2007年1月機(jī)床與液壓Vol 35 No. 1第35卷第1期MAChine TOOL hydraulicsJanuary 2007車(chē)模加工新方法及動(dòng)力學(xué)研究侯紅玲2,邱志惠2,趙永強(qiáng)(1.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)宣,西安7100492.陜西理工學(xué)院機(jī)電工程系,陜西漢中723003)摘要:針對(duì)在制作汽車(chē)覆蓋件模具的過(guò)程中,模型精修加工時(shí)存在手工打磨精度差、人為因素多等問(wèn)題,提出了一種新的加工方法,該方法是通過(guò)對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單改裝,把測(cè)量頭改裝成球頭銑刀,使其同時(shí)具有五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的功能,既可檢測(cè)又可以進(jìn)行模型精修。研究并建立了它的動(dòng)力學(xué)模型,并在 ADAMS軟件系統(tǒng)中進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)性能分析結(jié)果證明,該機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)曲面加工,有效地解決了目前精修時(shí)存在的問(wèn)題,提高了加工精度和效率,并且節(jié)約了設(shè)備投關(guān)鍵詞:三坐標(biāo)測(cè)量機(jī);汽車(chē)模具;動(dòng)力學(xué)模型中圖分類(lèi)號(hào):TH05文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1001-3881(2007)1-051-3Research on New Method of Car Model Machining and dynamicsHOU Hongling", QIU Zhihui", ZHAO Yongqiang(1. State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering, Xi an Jiaotong UniversityXi'an 710049, China; 2. Dept of M. E Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723003, China)Abstract In order to resolve the problems on milling car model used to fabricate mold by manual finishing which usually result inlow precision, man-made factors greatly, a new machining method was advanced. The three coordinate measure machine was changedto have an additional function of numerical control machine through replacing the measure top with milling cutter, furthermore, the dynamics equation was founded, and the dynamics performance was analyzed in ADAMS. The results show that the new method can millurved surface effectively and settle actual problem, and increase the precision and efficiency. In addition the method saves the equip-ment investment.Keywords: Three coordinate measure machine; Automobile mould; Dynamics model部車(chē)的造型過(guò)前市場(chǎng)上用的三坐程要經(jīng)歷以下過(guò)程標(biāo)測(cè)量機(jī)(如圖造型設(shè)計(jì)、油泥模型2),主要是進(jìn)行制作、三維數(shù)控銑各種測(cè)量?，F(xiàn)在我主模型驗(yàn)證、非標(biāo)準(zhǔn)們?cè)O(shè)想將它改進(jìn)成件的制造與安裝。在具有加工功能的高整個(gè)過(guò)程中,比較費(fèi)圖1汽車(chē)模型精修現(xiàn)場(chǎng)速銑削機(jī)床,采用時(shí)、關(guān)鍵的工序就是數(shù)字控制,對(duì)各種車(chē)模油泥模型的后處理"。