五轴加工中心的动力学分析

摘要数控铣床日益向高速度、高精度和高刚度的方向发展，其机构日趋复杂，对其工作性能的要求越来越高。而发达国家在进出口技术含量高的五轴联动加工中心方面，对我国进行限制。所以，我国就必须自主开发。虚拟制造技术的发展应用，为开发研究高技术数控机床产品提供了技术手段。本科题的主要任务是在设计阶段采用有限元法完成基础件（底座、工作台、滑枕、立柱）及整机的虚拟动力学分析。其虚拟动力学研究包含两个方面：固有振动特性分析和响应特性分析。对基础件（底座、工作台、滑枕、立柱）及整机进行了固有振动特性分析，得出了相应的固有频率和振型，通过振型的动画显示，形象而逼真地描述各模态的振动过程。对滑枕进行了响应特性分析，得出了主轴在工作转速下的响应位移，并绘出了主轴在一系列频率下的响应位移对频率的曲线。本课题的研究，为设计高性能的基础件（底座、工作台、滑枕、立柱）及整机提供了可靠的理论依据，缩短了产品的开发周期，降低了开发成本，其中的分析方法易于推广到其它各类机床的开发研究中，故本课题的研究方法及结论具有广泛的工程意义。ABSTRACTThemillingmachineisdevelopingtowardshighspeed,highprecisionandhighrigidity,itsorganizationisbecomingmorecomplex,theneedofitsworkperformanceisbecomingmore.ForthedevelopedcountriesrestrictourcountryinimportingtheNCmachinewith5-axeslinkage,weshoulddoitbyourself.ThedevelopmentandapplianceoftheVMTprovidethetechnicalmeasurementinexploitingtheNCmachinetoolofthehightechnology.Themaintaskofthisstudyistheaccomplishmentofthevirtualdynamicsofthebasicpartsincludingworktable、base、sliderandthewholemachinebymeansofthefiniteelementanalysis.Thevirtualdynamicsresearchincludetwosides:theanalysisoftheinherentlibrationspecialityandtheanalysisoftheresponsespeciality.Theanalysisoftheinherentlibrationspecialityoftheworktable、base、sliderandthewholemachineoththesystemisdonetogettherelevantinherentfrequenciesandthelibratingmodels.Themovingshowofthelibratingmodelsdescribesthevibratingprocessofseveralmodes.Theanalysisofthesliderisdoneontheslider,theresponsedisplacementoftheworkingspeedisgotten.Thecurveoftheresponsedisplacementandthefrequencyisdrawn.Thevirtualdynamicsresearchisdoneinthisthesis,toshortentheexploitingperiodoftheproduct,andtoreducetheexploitingcost.Thereliabletheoryisprovidedtodesigntheworktable、base、sliderandthewholemachineperformance.Thewayiseasytoextendtotheresearchoftheothermachinetools.Sothewayandtheconclusionisofabroadengineermeaning.1．1课题研究的来源和技术背景本课题的主要任务是对五轴加工中心的动力学分析（固有振动特性分析和响应特性分析）。以北京航空航天大学、北京机械工业学院和桂林机床股份有限公司合作开发数控滑枕床身铣床为技术背景，具体的研究对象是一台五轴加工中心的基础件（床身，工作台和滑枕等）以及整机模型。五轴加工中心（在铣头上具有C轴和A轴（或B轴）回转功能）是数控机床产品中的高技术难度产品。由于这种机床可进行复杂曲面的加工，易于实现高速，除提高加工效率外并可确保产品的精度，这是当前高性能航空、宇航等军工产品所需要的。因此，长期来被国外列为禁止进口产品。目前，我过机床行业正在致力于研究开发。尽快研究制造出这种五轴加工中心产品，以适应军工产品的需要并填补国内空白，在机械制造行业中具有重大的意义。研究开发的五轴加工中心要求具有较高的性能技术指标，接近国际先进水平。机床不仅要具有多坐标复杂曲面的加工功能，而且还应该具有高速度、高刚度和高精度的要求。因此，这种机床的研究开发是一个难度很大的任务。由于五轴加工中心日益向高速度、高精度（工件的加工精度）和高刚度的方向发展，其机构日趋复杂，对其工作性能的要求越来越大越高。五轴加工中心的动态性能对机床的整体特性影响很大。为使五轴加工中心安全可靠地工作，其结构必须具有良好的静动特性，故对其进行动力学分析是个重要的任务。虚拟制造技术的发展应用，为开发研究高技术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，如何在设计阶段采用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课题。为了缩短产品开发周期，降低开发成本，本课题的主要任务是在设计阶段采用有限元法完成基础件（床身，工作台和滑枕等）以及整机模型的虚拟动力学分析研究。