車(chē)模加工新方法及動(dòng)力學(xué)研究

2007年1月機床與液壓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(1.西安交通大學(xué)機械制造系統工程國家重點(diǎn)實(shí)驗宣,西安7100492.陜西理工學(xué)院機電工程系,陜西漢中723003)摘要:針對在制作汽車(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)對三坐標測量機進(jìn)行簡(jiǎn)單改裝,把測量頭改裝成球頭銑刀,使其同時(shí)具有五軸聯(lián)動(dòng)數控機床的功能,既可檢測又可以進(jìn)行模型精修。研究并建立了它的動(dòng)力學(xué)模型,并在 ADAMS軟件系統中進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)性能分析結果證明,該機構可以實(shí)現曲面加工,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,并且節約了設備投關(guān)鍵詞:三坐標測量機;汽車(chē)模具;動(dòng)力學(xué)模型中圖分類(lèi)號:TH05文獻標識碼:A文章編號: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)程標測量機(如圖造型設計、油泥模型2),主要是進(jìn)行制作、三維數控銑各種測量?，F在我主模型驗證、非標準們設想將它改進(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,比較費圖1汽車(chē)模型精修現場(chǎng)速銑削機床,采用時(shí)、關(guān)鍵的工序就是數字控制,對各種車(chē)模油泥模型的后處理"。它要靠技術(shù)工人的經(jīng)驗保曲面進(jìn)行加工,并圖2三座標測量機對車(chē)模進(jìn)行測證車(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)模的現場(chǎng)。測。這種一機多功能的設備在國外應用較多,尤其是美國的富蘭克林和意大利的“MB"主要生產(chǎn)合日本。目前國內尚未研制出這種機器,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)工根據機床的應用領(lǐng)域和加工對象確定機床設計的藝也是靠手工打造。原始參數,如表1所示據勞動(dòng)和社會(huì )保障部2004年發(fā)布的消息:汽車(chē)表1車(chē)模數控銑機床的參數模型工是在20世紀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20多個(gè)省、市,H中國煤化工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考慮設計一臺數控機床,使這一過(guò)程自動(dòng)化。日刀具最大直徑機床與液壓第35卷由于汽車(chē)模型形狀復雜,曲率變化大,在設計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)生扭轉角03w,從而導致橫梁空間A、C軸的擺動(dòng)或旋轉(圖6)。其中A、C兩個(gè)上A點(diǎn)的下沉量y的計算:方向的運動(dòng),由伺服電機控制,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E2,=2.49×10d控制的機床設計。yA=64l=-0.0486mm2汽車(chē)模型新型數控銑結構設計A點(diǎn)總撓度:2.1總體布局總體布局是決定全計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,它對產(chǎn)滑架修補誤差,采用調整補償原理。采用雙層結構,夾層品的制造、運輸和使用懸之間設置調整螺釘,用來(lái)調整預變形。但是對于懸臂都起著(zhù)決定性作用。根式結構,水平懸臂的變形不僅是Y的函數,而且是Z據工作原理,綜合考慮的函數,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動(dòng)關(guān)系的上下位置有關(guān),因此這種調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、穩定性、體積和中,對結構不同的橫梁進(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構為加斜筋截面的橫梁。立柱式結構,如圖3所鼙替2.3轉臂的設計在圖5所示的2.2橫梁的受力分析圖3懸臂式單立柱式結構三坐標測量機的測采用單立柱式結構時(shí)量頭處,安裝球磨由于橫梁(如圖4)是長(cháng)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?自由度的轉臂橫梁由自重產(chǎn)生的變形也結構?？梢酝ㄟ^(guò)數會(huì )增加到總變形上,從而控系統對車(chē)模曲面嚴重地影響了Z軸、Y軸進(jìn)行加工。圖5三坐標測量機測量頭外觀(guān)圖的精度。為了提高機器的圖4橫梁簡(jiǎn)化后模型如圖6中所示,精度,必須進(jìn)行定量地分轉臂將橫梁和電主析,計算出誤差數值以便修正或補償軸聯(lián)接起來(lái),并使橫梁帶動(dòng)銑頭處在遠端時(shí),橫梁上A點(diǎn)的撓度電主軸可以在空間及截面轉角計算:繞A、C軸擺動(dòng)。(1)由銑頭重量引起的變形另外,對于電主軸yv=-3B7=-0.0783m的擺動(dòng)有兩種實(shí)現方法:一種是可以電主軸2EI6.02x10在線(xiàn)及時(shí)調整使電(2)由自重引起的垂直方向的變形機擺動(dòng)一定的角度,圖6橫梁、轉臂及電主軸的連接g另一種手動(dòng)調整后使電機在工作時(shí)保持某一位置。因=-0.353m此,對于轉臂的設計擬采用兩種不同方案。其一是采用兩個(gè)伺服電機實(shí)現電主軸在任意時(shí)刻=-2,42×10rad的及時(shí)翻轉;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雙電機控制。圖7是轉臂的方案圖。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1的驅動(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2及其電主軸一起繞C軸線(xiàn)旋轉;伺服電機以導軌座水平方向為基準,建立系統的勢能2可以驅動(dòng)十字槽端蓋帶動(dòng)電主軸繞A軸線(xiàn)旋轉,這V=m,gz+(m,+m,).