块加以组合或修改，不仅方便了设计过程，缩短了设计周 期，同时也解决了采用零散部件所面临的精度问题。 图1 1 和1 2 是德国百格拉公司研制的直线导轨集成块，直线导轨由精制铝型 材、齿型带、直线滑动导轨和伺服电机等组成。作为运动框架和载体的精制铝型 材其截面形状通过有限元分析法来优化设计，生产中的精益求精确保其强度和直 线度。采用轴承光杠和直线滑动导轨作为运动导轨。运动传动机构采用齿型带、 齿条或滚珠丝杠。经用户使用证明，集成直线导轨在可靠性、降噪音、承载力、 免维护等方面及整体性能都非常优秀。 图1 1 龙门式导轨 f i g 1 2t h ep o r t a lg u i d e 图1 2 抓取式导轨 f i g 1 2t h eg u i d eo f p i c k i n gt y p e 图1 3 是德国n e u g a r t 公司生产的精密行星减速机，其公司生产有六大类、数 百种型号的减速机，在设计时经比较总能挑选一款合适的、性价比高的减速机。 各减速机的规格也实现了标准化，方便与其它厂家生产的电机的连接。这样，机 床的设计呈现了前所未有的灵活性、高效性和经济性。 图1 3 精密行星减速机 f i g 1 3t h ep r e c i s ep l a n e tr e d u c e r 7 东北大学硕士学位论文第一章绪论 l 。3 机械系统动力学仿真的发展 1 3 1 柔性多体系统动力学概述 机械产品的轻型化导致构件的柔性加大，高速化使惯性力也随之急剧增大。 在这种情况下，弹性变形导致的系统输出运动误差无法忽略，也产生了诸多不好 的动力学特性，对于一些高精度系统，就必须计入这种弹性变形的影响。因此传 统上把所有构件视为刚体的系统分析设计方法已不能满足要求。 2 0 世纪6 0 年代，古典的刚体力学、分析力学与计算机相结合的力学分支 多体系统动力学在社会生产实际需要的推动下产生了。多体动力学的研究对象是 由多个刚体或弹性体用各种不同的运动副联接组成的复杂的机械系统。其主要任 务是： ( 1 ) 建立复杂机械系统运动学和动力学程式化的数学模型，开发实现这个数学 模型的软件系统，用户只需输人描述系统的最基本数据，借助计算机就能自动进 行程式化的处理。 f 2 ) 开发和实现有效的处理数学模型的计算方法与数值积分方法，自动得到运 动学规律和动力学响应。 ( 3 ) 实现有效的数据后处理，采用动画显示、图表或其它方式提供数据处理结 果。目前多体系统动力学已形成了比较系统的研究方法。其中主要有工程中常用 的以拉格朗日方程为代表的分析力学方法、以牛顿一欧拉方程为代表的矢量学方 法、图论方法、凯恩方法和变分方法等。 对于复杂的机械系统，很多部件的运动都是大位移和非线性的，在构造动力 学方程时面临繁重的代数和微积分运算，由于方程的非线性和复杂性，很难求得 其封闭的解析解，多体动力学为解决这一问题提供了有力的工具。 1 3 2 基于多体系统动力学的机械系统动力学仿真 在计算机仿真软件出台之前，研究人员都单纯的使用多体动力学运动方程进 行复杂系统的建模和分析，如s c h i e h l c n 等人采用牛顿一欧拉法对多体系统进行建 模。由于随着组成多体系统物体数目的增多，物体之间的连接情况和约束方式就 会变得复杂，当对作为隔离体的单个物体列出牛顿一欧拉方程时，铰约束力的出 现使未知变量的数目明显增多，这样做起来不仅非常繁琐，还很容易出错。他们 改进了牛顿一欧拉法，并编制计算机程序n e w e u l 进行计算。在此基础上，人们 不断研究探索解决这些问题的仿真方法。 早在六十年代，随着多体系统动力学诞生，就有一些文献研究机械系统的运 8 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 动动力学仿真。他们所使用的主要是非结构化编程语言f o r t r a n v ，人机交互困难， 可移植性差，所以一般只用于研究领域，未能推广形成商品软件。进入七, s l - t 一年 代，出现了大量的工程分析计算软件，如a d i n a 、m a r k 、s a p 5 等，因此有一 些研究者开始尝试用己有的通用软件进行运动动力学分析。