【硕士论文】五轴数控高速铣削加工中心的仿真研究.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 ML E C 4 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 E C 4 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 Ab s t r a d AB S T R A C T N o w , f o l l o w i n g t h e d e v e l o p m e n t o f t e c h n o l o g y a n d t h e e m e r g e n c y o f t h e n e w p r o d u c ts , h i g h s p e e d , h i g h e f fi c i e n c y , h i g h p r e c i s i o n a n d h i g h r i g i d i t y h a v e b e e n t h e m a i n d e v e l o p i n g t r e n d o f n u m e r i c - c o n t r o l ( N C ) m a c h i n e t o o l s . T o m e e t t h e n e e d o f N C m a c h i n e t o o l s d e v e l o p m e n t a n d a d a p t t o t h e h e a t e d m a r k e t c o m p e t i t i o n , w e m u s t u s e a d v a n c e d m a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y t o d e s i g n t h e m a c h i n e t o o l w i t h e x c e l l e n t s e r v i ce c a p a b i l i t y . We a r e c o n c e rn e d a b o u t t h e s t ru c t u r e a n d t h e p r in c i p l e o f h i g h - s p e e d m a c h i n e s a n d h o w t o w o r k b e tt e r t o e n h a n c e t h e e f f i c i e n c y o f h i g h - s p e e d m a c h i n e . ht h i s p a p e r , t h e v irt u a l d e s i g n i n g a n d t h e v i rt u a l d y n a m i c s s i m u l a t i o n o f h i g h - s p e e d m a c h i n i n g t o o l a r e d o n e u s i n g v irt u a l m a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y o n t h e b a s i s o f v i rt u a l p r o d u c t i o n l i n e . F i r s t l y , t h e s t r u c t u r e o f H E R M L E M A C H INING C E N T E R C 4 0 i s a n a l y z e d . T h e m a i n m o d u l e s a r e c h o s e n . T h e V i r t u a l m o d e l s o f t h e m o d u l e s o f H E R ML E M A C H INING C E N T E R C 4 0 a r e a c c o m p l i s h e d a d o p t in g p a r a m e t r i c e n t i t y m o d e l i n g t e c h n o l o g y b a s e d o n f e a t u r e . A n d t h e n t h e v i rt u a l a s s e m b l y m o d e l s o f c o m p o n e n t s a n d w h o l e m a c h i n e a r e s e t u p u s i n g v i rt u a l a s s e m b l y t e c h n o l o g y . U s i n g A N S Y S s o f t w a r e , t h e i n h e r e n t fr e q u e n c i e s a n d t h e l i b r a t i n g m o d e l s a r e g o t t e n b a s e d o n t h e m o d e a n a l y z i n g t e c h n o l o g y . T h e v irt u a l m o d e l o f H E R ML E M A C H I N I N G C E N T E R C 4 0 i s p r o v e d t o b e s u i t a b l e f o r u s e . K e y Wo r d s : v i rt u a l p r o d u c t i o n l i n e , v i rt u a l m o d e l i n g , h i沙- s p e e d m a c h i n e , m o d e a n a l y z e , f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s 第 1 章 绪论 第 1 章 绪论 1 . 