面向五轴数控机床的可视化方案设计-.pdf

第 9卷第 1 期 2 0 1 1年 3月 中国工程机械学报 CHI N ES E J OU RNAL OF C ONS TRUC TI ON MACHI NE RY Vo l _ 9 No ． 1 Ma r ．2 01 1 面 向五轴数控 机床 的可视化方案设计 史安娜 ， 孙伟 1 ． 沈阳理工大学 应用技术 学院， 辽宁 沈阳 1 1 3 1 2 2 ； 2 ． 东北大学 机械工程与 自动化学 院， 辽宁 沈阳 1 1 0 8 1 9 摘要 五轴数控机床是 1 种具有战略地位的加工设备， 其功能和成本很大程度上决定于机床的方案设计． 采用 可视化设计的方法对五轴机床实施方案设计． 在简要介绍方案设计和可视化设计概念的基础上， 详细叙述了基 于 A D A MS的可视 化方 案设计 流程 ， 包括机床运 动方案及 结构布局 的初步 确定 、 针对各 方案进行运 动模拟 和对 选定的方案进一步参数化仿真等内容． 最后， 以开发某五轴加工中心为例， 按照所提流程进行了可视化方案设计 研究 ， 提出了龙门式、 立式等 3种运动方案和布局， 并在运动仿真及优缺点对比分析的基础上， 选定龙门式结构 为最终的设计方案． 关键词 数控机床； 五轴；可视化设计 ； 方案设计 中图分类号 T H 1 1 3 ，T H 1 2 2 文献标识码 A 文章编 号 1 6 7 25 5 8 1 2 0 1 1 0 1 0 0 5 40 5 Sc he ma t i c de s i g n v i s ual i z a t i o n f o r f i v e - a xi s NC m a c hi ne s 玎 An n a ，S U N We i 1． Po l y t e c h nic S c h o o l o f S h e n y a n g Li g o n g Un i v e r s i t y， S h e n y a n g 1 1 31 2 2， Ch i n a； 2． S c h ool o f Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g＆ Au t o ma t i o n． No r the a s t e r n Un i v e r s i t y． S h e n y a n g 1 1 0 8 1 9 Ab s t r a c t Th e f i v e a x i s NC Nu me r i c a l C o n t r o 1 ma c h i n e ，t h e f u n c t i o n a n d c o s t o f wh i c h a r e i n t e n s i v e l y d e p e n d e n t o n s c h e ma t i c d e s i g n ，s e c u r e s a s t r a t e g i c p o s i t i o n a mo n g ma c h i n i n g e q u i p me n t s ．I n t h i s s t u d y， t h e s c h e ma t i c d e s i gn i s i mpl e me nt e d u s i ng t he vi s u a l i z e d d es i gn me t h o d．Ba s e d on a b r i e f i nt r o du c t i o n t o t h e c o n c e p t s o f s c h e ma t i c d e s i g n a n d v i s u a l i z e d d e s i g n，t h e A DAMS TM- b a s e d wo r k f l o w o f s c h e ma t i c d e s i g n v i s u a l i z a t i o n i s d e t a i l e d l y d e s c r i b e d ， i n c l u d i n g t h e i n i t i a l d e t e r mi n a t i o n o f ma c h i n e k i n e ma t i c a l s c h e me a nd s t r u c t ur a l l a y o u t ， t h e ki n ema t i c a l s i m u l a t i o n o n e a c h s c h e me，a n d t h e i n - de p t h p a r a me t r i c s i mu l a t i o n o n s e l e c t e d s c h e me s ．