(h,+v, t)(2)兩個(gè)旋轉過(guò)程可以協(xié)調工作,也可以各自獨立工作。該方案優(yōu)點(diǎn):回轉精度高,可以實(shí)現在線(xiàn)及時(shí)控制;其中的z為常數。體現了數控加工的優(yōu)勢,可以實(shí)現五軸聯(lián)動(dòng)的銑削方相應的廣義力:Q=-=-(m1+m3)gt(3)拉格朗日函數的表達式:橫梁端蓋拐角端益伺服電機2何服電機L=T-V=(m1+m2+m1)+J12-1mg-mg(2)d/BT、m,aQ(5)其中:q為系統廣義坐標,Q為勢力之外的所有外力。由拉格朗日方法得到5個(gè)方向的驅動(dòng)力方程”,十字槽端a1分別是3個(gè)移動(dòng)構件的加速度聯(lián)接螺套圖7伺服電機控制的轉臂系統方案結構圖本方案中選用安陽(yáng)萊必泰機械有限公司的型號為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接口標準,手動(dòng)換刀。d2.4新機床與測量機之間區別與聯(lián)系s+J甲ed和三坐標測量此式表明了橫梁和滑塊的質(zhì)量對驅動(dòng)力影響較機相似的是該機床大,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度對驅動(dòng)力的影響,在設計中綜合考慮速度和加速度三個(gè)方向的移動(dòng),的分配,以達到要求的驅動(dòng)力最小。當然由于表達式不同的是對測量頭中含有時(shí)間,所以按最長(cháng)的時(shí)間來(lái)確定每個(gè)方向的驅進(jìn)行了改裝,即上動(dòng)力。從上述表達式可以看出面的轉臂。同時(shí)使(1)質(zhì)量m、m2、m3分別增大時(shí),驅動(dòng)力增機床具有五自由度大加工功能(2)加速度a1、a2、a3增大時(shí),驅動(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下的運動(dòng)仿真部分是一個(gè)大升降釆用機械系統動(dòng)力學(xué)分析軟件 ADAMS進(jìn)行系統臺,工作時(shí)將車(chē)模放在升降臺上,當加工完車(chē)模的一仿真。由于整機模型是在UG下建立的,利用UG與邊時(shí),通過(guò)升降臺對其旋轉180°,然后再加工另ADAMS軟件的接口,將機構模型傳人 ADAMS,但在邊仿真過(guò)程中,由于圖形復雜,不利于選擇部件。在3整機動(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(zhù)導軌移動(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。忽略虛擬機床的彈性,取3個(gè)方向的速度v、中國煤化丘到v1、n2和轉臂的兩個(gè)轉角qA、甲為系統的廣義坐標。CNMH 3.0則虛擬機床的拉格朗日動(dòng)能T=1(m+m2+m)+,J9,+!甲。(1)93個(gè)運動(dòng)副之間的反作用力(下轉第68頁(yè))機床與液壓第35卷4結論approach to tool path generation for multi-axis sculptured(1)提出了面向特殊雙轉臺型五軸數控機床的surface machining [J]. Computer Aided Design, 2002基于正向與逆向運動(dòng)學(xué)的誤差計算方法,可以推廣到34(5):357-371其它類(lèi)型的五軸數控機床非線(xiàn)性誤差計算,并且可以[6] Rao. A, Sarma. R. On local gouging in five-axis為不同類(lèi)型五軸數控機床之間數控程序的相互轉換提sculptured surface machining using flat-end tools [J]供理論基礎。Computer Aided Design, 2000, 32(7): 409-420(2)對于雙轉臺型五軸數控機床非線(xiàn)性誤差不僅【7】 Lauwers.B., Dejong.P.,Knuh,J.P. Optimaland collision free tool posture in five axis machining與機床結構參數和工件位置參數有關(guān),而且與兩相鄰through the tight integration of lool path generation and ma-刀位坐標之間的三維歐氏距離密切相關(guān);對于其它類(lèi)hining simulation J]. Computer Aided Design, 2003型的五軸數控機床可以得到相應的結論。35(5):421-432學(xué),(3)提出的基于四元數向量插值的新算法,“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)量誤差分析及補償[J].華中理工大學(xué)學(xué)報,199,23和機床運動(dòng)的平穩性參考文獻[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:復雜曲面CAD/CAM,多軸數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)了一種新型數控結構,此中機構可以實(shí)現了銑刀的五自由度,能加工空間曲面。(2)建立了該機構的動(dòng)力學(xué)模型,達到了對系統的最優(yōu)控制。輯菲(3)用虛擬樣機技術(shù)分析了該機床的動(dòng)力學(xué)性能,為以后高速銑削機床的研究提供了一定的理論依據參考文獻10滑塊和立柱的加速度【】楊道陵,現代轎車(chē)造型設計程序[J].發(fā)明與創(chuàng )新測量出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,可以看出立柱和導軌之間的力F1、滑塊和立柱之【(2】梁榮茗·三坐標測量機的設計使用維修與檢定[M間的受力F2及橫梁和滑塊之間的受力F3,滿(mǎn)足F1>中國計量出版社,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)及應用M二者的變化趨勢一致。測量得到的這些數據,為機床【4】蔡光起,原所先,胡明,等,三自由度虛擬軸機床靜實(shí)際設計和優(yōu)化提供了可靠的參數依據中國煤化工·中國機械工程4小結CNMHG對目前車(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論:收稿日期:2005-12-12