它要靠技術(shù)工人的經(jīng)驗(yàn)保曲面進(jìn)行加工,并圖2三座標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)車(chē)模進(jìn)行測(cè)證車(chē)模的曲面的輪廓及精度,在實(shí)際操作中有一定的對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量檢難度。圖1所示是汽車(chē)模型工精修車(chē)模的現(xiàn)場(chǎng)。測(cè)。這種一機(jī)多功能的設(shè)備在國(guó)外應(yīng)用較多,尤其是美國(guó)的富蘭克林和意大利的“MB"主要生產(chǎn)合日本。目前國(guó)內(nèi)尚未研制出這種機(jī)器,從發(fā)展的角金車(chē)模。富蘭克林的模型多年以來(lái)一直雄踞模型霸主度來(lái)看,開(kāi)發(fā)這種機(jī)器迫在眉睫。地位,但是它的工藝全部靠手工打造;“MR"”一直以1功能要求與原始參數(shù)生產(chǎn)限量的l:43模型而享譽(yù)歐美模型市場(chǎng),不過(guò)工根據(jù)機(jī)床的應(yīng)用領(lǐng)域和加工對(duì)象確定機(jī)床設(shè)計(jì)的藝也是靠手工打造。原始參數(shù),如表1所示據(jù)勞動(dòng)和社會(huì)保障部2004年發(fā)布的消息:汽車(chē)表1車(chē)模數(shù)控銑機(jī)床的參數(shù)模型工是在20世紀(jì)80年代初期形成的,目前從業(yè)人快速移動(dòng)速度24m/nin員大約有1000多人,分布在全國(guó)20多個(gè)省、市,H中國(guó)煤化工om2k W100多家汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)?？梢钥闯?目前這樣的人才CNMH GO00Omm x 3400mm不多,這么精細(xì)的工作僅靠這些技術(shù)工人的熟練程度c軸的最小分度角和個(gè)人主觀(guān)來(lái)保證,在實(shí)際實(shí)施中有一定的難度。最大加速度1.0考慮設(shè)計(jì)一臺(tái)數(shù)控機(jī)床,使這一過(guò)程自動(dòng)化。日刀具最大直徑機(jī)床與液壓第35卷由于汽車(chē)模型形狀復(fù)雜,曲率變化大,在設(shè)計(jì)由于銑頭的重量和橫梁的自重引起立柱的彎曲變時(shí)除了X、Y、Z三個(gè)方向的移動(dòng)外,還需要銑刀繞形,使立柱上端Q點(diǎn)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角03w,從而導(dǎo)致橫梁空間A、C軸的擺動(dòng)或旋轉(zhuǎn)(圖6)。其中A、C兩個(gè)上A點(diǎn)的下沉量y的計(jì)算:方向的運(yùn)動(dòng),由伺服電機(jī)控制,電主軸直接和銑刀連接,不需要中間的連接部件3。實(shí)際上是一個(gè)五坐標(biāo)E2,=2.49×10d控制的機(jī)床設(shè)計(jì)。yA=64l=-0.0486mm2汽車(chē)模型新型數(shù)控銑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)A點(diǎn)總撓度:2.1總體布局總體布局是決定全計(jì)算出了橫梁的變形量,可以采取一定的措施來(lái)局的重要問(wèn)題,它對(duì)產(chǎn)滑架修補(bǔ)誤差,采用調(diào)整補(bǔ)償原理。采用雙層結(jié)構(gòu),夾層品的制造、運(yùn)輸和使用懸之間設(shè)置調(diào)整螺釘,用來(lái)調(diào)整預(yù)變形。但是對(duì)于懸臂都起著決定性作用。根式結(jié)構(gòu),水平懸臂的變形不僅是Y的函數(shù),而且是Z據(jù)工作原理,綜合考慮的函數(shù),即不僅與水平臂的伸出量有關(guān),而且與滑套各部件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系的上下位置有關(guān),因此這種調(diào)整方法只能在一定程度和相互位置;同時(shí)考慮上減小變形誤差,而無(wú)法消除它。在有限元分析軟件精度、穩(wěn)定性、體積和中,對(duì)結(jié)構(gòu)不同的橫梁進(jìn)行了靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析重量,決定采用懸臂單最終確定了橫梁的結(jié)構(gòu)為加斜筋截面的橫梁。立柱式結(jié)構(gòu),如圖3所鼙替2.3轉(zhuǎn)臂的設(shè)計(jì)在圖5所示的2.2橫梁的受力分析圖3懸臂式單立柱式結(jié)構(gòu)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)采用單立柱式結(jié)構(gòu)時(shí)量頭處,安裝球磨由于橫梁(如圖4)是長(zhǎng)銑刀,并由原來(lái)的的懸臂梁,剛度要求較高3自由度改為5自當(dāng)橫粱方向的行程最大時(shí)由度。