To t h i s e n d ，b y u s i n g a f i v e - a x i s ma c h i n i n g c e n t e r a s a n e x a mp l e ，t h e s c h e mat i c d e s i g n v i s u a l i z a t i o n i s i n ve s t i ga t e d f o l l o wi n g t he p r o p o s e d wo r k f l o w．M e a nwhi l e，t hr e e t yp e s o f k i n e ma t i c a l s c h e me s a n d l a y o u t s a r e p o s t u l a t e d f o r s u c h a s g a n t r y -a n d v e r t i c a l t y p e ma c h i n e s ． B y c o mp a r i n g a nd a n a l y z i ng t h e a d v a nt a g e s a nd d i s a d v a nt a g e s o f ki n e ma t i ca l s i mu l a t i o n， t h e g a nt r y - t y pe ma c h i n e i S s e l e c t e d a s t h e f i n a l i z e d S C h e me ． Ke y wo r d s n u me r i c a l c o n t r o l ma c h i n e ；f i v e a x i s ；v i s u a l i z e d d e s i g n；s c h e ma t i c d e s i g n 五轴数控机床是装备制造业最重要 的 1种加工设备 ， 可用于加工各种复杂曲面， 已在航空 、 航天、 船 舶、 兵器、 汽车、 电力、 模具和医疗器械等制造业中广泛应用[ 1 ] ． 鉴于五轴机床重要的战略地位， 各机床制造 企业都在竞相研发该种设备． 而竞争 的焦点 主要体现在产 品质量、 成本、 开发时间、 产品的创新能力 和服 务上 ． 用户在追求高性能五轴机床的同时 ， 会更多地追求低价格和短交货期 ， 这就要求企业改变过去传统的 设计 、 生产和管理模式， 最大限度地利用可视化设计 、 数字化仿真等手段 ， 以提高产 品的质量和性能． 方案 设计是开发五轴机床的1 个重要设计阶段， 五轴机床的功能和成本很大程度上决定机床的方案设计． 基金项 目国家 自然科学基金资助项 目 5 0 9 0 5 0 2 9 作者简介 史安娜 1 9 6 4一 ， 女 ， 副教授 ． E - ma i l s h i a n n a mu j u y a h oo． c o m． c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 史安娜， 等 面向五轴数控机床的可视化方案设计 本文面向五轴数控机床 ， 研究采用可视化仿真的方法来实施方案设计 ． 在简要介绍方案设计和可视化 设计概念的基础上 ， 详细叙述 了基于 A D A MS的可视化方案设计流程． 最后 ， 以开发某五轴加工中心为例 ， 按照所提流程进行了可视化方案设计研究 ， 确定 了该五轴机床 的运动方案和结构布局． 方案设计与可视化设计方法 1 ． 1 方 案设计 方案设计是开发五轴机床 的重要设计阶段． 方案设计 的过程可 以概括为 根据设计任务要求 ， 通过对 需求本质的分析 ， 找出确实可行的原理方案 ， 将产 品系统进行功能分解 ， 建立功能结构 ， 并确定各个功能子 系统的原理方案 ． 方案设计的关键是需要引入创新机制 ， 采用创新思维进行产 品设计 ． 可采用 的创新设计方法包括 分 析式设计 又称试行设计 和创成式设计 又称解析式设计 ． 前者是用类 比分析 、 推理方法产生方案， 是 目 前创新设计一般采用 的方法． 后者则用创成解析的方法生成方案， 创新能力强 ， 这种方法 尚在研究发展之 中【 ． 文献[ 3 ] 讨论了机床总体方案创新设计的主要内容， 并重点介绍了人与计算机相结合的机床功能和 布局创新设计方法． 文献[ 4 ] 采用创新性概念设计新方法 ， 确定五轴铣削机床的运动方案并充分分析 了五 轴机床工作空间问题 ． 对于机床尤其是工艺运动相对复杂的五轴数控机床， 确定其布局及运动形式是方案设计的重要内容． 1 ． 2 可视化设计 可视化设计是 1 种数字化设计方法 ， 以建模仿真技术 、 动态优化分析方法为核心技术 ， 强调在可视化 的操作环境中， 对整个产品的各方面性能进行模拟 ， 达到在设计阶段检验和优化产品设计质量的 目的． 可 视优化设计法具有可视性 、 预测性 和优化性 的特点l 5 j ． 