但当时没有成熟的三 维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术，建立仿真模型非常困难。而且由 于仿真软件对计算机硬件的依赖，也严重制约了仿真软件的产生和发展。后来由 于上述制约条件的综合发展，产生了基于多体系统动力学的仿真软件，也就是虚 拟样机技术。在文献 5 中，o r l a n d e a 和b e r e n y i 利用机械系统动力学仿真软件 a d a m s 的早期版本，对一个六自由度的工业机器人进行了连续路径的动力学综 合。但实际上他们只是对刚性机器人迸行了三维运动学仿真，并未深入研究如何 解算各种主要的动力学参数。 与此同时，z y a n g 和j p s a d l e r 在文献 6 中采用大型有限元分析软件 n a s t r a n 对一个杆件形状复杂的平面四杆机构进行了仿真分析，因为分析的方 法与手段都不太完善，所得的结果与k e d ( k i n e t o - - e l a s t od y n a m i c s ，运动弹性动 力学) 分析尚有一定的差距。进入九十年代，z y a n g 和j e s a d l e r 采用有限元软 件a n s y s 的瞬态动力学分析功能对弹性四杆机构和平面三杆机器人进行了仿真。 他们根据瞬时结构假设，借用结构分析的方法进行机构分析。在仿真中，杆件的 外力被作为静载荷通过多载荷步的方式加载，刚体惯性力则用惯性载荷的作用形 式等效，获得的结果与传统的弹性动力学分析比较吻合。但这些方案都未从根本 上解决问题：用f e a 软件进行动力学仿真的编程工作量仍较大，效率很低，而且 其概念与k e d 分析并不完全一致；单纯用a d a m s 建模与分析则只能获得一部分 刚体动力学指标，无法得出柔性体的变形、应力应变等重要指标。 现在，成熟的柔性机器人和弹性机构的动力学仿真软件还很少见。对柔性机 器人和弹性机构的动力学进行软件仿真通常是结合多体动力学软件和有限元分析 软件。其中较为著名的有多体动力学软件有n u b e m m ( 德) 、s y m ( 南) 、c a m s ( 保) 、a u t o l e v ( 美) 、d y n o c o m b s ( 美) 、s p a c a r ( 荷) 、d i s c o s ( 美) 、 d a d s ( 美) 、n e w e u l ( 德) 、m e d y n a ( 德) 、a u t o d y n ( 比) 、s i m p a c k ( 德) 、 c o m p a m m ( 西) 、d y m a c ( 美) 、m e s a v e r d e ( 德) 、a d a m s ( 美) 、p l e x u s ( 法) 、d a m s ( 美) 、d a d s ( 美) 、a d a m s ( 美) 等，有限元分析软件有n a s t r a n 、 a n s y s 等。 李论在文献 1 3 中首次结合a n s y s 和a d a m s 的主要功能，针对不同的情况， 建立了柔性杆机器人和柔性杆机构的仿真模型，并通过算例验证了其模型的正确 性。目前，将a d m a s 与a n s y s 结合进行仿真分析的方法主要用于柔性机器人的 一9 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 仿真，如文献 9 】、【1 3 】、【1 6 】、 1 8 】所述。本文首次将这种方法用于数控机床的仿 真，而且仿真了直线运动过程。 1 4 本文研究的主要内容 从上面综述可以看出，数控机床正向着高精度，研制周期短，造型宜人化方 向发展，这就需要对其结构强度、动态特性、造型等进行一些分析和研究。但几 乎没有一个商业软件能包罗万象，独立完成柔性机器人和本文所研究的柔性机床 的动力学分析和仿真。现在，本文尝试把当前应用较多的多体