圖4就是具立柱產(chǎn)生最大彎曲變形?！傅鬃?自由度的轉(zhuǎn)臂橫梁由自重產(chǎn)生的變形也結(jié)構(gòu)?？梢酝ㄟ^(guò)數(shù)會(huì)增加到總變形上,從而控系統(tǒng)對(duì)車(chē)模曲面嚴(yán)重地影響了Z軸、Y軸進(jìn)行加工。圖5三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量頭外觀(guān)圖的精度。為了提高機(jī)器的圖4橫梁簡(jiǎn)化后模型如圖6中所示,精度,必須進(jìn)行定量地分轉(zhuǎn)臂將橫梁和電主析,計(jì)算出誤差數(shù)值以便修正或補(bǔ)償軸聯(lián)接起來(lái),并使橫梁帶動(dòng)銑頭處在遠(yuǎn)端時(shí),橫梁上A點(diǎn)的撓度電主軸可以在空間及截面轉(zhuǎn)角計(jì)算:繞A、C軸擺動(dòng)。(1)由銑頭重量引起的變形另外,對(duì)于電主軸yv=-3B7=-0.0783m的擺動(dòng)有兩種實(shí)現(xiàn)方法:一種是可以電主軸2EI6.02x10在線(xiàn)及時(shí)調(diào)整使電(2)由自重引起的垂直方向的變形機(jī)擺動(dòng)一定的角度,圖6橫梁、轉(zhuǎn)臂及電主軸的連接g另一種手動(dòng)調(diào)整后使電機(jī)在工作時(shí)保持某一位置。因=-0.353m此,對(duì)于轉(zhuǎn)臂的設(shè)計(jì)擬采用兩種不同方案。其一是采用兩個(gè)伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)電主軸在任意時(shí)刻=-2,42×10rad的及時(shí)翻轉(zhuǎn);其二是采用齒盤(pán)分度裝置,在電主軸工(3)立柱受彎矩M,造成橫梁A點(diǎn)下沉量yAw作中國(guó)煤化工加工過(guò)程中保持某既CNMHG第一種方案。即利用=41427cm雙電機(jī)控制。圖7是轉(zhuǎn)臂的方案圖。此部件通過(guò)橫梁端蓋直接十545.7lN·m和橫梁聯(lián)接,在伺服電機(jī)1的驅(qū)動(dòng)下,拐角端蓋帶動(dòng)第l期侯紅玲等:車(chē)模加工新方法及動(dòng)力學(xué)研究伺服電機(jī)2及其電主軸一起繞C軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn);伺服電機(jī)以導(dǎo)軌座水平方向?yàn)榛鶞?zhǔn),建立系統(tǒng)的勢(shì)能2可以驅(qū)動(dòng)十字槽端蓋帶動(dòng)電主軸繞A軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn),這V=m,gz+(m,+m,).(h,+v, t)(2)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)過(guò)程可以協(xié)調(diào)工作,也可以各自獨(dú)立工作。該方案優(yōu)點(diǎn):回轉(zhuǎn)精度高,可以實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)及時(shí)控制;其中的z為常數(shù)。體現(xiàn)了數(shù)控加工的優(yōu)勢(shì),可以實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)的銑削方相應(yīng)的廣義力:Q=-=-(m1+m3)gt(3)拉格朗日函數(shù)的表達(dá)式:橫梁端蓋拐角端益伺服電機(jī)2何服電機(jī)L=T-V=(m1+m2+m1)+J12-1mg-mg(2)d/BT、m,aQ(5)其中:q為系統(tǒng)廣義坐標(biāo),Q為勢(shì)力之外的所有外力。由拉格朗日方法得到5個(gè)方向的驅(qū)動(dòng)力方程”,十字槽端a1分別是3個(gè)移動(dòng)構(gòu)件的加速度聯(lián)接螺套圖7伺服電機(jī)控制的轉(zhuǎn)臂系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)圖本方案中選用安陽(yáng)萊必泰機(jī)械有限公司的型號(hào)為dJmn+(m1+m)g=Q(6)ADX20-18/3.37的電主軸。最大刀具直徑為A甲A+JAd30m,采用HSK接口標(biāo)準(zhǔn),手動(dòng)換刀。