冬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， 拥有巨大的需求空间。 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，减少了加工时间 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I 1 a 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，井取得了 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 仁 要提供者。 美国H A A S 公司生产的V F - S S 系列超高速奋 式加工中心采用的是3 0 马力矢 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T 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 M 3 0 0 G r a p h i te M a s te 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 K 4 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w 1 . 1 . 2国内高速数控加工中心的发展状祝 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，桂林机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 w 沈阳中捷摇臂钻床厂生产的G M B 系列龙门式数控键铣加工中心可以将工件 在一次装夹后高精度、高效率的连续完成铣、锉、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五面加工。 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 第 1 章 绪论 主轴， 提供转速由 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， 形成独立的平面空间， 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己经给予较大的关注，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千切 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 常对一定范围的产品，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。 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 rt u a l m a n u f a c t u ri 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4 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( 对己 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 I 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4 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，使控制规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4 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、工装夹具、刀具等，制定出一 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。世界制造业的发展已呈现 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C 4 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 ML 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 第2 章 14 E R ML E C 4 0五轴高速铣削加工中心结构分析 第2 章 H E R M L E C 4 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。 我国现己 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 第2 章 H E R ML E C 4 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 z ) 。 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I 2 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 【“ . 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，严重影响加工质量。另外，加工时因高加速度或高减速度产生的惯性力 第2 章 H E R M L E C 4 0五轴高速铣削加工中心结构分 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fz . 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。 9 . 