对于机床产品， 无论在方案设计还是详细设计阶段 ， 都可以利用可视化仿真的方法来显著提高设计质 量和效率． 例如， 文献[ 6 ] 较完整地叙述了利用可视化来对机床进行设计开发， 包括机床运动学、 结构动力 学、 控制过程切削过程进行可视化仿真 ． 文献[ 7 ] 在 O p e n I n v e n t o r 软件仿真平台上实现 了虚拟装配 、 切削 仿真及工程分析等功能． 本文主要探讨利用多体动力学仿真软件 A MS ， 对方案设计相关的机床布局、 运 动模拟、 功能实现等进行可视化仿真． 2 可视化方案设计仿真流程 A D A MS是虚拟样机分析 的重要应用软件 ， 运用该软件可非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、 运 动学和动力学分析． 在 A D A MS软件平 台上， 面向五轴机床可视化方案设计的流程可以概括为以下 3个工 作 内容 ． 2 ． 1 五轴机床运动方案及结构布局的初步确定 五轴数控机床的工艺运动涉及 2个轴系 ， 分别是工件运输轴系和刀具运输轴系， 依靠控制系统使 2个 轴系协同运动来完成零件的加工 ． 大部分五轴机床有 3个与笛卡尔坐标轴平行 的移动轴和 2个绕坐标轴 转动 的转动轴 ． 如果按照运送工件或刀具轴的数量多少 ， 可以将五轴机床分成 6类 ， 见表 1 ． 其 中带撇号 的 是运送工件轴的数量 表 1 五轴数控机床的类别 利用功能分解原理 以及创新设计 思想 ， 结合 T a b ．1 T h e Ca t e g o r y o f矗 a x i s NC H u l c hi n e t 0 o I 机床 加工 工艺性 能 的需 求 ， 可列举 出多种 运 方案． 在 A D A MS中利用矩形体或圆柱体表示机 的床身、 立柱、 溜板、 滑鞍、 工作台和主轴箱等 件 ． 针对各运动方案 ， 可类 似于摆积木的方式 ， 建机床的简化模型， 从而初步确定机床的布局． 了更 形 象 也 可 以 在 其 他C A J 软 件 例 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 9卷 S o l i d Wo r k s 中创建近似结构 ， 来描述机床的布局 ． 2 ． 2 针对各方案进行运动模拟 针对各种方案 ， 在 A D A MS软件平台上进行建模与仿真 ， 其操作 步骤可以概括为图 l 所示的流程 ． 需要说明的是在对 比各运动方案优劣时 ， 除考虑工艺运动能否 实现以及工作空间是否满足要求之外 ， 还应考虑不 同方案各轴驱 动 功率的大小 、 装卸工件的方便性等 因素 ， 最终确定较优的运动方案． 2 ． 3 对选定的方案进一步参数化仿真 在 A DA MS平台上 ， 可以对选定的方案进一步进行参数化建模 和参数化仿真[ 8 ] ． 这是方案设计 的细化过程． 参数化建模是通过创建设计变量 、 设计点并利用相应 的位置及 方向函数 ， 将描述机床部件 的圆柱及长方体等进行参数化． 而参数 化仿真是通过创建的菜单启动对话框 ， 不断地修改各结构参数 ， 可 以快速创建出不同尺寸的机床仿真模型． 针对这些模型添加不同的 3 研究实例 按照上述基 于 A MS的可视化方案 设计 流程 ， 对某加工 中心进行方案设计． 3 ． 1 设计方案的构思 根据常见机床 的布局和运动分配形式， 提 出 3种方案 1 种为龙门式 ， 其他 2种为立式 ． 如图 2 所示 ． a 龙门式机床 b刀具升降立式机床 C 工作台升降立式机床 图 2 3种五轴数控机床运动方案及布局 Fi g ． 2 T hr e e d y n a m i c s h e m e s a nd l a y o ut s of fiv e - a x i s NC ma c h i n e t o o l 对于龙门式机床 ， 其主轴可以在龙门架的横 向与垂直溜板上运动， 而龙门架则沿床身作纵向运动 ． 刀具升降立式机床 ， 采用工作台转动， 主轴沿垂直溜 板上下运动来实现工艺运动． 工作 台升降立式机床 ， 由工作 台和滑枕实现 ， 坐标 的移动， 工作台可旋 转 ， 可沿 坐标上下移动． 3 ． 2 基于 A DAMS的运动仿真 按照图 1 所示运动仿真流程 ， 分别对 3种方案进行运动功能模拟． 具体工作包括建模 、 添加约束 、 增加 驱动等关键 步骤． 在 A D A MS中可 以利用 s t e p 5 和 i f 函数之间的嵌套来完成各轴的驱动． 图 3为 方案 2的运动仿真模型及 三轴联动加工螺旋线 的仿真画面． 其他方案 的运动仿真与之类似． 3 ． 3 运动方案的初步确定 可以从机床 的结构性能 、 使用方便性 、 工作 空间、 驱动功率大小 等评价运动方案 的优缺点 ． 以上 3种运动方案对 比分析见表 2 ． 最终确定龙 门式机床结构为选定的结构． a 刀具升降立式机床仿真模型 b三轴联动仿真画面 图 3 方案 2的运动仿真 Fi g ． 