d2.4新機(jī)床與測(cè)量機(jī)之間區(qū)別與聯(lián)系s+J甲ed和三坐標(biāo)測(cè)量此式表明了橫梁和滑塊的質(zhì)量對(duì)驅(qū)動(dòng)力影響較機(jī)相似的是該機(jī)床大,同時(shí)也可以看到橫梁、立柱、滑塊的速度和加速也保證了X、Y、Z度對(duì)驅(qū)動(dòng)力的影響,在設(shè)計(jì)中綜合考慮速度和加速度三個(gè)方向的移動(dòng),的分配,以達(dá)到要求的驅(qū)動(dòng)力最小。當(dāng)然由于表達(dá)式不同的是對(duì)測(cè)量頭中含有時(shí)間,所以按最長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)確定每個(gè)方向的驅(qū)進(jìn)行了改裝,即上動(dòng)力。從上述表達(dá)式可以看出面的轉(zhuǎn)臂。同時(shí)使(1)質(zhì)量m、m2、m3分別增大時(shí),驅(qū)動(dòng)力增機(jī)床具有五自由度大加工功能(2)加速度a1、a2、a3增大時(shí),驅(qū)動(dòng)力也增大。圖8中的右半圖8三維實(shí)體裝配模型3.2 ADAMS下的運(yùn)動(dòng)仿真部分是一個(gè)大升降釆用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件 ADAMS進(jìn)行系統(tǒng)臺(tái),工作時(shí)將車(chē)模放在升降臺(tái)上,當(dāng)加工完車(chē)模的一仿真。由于整機(jī)模型是在UG下建立的,利用UG與邊時(shí),通過(guò)升降臺(tái)對(duì)其旋轉(zhuǎn)180°,然后再加工另ADAMS軟件的接口,將機(jī)構(gòu)模型傳人 ADAMS,但在邊仿真過(guò)程中,由于圖形復(fù)雜,不利于選擇部件。在3整機(jī)動(dòng)力學(xué)分析ADAMS中建立等效模型,進(jìn)行仿真分析3.1動(dòng)力學(xué)建模本文采用拉格朗日方法研究動(dòng)力學(xué)問(wèn)題“,橫梁的平動(dòng)速度為",質(zhì)量m;立柱沿著導(dǎo)軌移動(dòng)的速度為n1,質(zhì)量m;滑塊沿立柱的移動(dòng)速度為n2,質(zhì)量m2。忽略虛擬機(jī)床的彈性,取3個(gè)方向的速度v、中國(guó)煤化丘到v1、n2和轉(zhuǎn)臂的兩個(gè)轉(zhuǎn)角qA、甲為系統(tǒng)的廣義坐標(biāo)。CNMH 3.0則虛擬機(jī)床的拉格朗日動(dòng)能T=1(m+m2+m)+,J9,+!甲。(1)93個(gè)運(yùn)動(dòng)副之間的反作用力(下轉(zhuǎn)第68頁(yè))機(jī)床與液壓第35卷4結(jié)論approach to tool path generation for multi-axis sculptured(1)提出了面向特殊雙轉(zhuǎn)臺(tái)型五軸數(shù)控機(jī)床的surface machining [J]. Computer Aided Design, 2002基于正向與逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)的誤差計(jì)算方法,可以推廣到34(5):357-371其它類(lèi)型的五軸數(shù)控機(jī)床非線(xiàn)性誤差計(jì)算,并且可以[6] Rao. A, Sarma. R. On local gouging in five-axis為不同類(lèi)型五軸數(shù)控機(jī)床之間數(shù)控程序的相互轉(zhuǎn)換提sculptured surface machining using flat-end tools [J]供理論基礎(chǔ)。Computer Aided Design, 2000, 32(7): 409-420(2)對(duì)于雙轉(zhuǎn)臺(tái)型五軸數(shù)控機(jī)床非線(xiàn)性誤差不僅【7】 Lauwers.B., Dejong.P.,Knuh,J.P. Optimaland collision free tool posture in five axis machining與機(jī)床結(jié)構(gòu)參數(shù)和工件位置參數(shù)有關(guān),而且與兩相鄰through the tight integration of lool path generation and ma-刀位坐標(biāo)之間的三維歐氏距離密切相關(guān);對(duì)于其它類(lèi)hining simulation J]. Computer Aided Design, 2003型的五軸數(shù)控機(jī)床可以得到相應(yīng)的結(jié)論。35(5):421-432學(xué),(3)提出的基于四元數(shù)向量插值的新算法,“平【8】張利波,劉曉云,張日敏.五軸NC加工中的非線(xiàn)性了刀軸矢量,從而提高了加工效率、表面質(zhì)量誤差分析及補(bǔ)償[J].