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I Z . 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箱等形式。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 IS 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X6 - 8 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 E C 4 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 . 2 H E R M L E 0 4 0 五轴数控高速铁削加工中心的结构分析 2 . 2 . 1 H 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 . 2 H E R M L E C 4 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 ML E C 4 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 C 4 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 ML 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。 C 4 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 ML E C 4 0五轴高 速铣削 加丁 中心结构分析 进行 加工过程的 动态仿真，实 现一些加工动作，还要建立一个刀具 的模型，便 于观察 和监测。高 速数控加工机 床的三维虚拟模型是由 各个零部件装配在一 起 组成的， 在各零部件建模结束后，需将这些零部件组装在一起， 形成完整的机 床虚 拟模型。在装 配过程中， 要确定各零部 件之间的 几何约束关系， 主要包括: 对齐、同 轴、 平行、垂直等，并且需要确定它们之间的相对运动关 系，从而使 装配 好的高速数 控加工机床符合虚拟生产线设计 和布局的需要。 第3 章 H E R M L E C 犯 五 轴息速铣削加工中 心虚拟建 模及装配仿真 第3 章 H E R M L E C 4 0 五轴数控高速铣削加工中心虚拟建模 及装配仿真 3 . 1 H E R M L E C 4 0五轴数控高速铣削加工中心虚拟建模 3 . 1 . 1 虚拟制造技术的概述【 1 $ . M 虚拟制造是2 0 世 纪 8 0 年代提出 的， 在 2 0 世纪9 0 年代得到重视和发展。 虚拟制造技术的研究与应用是以C I MS为基础的。 虚拟制造 ( 这里的制造指广义 的大制造，包括产品的设计与生产)是指利用计算机模型和仿真来实现产品的 设计和生产的技术，它以信息技术、仿真技术、虚拟现实技术为支持，在产品 设计 或制造系统的 物理实 现之前，就能预测或感受到未来产品的 形态、 行为和 性能或者制造系统的状态，从而可以作出前瞻性的决策与优化实施方案。简而 言之， 这是一种在 计算机中实现的制造 技术， 它从根本上改变设计、 试制、 修 改设 计、 规模生产的 循环反复、串 行式传 统制造模式叫。 虚拟制造是一个处于发展中的新概念，它将随着技术的发展和人们科学研 究成 功的 积累而不 断得到 丰富和 深化。 根据目 前研究中出 现的侧重点， 可以 将 虚拟制造归纳成不同的类别。 ( 1 )“ 以 设计为中 心的 虚拟制造”。 这类研究是将制造信息加 入到产品设 计与 工艺设 计过 程中，并 且在计 算机中 进行数字化的 “ 制造”，仿真多种制造 方案，检验其可制造性或可装配性，预测产品性能和报价成本。其主要目的是 通过不同逼真程度的 “ 制造仿真”来优化产品的设计及其工艺过程，尽早发现 设计中潜在的问题。 ( 2 ) “ 以生 产为中心的虚 拟制 造” 。这类研究是将仿 真能力 加入到生产计 划 模 型 中 ， 其目 的 是 方 便 和 快 捷 地 评 价 多 种生 产 计 划 ， 是I P P D ( In t e g ra te d P r o d u c t P r o c e s s D e s ig n ) 到 基 于 生 产 的 物 理 层 映 射， 检 验 新 工 艺 流 程的 可 信 度 、 产 品 的 生产效率、资源的需求状况 ( 包括购置新设备，征询盟友等)，从而优化制造 环境的配置和生产的供给计划。 第3 章 H E R ML E C 4 0五轴高速铣削加工中心虚拟建模及装配仿真 3 . 2 H E R M L E C 4 0五轴数控高速铣削加工中心虚拟装配 3 . 2 . 1虚拟装配理论 产品装配是将零散的零部件组装成为完整的产品，是产品生产制造过程的 最后一 个环节。传统加工中的产品装配一般利用实物样机模型 来完成。 有时出 现一个小小的问题或修改都有可能导致样机拆开重新装配，一个合格产品的批 量生 产、 推向 市场前都要经过多次这样的调整、 调试。 这是一 个费时、费力的 工作， 还会造成人力、财力、 物力的 浪费. 在现在市场竞争日 益激烈的氛围中， 要求企业调整产品的生命周期，可以快速响应市场需求，这时，传统的装配设 计方法已经不能满足企业的需要了。 虚拟装配正是在这种需求下逐渐发展起来的。虚拟装配一般指无需产品或 支撑过 程的物理实现，只需通过分析、先验模型、 可视 化和数 据表 达等手段， 利用计算机工具来安排或辅助与装配有关的工程决策。虚拟装配是一种将 C A D 技术、可视化技术、仿真技术、决策理论及装配和制造过程研究、 虚拟现实 技 术等多 种技术加以 综合运用的 技术 1 6 装配模型是指一组零件经过一系列的装配操作后生成的具有确定关系的模 型，是 对装配体的一种抽象表达。一般而言， 产品的 装配模型 包括零件的实 体 信息、 零部件之间的装配关系，以 及由 装配关系所决定的空间 位置 关系。 装配 建模的目的就是为了描述装配零件间的关系，因此不论采用什么方法建模，都 必须满足两个条件:包含零件本身的所有特征约束关系，包含零件间的所有功 能 尺寸关系 leJ 。