1．2课题研究的主要内容五轴加工中心主要应用于具有复杂曲面的工件的加工。在航空、航天、汽车、造船和模具制造等重要产品生产领域具有非常重要的用途。与三轴数控加工相比，五轴加工能够实现更复杂型面工件的加工，得到更好的表面加工质量。有两种五轴加工中心的结构形式。一种是三个直线运动和两个回转运动均在工作台上实现，如图1-1所示。这种结构的机床目前国内已经能够自己设计制造。另一种五轴加工中心的结构是在铣头上具有C轴和A轴（或B轴）回转功能，见图1-2。图1-1在工作台上具有C轴和A轴（或B轴）回转功能五轴加工中心图1-2在铣头上具有C轴和A轴（或B轴）回转功能五轴加工中心多年来，我们不能自己生产而受国外限制的原因很多。由于国外的技术封锁，缺乏可参考的技术资料。研究开发一台五轴加工中心需要多种方案的反复比较及试验，也需要大量的技术投资和较长时间。因此，国内的机床制造企业常常无力进行此开发研制。虚拟制造技术的应用，为高速五轴加工中心的开发研制提供了非常有力的技术途径。实现五面体加工的机械传动头有它自己的特点。采用机械传动，主轴的刀具锥柄为BT50（直径最大，应用面广），C轴回转360度，主电机转速范围为120-6000rpm，可以满足相当大范围的零件加工，可以进行大切削量的粗加工和精加工。五轴加工中心主轴系统，分为两部分：滑枕部分和用于五面体加工的铣头部分。该五轴加工中心主轴系统的滑枕部分是通用的，可以连接高速电主轴万能铣头或机械传动万能铣头。1．3课题研究的主要方法一个机床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；样机制造；性能实验；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。虚拟制造技术是将虚拟现实技术应用于机床新产品的设计开发。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设计虚拟样机模型。对实体机床的实验和评价过程可以完全用计算机虚拟地进行，节约了大量样机试制投资，也缩短了开发时间。虚拟现实技术（VRT）是利用计算机生成一个三维空间，用户置身于该环境中，借助轻便的多维输入输出设备，并根据由此产生的一种身临其境的感觉，去感知和研究客观世界的变化规律。用户在虚拟的环境中可以“自由”运动，任意观测周围的景物。虚拟制造技术不消耗现实资源和能量，是生产部门的产品变为可观的虚拟产品，但它具有真实产品所必须具备的所有特征。通过装配模型软件的使用，产品设计人员还可以检查部件间的间隙和部件间相互运动的干扰，并在现实加工之前，建立整个产品虚拟工作原型，对此虚拟原型进行虚拟实验分析，如固有振动特性分析和动力响应特性分析等，如果设计不符合要求，可以十分方便地更改模型。机床典型的虚拟研究有：机构运动分析的虚拟运动学研究；动态性能分析的虚拟动力学研究；虚拟热性能分析研究等。虚拟弹性体动力学研究目的是得到机床的动态特性参数，如固有振动频率、动力响应位移、动力响应应力和躁声指标等。它主要借助于大型有限元分析软件，本课题使用的是ANSYS5.7软件。进行虚拟弹性动力学研究使用的模型是通过PROE软件建立经修改之后由ANSYS软件导入生成。进行虚拟弹性动力学研究使用的模型已不是立体数字样机模型，而是样机模型经过二次建模所得到的力学和数学模型。二次建模是针对机床产品的特点而采用的虚拟现实技术，根据不同的分析任务，需要建立不同的模型。建模需要考虑多种因素的影响。本课题的分析方法易于推广到其它各类机床的开发研究中，具有广泛的工程意义。2.1有限单元法的基本概念五轴加工中心的动力学分析主要研究基础件（床身，工作台和滑枕等）以及整机模型的固有振动特性及动力响应特性，以确保五轴加工中心工作的稳定性、安全可靠性和加工精度。本课题使用有限元法进行动力学分析。动力学分析的方法很多，如传递矩阵法、试验模态法和混合法。有限元法具有其它方法无法比拟的优点。有限元法是一种采用电子计算机求解结果静、动态力学特性等问题的数值解法。在机械结构的动力学分析中，利用弹性力学有限元法建立结构的动力学模型，进而可以计算出结构的固有频率、振型等模态参数以及动力响应。由于有限元法具有精度高、适应性强以及计算格式规范统一等优点，故在短短50多年间已广泛应用于机械、宇航航空、汽车、船舶、土木、核工程及海洋工程等许多领域，已成为现代机械产品设计中的一种重要工具。特别是随着电子计算机技术的发展和软、硬件环境的不断完善以及高档微机和计算机工作站的逐步普及，现在已有许多著名的有限元程序（如ANSYS、ANDIA、NASTRAN、SAP等）可用，从而为有限元法在机械结构动态设计中的推广应用创造了更为良好的条件，并将展示出更为广阔的工程应用前景。有限元法的基本思路是：1.物体离散化把很复杂的结构拆分为若干个形状简单的单元，这些单元一般要小到可以用简单的数学模型来描述特性参数在其中的分布，这一步骤称为离散。离散后单元与单元之间利用单元的节点相互连结起来；单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质，描述变形形态的需要和计算精度而定。所以有限元法中分析的结构已不是原有的物体或结构物，而是同样材料的由众多单元以一定方式连接成的离散物体。这样，用有限元分析计算所获得的结果只是近似的。如果划分单元数目非常多而又合理，则所获得的结果就与实际情况相符合。2．单元特性分析1）选择位移模式在有限单元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法；选择节点力作为基本未知量时称为力法；取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合法。位移法易于实现计算自动化，所以在有限单元法中位移法应用范围最广。当采用位移法时，物体或结构物离散化之后，就可把单元中的一些物理量如位移、应变和应力等由节点位移来表示。这时可以对单元中位移的分布采用一些能逼近原函数予以描述。通常，有限元法中我们就将位移表示为坐标变量的简单函数。2）分析单元的力学性质根据单