3 Dy n a m i c s i m u l a t i o n o f s c h e me 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 史安娜 ， 等 面 向五轴数控机床的可视化方案设计 5 7 机 床占地面积小 ， 整机长度只需纵向行程加 上龙门架侧 蹇 霍 荔 篇 葬 蠡 意 繁 翥需 要 整 体 铸 造 床 身 ，成 本 高 稳 定 性 ；机 床 的 动 态 响 应 好 ，龙 门 框 架 纵 向 运 动 的 驱 动 ⋯ ⋯ ⋯ 力矩 等值不变 具有很好 的精度 保持 性 ， z轴 导轨 的承 重 是 固定 不变 z轴承载较重 ， 对提高 z轴 的快速性 不利 ； 机 床的整 体结构偏 大 ， ‘ 的 ， 它不 随工件质量 的改变而改变 质量 较重不利于节约资 源 。 适用于加工质量较小的工件， 小型数控铣床常采用这种 机床的结构不是很稳定， 导致加工精度低； 由于工作台承重， 并且 。 形式 工作 台上下移动 ， 使得机床 的热稳定性受到影响 3 ． 4 参数化建模及仿真 在初步确定运动方案后 ， 还可借助于 A D A MS的参数化建模 、 仿真功能进行龙 门式机床结构参数设 计 ， 实现方案设计 的细化． 例如 ， 在参数化建模上 ， 可以用 4个变量描述该龙 门式机床的几何外形 ， 分别为 床身的长度 L、 床身的高度 H、 床身的宽度 w、 刀具的长度 L ． 这 4个变量为显示参数 ， 可以放在对话框 中供用户驱动， 而横梁的长度、 滑枕的长度等参数与显示参数存在着函数关系 称之为隐式参数 ， 可由显 示参数确定 ． 不仅要参数化几何外形 ， 还应参数化约束 以保证模型的 自动重建 ． 参数化约束 的常用函数为 L O C _ R EL ATI V E T O { 0 ， 0 ， 0 ， ． g r o u n d ． B 2 ， O R I AL ONG A XI S ． g r o u n d ． B 2， ． mo d e l 一 1 ． g r o u n d ． P 2， “ Z ” ， 分别为位置和方向的参数化 ． 利用参数化模型可进行运动学与动力学仿真分析 ， 从 而快速检验与设计该龙 门式机床 的各种结构参 数 ． 在参数化仿真的过程 中， 需要利用测位移函数 D M To Ma r k e r ， F r o m_ Ma r k e r 、 侧速度函数 V R T o Ma r k e r ， F r o m Ma r k e r ， R e f 等， 输 出实时仿真曲线．_ F r a me 4 结论 由于竞争的加剧 ， 需要企 业快速研制 出具有优越 性能的五轴数控 机床 ， 而方案设计是研 制过程 中的 1 个重要阶段 ． 本 文将 可视化设计方 法与五轴数控机床 的方案设计相结合 ， 从而实施快速方案设计 ， 具 体工作 包括 1 明确了面向五轴机床方案设计及 可视化设计 的内涵， 指出运 动方案及布局 的确定是 方案设计 的重 要 工作 内容 ． 2 提 出了基于 A DA MS平 台对 五轴机 床进行方 图 4 龙 门式 五轴 机床 参数化模型 Fi g ． 4 Pa r a m e t r i c M o d e l o f g a nt r y fiv e - a x i s ma c h i n e t o o l 案设计的方法 ， 包括机床运动方案及结构布局的初步确定 ， 针对各方案进行运动模拟和对选定 的方案进一 步参数化仿真等内容． 3 以开发某五轴加工 中心为例 ， 按照所提流程进行 了可视化方案设计研究 ， 提 出了龙门式 、 立式等 3 种运动方案和布局 ， 并在运动仿真及优缺点对 比分析的基础上， 选定龙 门式结构为最终的设计方案 ． 参考文献 [ 1 ] 刘春时， 孙伟 ， 李小彭 ， 等 ． 面 向五轴数控机床的空间误差建模流程研究 E J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 9， 3 7 8 4 7 ． L I U C h u n s h i ， S U N We i ， L I Xi a o p e n g ， e t a 1 ． R e s e a r c h o n v o l u me t r i c e r r o r mo d e l i n g f o r f iv e - a x i s N C ma c h i n e t o o l s [ J ] ． Ma c h i n e T o o l ＆ Hy d r a u l i c s ， 2 0 0 9， 3 7 8 47． [ 2 ] 文怀兴 ， 夏 田． 数控机床系统设计[ M] ． 