重型机床大型结合面实验研究与应用.docxVIP

重型机床大型结合面实验研究与应用一、负责该项目的我校科研团队介绍北京工业大学精密超精密加工国家工程研究中心有教师26人，其中教授10人，博导6人，副教授10人，研究中心主任为蔡力钢教授。主要研究方向有数字化设计与制造，机床动力学与测试评价，先进制造与故障诊断技术，精密制造与测量，振动理论与测试等。实验室面积达1500平米，仪器3500多万元。近五年到校科研经费5000多万元。在研国家高档数控机床重大专项课题7项，国家自然基金10项，国家支撑计划4项。近五年共发表论文300多篇，发明专利15项，成果转让10项。二、合作方概况介绍北京北一数控机床有限责任公司是我国大型高档数控机床的骨干龙头企业，2003年在北京林河工业开发区投资20多亿元兴建北京数控机床生产基地，引进了一批世界一流的装备。全资收购了世界一流的重型机床企业德国阿道夫瓦德里希科堡机床有限责任公司，使北京北一数控拥有了专门生产大、重型复合数控机床与功能部件等世界一流产品的条件。与日本大隈、日本圣和精机、法国法康和等组成北一大隈、北一圣和、北一精机和北一法康等合资公司，使公司直接与国际技术和市场接轨，大大提高公司的技术水平和竞争能力，使北京北一数控机床有限责任公司已成为国内一流的现代化机床制造企业。三、合作项目的特点及合作过程针对重型机床的拴接固定、静压导轨与静压转台三类主要结合面,研究大型结合面的基础实验，动静态特性辨识、建模、性能预测方法；基于结合面耦合特性的机床动静态特性分析、优化以及测试与评价方法；开发重型龙门数控机床大型结合面特性建模与应用工具,并将研究成果和应用工具在北京第一机床厂承担的三台04重大专项产品的研发中应用，为龙头企业在引进、吸收和消化国外先进技术的基础上进行产品自主研发、创新设计与改进设计提供理论依据与技术支持；（1）针对重型龙门数控机床大型固定与静压等大型结合面综合性能预测与耦合应用的难点，采用理论分析与基础实验相结合的方法，深入研究了大型结合面的力学机理，建立了结合面的动静态特性预测模型。（2）通过大型试件的对比实验，以及在制造与使用现场对机床特性的综合测试与分析，对预测模型进行修正和完善，使得模型具有工程实用性。（3）提出了大型结合面动静态特性耦合建模、分析与求解方法，为重型数控机床基于结合面特性的整机动静态特性建模与分析奠定了基础。（4）开发了“重型龙门数控机床大型结合面特性建模与应用工具”，主要包含“结合面实验数据与模型管理系统”以及“机床动静态用特性建模与分析工具”两个部分。前者包含：用户管理、结合面特性建模与预测（含立柱与连接梁栓接结合部、立柱与滑座栓接结合部、分段式横梁高强栓接结合部、横梁与立柱静压导轨结合部、溜板与横梁静压导轨结合部和转台静压导轨结合部的建模与分析等）、机床数据管理等模块等；后者主要包括用户接口，网格划分工具以及机械动力学分析工具（Ansys），用于将“结合面实验数据与模型管理系统”中的结合面特性数据或模型耦合到重型机床动静态模型中，以便完成对机床动静态特性的建模与分析，如大型横梁、静压导轨、龙门框及整机动静态特性建模与分析等。四、项目合作中遇到的问题及解决办法项目中遇到超长横梁承载曲线优化、分段式横梁综合性能、龙门框启停冲击等工程 问题。 图1. 重载数控龙门机床示意图针对重载数控龙门机床在横梁及龙门框等关健部件基于理论研究、基础实验、现场实测相结合的方式解决了这些工程实际问题。图2. 重型机床结合面实验分析与测试评价 1）考虑固定、滑动与静压导轨结合面等耦合因素，对四种横梁的动静态特性建模、分析以及测试与比较。解决了超长横梁承载曲线优化问题。 2）通过理论分析与测试对28105分段式动梁的栓接结合面的特性及与整体式横梁的动力学特性差异进行评价。考虑结合面等耦合因素，对两种横梁进行承载曲线设计。解决了分段式横梁综合性能优化与评价问题。 3）考虑结合面耦合因素，已完成了考虑静压导轨结合面与固定栓接结合面等耦合因素情况下四种龙门框建模、模态分析及相应的测试工作；通过结合面耦合因素的影响分析、测试和比较了XKA28105的启停特性，分析了各个结合面对机床启停点头量的贡献进行了预测，并采取措施，解决了龙门框启停冲击，提高了机床性能。五、合作项目最终产生的经济效益 将成果应用于三台重型桥式龙门五轴联动车铣复合机床（型号为XKA28105、XKA2780和XKU2890）中，提高了产品质量及可靠性，缩短了开发周期。特别是10米车铣复合机床（XKA28105），其功能、规格和性能在国际上都处于领先，替代了进口产品。成果的成功应用，使北一的重型龙门机床从8米跨越到10，并开发出跨度超过10米的重型立车新产品。以上系列产品的销售收入已经达到近4亿人民币，价格比国外同类产品低40%以上，产生了很大的经济和社会效益。 图3. 10.5米重型龙门五轴联动车铣复合机床XKA28105图4. 8米重型桥式龙门五轴联动车铣复合机床XKA2780图5. 9米重型桥式双龙门五轴联动复合机床XKAU2890项目形成具有自主知识产权的发明专利6个，实用新型5个，重型龙门数控机床大型结合面特性建模与应用工具1套，软件著作权2个，在国内外重要期刊上发表论文16篇。六、项目合作的经验和运作模式 通过北京第一机床厂德国科堡北京工业大学组成的产、学、研、用合作纽带与平台，以北京工业大学精密超精密加工国家工程研究中心、北京市先进制造技术重点实验室和北京第一机床厂国家级企业技术中心为依托，在引进、消化和吸收国际上重型与超重型数控机床机床动静态特性研究的最新科技成果的基础上进行创新。通过课题的实施的契机，北京工业大学与北京第一机床厂进一步建设和完善“北京市数控联盟重型机床开放式实验室”，“机械工业重型机床数字化设计与测试评价重点实验室”以及“国家精密超精密加工工程研究中心”等重型机床实验室平台，通过平台的建设和课题的实施凝聚创新人才队伍，为国家和企业培养高水平的课题创新人才，建立了20人专门从事重型数控机床研发稳定的产、学、