零部 件的 装配关系是零部 件之间的 相对位置和配合关 系的 描述， 反映零 部件之间的相 互约束 关系。 其约束关系有:几何关系、 运动关系和排斥 关系。 几何关系主要 描述零 部件的几 何元素之间的相互关系 ( 配合、 对齐、偏 置 和接触)。 运动关 系是指 零部 件之间 存在的相对运动如直线运动、 旋转运动 的 一种关系。排斥关 系表示部件之间 存在的 相容和排斥的 关系。 虚拟装配是虚拟制造中 至关重要的 一环，其作用和地位可归结为以下几个 方面:拟定结构方案，优化装配结构，使理论方案结合车间现有装配设备情况 和工人的装配水平等因素寻求装配方案的 最优解;改进装配性能，降 低装配成 本， 确保零部件能 够装配到位， 且装配方法简单易 行: 保证 产品的可 制造性， 如果产品不可装配，那么无论多先进的制造水平都显得毫无意义，因此，产品 第4章 机床动态分析理论 第 4章 机床模态分析理论 4 . 1引言 机床是加工制 造的 最基本的设备。随着经济及技术的 发展，现代制造企业 向 高精度、高速度、高效率的方向 飞速发展。 对机床的设 计就提出了更高的要 求。不仅要求机床重量轻、刚性好、作业空间大，而且要求机床的加工速度快 以 及加工精度高。而影响机床加工精度和刚 度的因 素除与自 身的制造、装配精 度 及 刀 具 有 关 外 ， 主要 取 决 于 机 床整 机 及零 部 件 结 构的 动、 静、 热态 性 能 。 但 是由 于 机 床 结 构 庞 大 、 设 备 吨 位 大 、 制 造 费 用 高 ， 因 此 ， 要 预 先 对 机 床 性 能 进 行准确的预测，必须对机床整机进行动力学分析，这是机床设计工作的一项重 要内容。 机床动力分析大多 采用有限元分析方法。 有限 元分析 是一种用来分析计算 复杂结构的极为有效的数值计算方法。为机床的模态分析提供了有力的工具。 经过4 0 多年的发展，有限元技术己 非常成熟。 在功能上， 有限元软件的前 处理 器能够调用 C A D 中的几何模型，可以快捷实现单元网络的划分，灵活地施加各 类边界条件，定义材料的特性;求解器带有适合不同问题的求解算法;后处理 器可给出 所需的可视化的 技术结果 ( 等值线、 等值面、 云图、 动画等)。在性 能上，可 完成线性与非线 性问 题、 静力与动力问题等。 有限元分析法首 先应用于 航空工程，由 于其方法有效而被迅 速推广到机械 工程领域中。国际上 早2 0 世纪在 5 0 年代末、 6 0 年代初就投入大量的 人力 和物力 开发具有强大功能的有限元分析程序。 其中最为著名的是由美国国家宇航局 ( N A S A ) 在1 9 6 5 年 委托美国 计算科学公司 和贝尔 航空系 统公司开发的 N A S T R A N 有限元分析系统。从那时到现在， 世界各地的研究机构和大学也发展了一批规模 较小但使用灵活、 价格较低的专用或通用有限元分析软件， 主要有德国的A S K A. 英国的P A F E C 、法国的S Y S T U S 、美国的A N S Y S . M A R C 和S T A R D Y N E 等公司 的产品。 实践证明有限元分析对复杂结构机械系统的动力学分析是十分有效的。我 国对机床有限元分析始于2 0 世纪7 0 年代，并且在9 0 年代得到飞速发展。不论是 第4章 机床动态分析理论 理论研究还是计算机软件技术的发展都为本文的机床动力学研究创造了良好的 条件。 4 . 2机床动力分析的研究内容 为适应机床的现代化发展，除了要求机床重量轻、成本低、使用方便和具 有 良 好的工艺可行性外，还着重要求机床具有愈来愈高的加工性能。机床的加 工 性能 包括其加 工质量 和切削效率两 个重要的方面，通常用被加工零件能 达到 的 最高 精确度和表面光洁 度来评定机 床的加工质量，用金属切除 率或切削用量 的 最大极限 值来 评定 机床的切削效率。而机床的加工性能 又与其动态性能紧密 相关，事实证明，随着机床加工性能的不断提高，对机床动态性能的要求也愈 来愈高。 在机床切削 加工时，刀具与工件之间的相对变位直接影响着机床的 加工质 量 和切削 效率， 而刀具与 工件的相对 变位又受作用在机床上的 各种力，以 及机 床一工件一刀具弹性系统的力学特性的影响。因此为提高机床的加工性能，除 了要减小作用在机床上的各种力以外，还应提高机床的静刚度和动态性能。本 文仅讨论减小动态力和提高动态性能的问题。机床的动态性能主要是指它抵抗 振动的能力，包括其抗振性和稳定性。 为提高机械结构动态特性，优化结构设计，提高产品质量，要对机床进行 动力学分析，获得机床零部件直至整机的动态特性参数，如固有振动频率、动 力响 应位移和噪声 指标等， 进而 对其进行动态优化，使所设计的机床具有良 好 的动态性能，使之能够发挥出应有的加工性能。 对机械结构进行动力学分析一般分为两类问题: 一类是根据一个给定的系 统建立其数学模型， 通过动力学分析完成系统的 性能分析，然后根据系统性能 参数设计系统结构，但是在很多情况下结构设计不易实现，这类问题被称为动 力学“ 正” 问 题; 另 一类是对已 有的设计 结构进行动力学分析， 并根据分析结果， 修改设计方案或者结构参数，使其满足动态特性要求， 此类问 题被 称为 动力学 “ 反 ” 问 题 n 机床动态特性 研究内容包括机床结构的固有特性分析和动力响应分 析。固 有特性由固有频率、振型等一组模态参数构成，它由 结构本身 ( 质量与 刚度分 布)决定，而与外部载荷无关，但决定了结果对动载荷的响应:动力响应分析 第4章 机床动态分析理论 是计算结构对给定动载荷的各种响应特性，包括位移响 应、 速度响 应、加速度 响应以及 动应变和动应力 等U e 7 研究机床动态特性目 的是根据分析计算结果，了 解机床结构固 有的振动特 性，优化机床结构使其具有更好的动刚度， 提高 抗振动能 力。 机床的 抗振动能 力是指机床抵抗受迫振动和自激振动的能力。机床对受迫振动的抗振能力主要 在于避开共振.解决的方法是建立机床结构的动力学微分方程，得到机床结构 的固有频率和振型. 从而在机床优化设计中， 控制机床工作的 激振频率 远离机