北 京 化学工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 9卷 WE N Hu a i x i n g ， X I A T i a n ． Th e s y s t e m d e s i g n o f NC ma c h i n e t ool E M] ． B e ij i n g C h e mi c a l I n d u s t r y P r e s s ， 2 0 0 5 ． [ 3 ] 黄玉美 ， 程详 ． 机床总体方案 的创新设计[ J ] ． 设备管理与维修 ， 2 0 0 2 2 1 0 1 1 ． H UA N G Me i y u ， C H E NG Xi a n g ． T h e i n n o v a t i v e d e s i g n o f o v e r a l l p l a n o n ma c h i n e t o o l [ J ] ． P l a n t Ma i n t e n c e n c e E n g i n e e r i n g， 2 0 0 2 2 1 O一1 1． [ 4 ] B OH E Z E L J ． F i v ea x i s mi l l i n g ma c h i n e t ool k i n e ma t i c c h a i n d e s i g n a n d a n a l y s i s [ J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Ma c h in e T ool s a n d Ma nu f a c t ur e ， 2 0 0 2， 4 2 4 5 0 55 2 0． [ 5 ] 孙伟， 任朝晖， 于涛， 等． 现代机械可视优化设计方法研究[ J ] ． 东北大学学报 自然科学版， 2 0 0 7 ， 2 8 3 3 8 5 3 8 8 ． S U N We i ， R E NZ h a o h u i ， Y uTa o ， e t a 1 ． S t u d y o n v i s u a l o p t i mi z a t i o n d e s i g nf o r mo d e r nma c h i n e r y E J ] ． J o u r n a l o f N o r t h e a s t e r nUn i v e r s i t y Na t u r a l S c i e n c e ， 2 0 0 7， 2 8 3 3 8 538 8 ． [ 6 ] A L TI N T A S LY ， B R E C H E RC， WE e KM， e t a 1 ． V i r t u a l ma c h i n et o o l C I R P a n n a l s E J ] ． Ma n u f a c t u r ing T e c h n o l o g y ， 2 0 0 5 ， 5 4 2 1 1 51 3 8 ． 1- 7 ] 周立波 ， 沈忱． 虚拟数控机床仿真系统的研究 [ J ] ． 组合机床与 自动化加工技术， 2 0 0 8 2 5 75 9 ． Z HO U L i b o ， S HE N C h e n ． S t u d y o n s imu la t i o n s y s t e m o f v i r t u a l n u mb e r c o n tro l ma c h i n e t ool [ J] ． Mo d u l a r Ma c h i n e T ool ＆A u t o ma t i c Ma n u f a c t u r i n g Te c h n i q u e ， 2 0 0 8， 2 5 75 9． [ 8 ] 孙伟 ， 李朝峰 ， 刘杰 ， 等． 面向复杂机构设计的参数化仿真技术研究[ J ] ． 东北大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 8 ， 2 9 9 1 3 1 81 3 2 1 ． S UN We i ， L I C h a o f e n g ， L I U J i e ， e t a 1 ． S t u d y o n p a r a m e t e r i z e d s i mu l a t i o n p r 0 c e s s f o r c o mp l i cat e d me c h a n i s m d e s ig n[ J ] ． J o u r n a l o f No r t h e a s t e r nUn i v e r s i t y Na t u r a l S c i e n c e， 2 0 0 8， 2 9 9 1 31 81 3 2 1． 上接第 4 2页 参考文献 】 H⋯■ - 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