華中理工大學(xué)學(xué)報(bào),199,23和機(jī)床運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性參考文獻(xiàn)[9]Takeuchi, Y, Watanabe. T. Generation of 5-axis colli-[1] Dragonmatz. D, Mann. S. A classified bibliography ofion-free tool path and postprocessing for NC data [JJliteratureonNcmillingpathgeneration[j].computerAnnals of the CIRP, 1992, 41(1): 539-542Aided Desigr,1997,29(3):239-247.【0丿 Mark Deloura.游戲編程精粹[M].北京:人民郵電【2】 Jensen.C.G.,Red.W.E.,P.J.. Tool selection出版社,2004.10for five-axis curvature matched machining [J]. Comput- [11] Ho. M. C, Hwang. Y.R., Hu. C.H.Fiveer Aided Design, 2002, 34(3): 251-266axis tool orientation smoothing using quaternion interpola[3]Gray. P, Bedi. S, Ismail. S. Rolling ball methodtion algorithm [J]. International Journal of Machinefor 5-axis surface machining [J. Computer Aided De-Tools and Manufacture, 2003, 43(12): 1256-1267sign,2003,35(4):347-357.作者簡(jiǎn)介:張健(1979.12-),男,大連理工大學(xué)在【4】lee.E. Contour offset approach to spiral tool path gen-讀碩土研究生。研究方向:復(fù)雜曲面CAD/CAM,多軸數(shù)eration with constant scallop height[J]. Computer Aided控加工技術(shù)。電話(huà):13507082,0411-84701197Design,2003,35(9):511-518E-mail:zjmail2003@163.com[5]Chiou. C. J, Lee. Y. S. A machining potential field收稿日期:2005-11-07(上接第53頁(yè))(1)開(kāi)發(fā)了一種新型數(shù)控結(jié)構(gòu),此中機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)了銑刀的五自由度,能加工空間曲面。(2)建立了該機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型,達(dá)到了對(duì)系統(tǒng)的最優(yōu)控制。輯菲(3)用虛擬樣機(jī)技術(shù)分析了該機(jī)床的動(dòng)力學(xué)性能,為以后高速銑削機(jī)床的研究提供了一定的理論依據(jù)參考文獻(xiàn)10滑塊和立柱的加速度【】楊道陵,現(xiàn)代轎車(chē)造型設(shè)計(jì)程序[J].發(fā)明與創(chuàng)新測(cè)量出3個(gè)移動(dòng)副在整個(gè)仿真過(guò)程中的受力如圖2005(7)9,可以看出立柱和導(dǎo)軌之間的力F1、滑塊和立柱之【(2】梁榮茗·三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的設(shè)計(jì)使用維修與檢定[M間的受力F2及橫梁和滑塊之間的受力F3,滿(mǎn)足F1>中國(guó)計(jì)量出版社,2001.3F2>F,的關(guān)系?；瑝K的加速度大于立柱的加速度,【3】張伯霖.高速切削技術(shù)及應(yīng)用M二者的變化趨勢(shì)一致。測(cè)量得到的這些數(shù)據(jù),為機(jī)床【4】蔡光起,原所先,胡明,等,三自由度虛擬軸機(jī)床靜實(shí)際設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了可靠的參數(shù)依據(jù)中國(guó)煤化工·中國(guó)機(jī)械工程4小結(jié)CNMHG對(duì)目前車(chē)模加工行業(yè)中,要依靠技術(shù)工人的熟練5學(xué)出版社,2004.9程度來(lái)保證加工精度這一問(wèn)題,提出采用數(shù)控加工作者聯(lián)系方式:侯紅玲,E-mail;xjtuhhle@163.com。以提高精度和效率。通過(guò)本文的工作得到以下結(jié)論:收稿日期:2005-12-12