2007年1月機床與液壓Vol 35 No. 1第35卷第1期MAChine TOOL hydraulicsJanuary 2007車模加工新方法及動力學研究侯紅玲2,邱志惠2,趙永強(1.西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗宣,西安7100492.陜西理工學院機電工程系,陜西漢中723003)摘要:針對在制作汽車覆蓋件模具的過程中,模型精修加工時存在手工打磨精度差、人為因素多等問題,提出了一種新的加工方法,該方法是通過對三坐標測量機進行簡單改裝,把測量頭改裝成球頭銑刀,使其同時具有五軸聯(lián)動數(shù)控機床的功能,既可檢測又可以進行模型精修。研究并建立了它的動力學模型,并在 ADAMS軟件系統(tǒng)中進行了動力學性能分析結果證明,該機構可以實現(xiàn)曲面加工,有效地解決了目前精修時存在的問題,提高了加工精度和效率,并且節(jié)約了設備投關鍵詞:三坐標測量機;汽車模具;動力學模型中圖分類號: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部車的造型過前市場上用的三坐程要經(jīng)歷以下過程標測量機(如圖造型設計、油泥模型2),主要是進行制作、三維數(shù)控銑各種測量?，F(xiàn)在我主模型驗證、非標準們設想將它改進成件的制造與安裝。在具有加工功能的高整個過程中,比較費圖1汽車模型精修現(xiàn)場速銑削機床,采用時、關鍵的工序就是數(shù)字控制,對各種車模油泥模型的后處理"。它要靠技術工人的經(jīng)驗保曲面進行加工,并圖2三座標測量機對車模進行測證車模的曲面的輪廓及精度,在實際操作中有一定的對其進行質(zhì)量檢難度。圖1所示是汽車模型工精修車模的現(xiàn)場。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(nèi)尚未研制出這種機器,從發(fā)展的角金車模。富蘭克林的模型多年以來一直雄踞模型霸主度來看,開發(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(shù)生產(chǎn)限量的l:43模型而享譽歐美模型市場,不過工根據(jù)機床的應用領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(shù),如表1所示據(jù)勞動和社會保障部2004年發(fā)布的消息:汽車表1車模數(shù)控銑機床的參數(shù)模型工是在20世紀80年代初期形成的,目前從業(yè)人快速移動速度24m/nin員大約有1000多人,分布在全國20多個省、市,H中國煤化工om2k W100多家汽車生產(chǎn)企業(yè)。可以看出,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工人的熟練程度c軸的最小分度角和個人主觀來保證,在實際實施中有一定的難度。最大加速度1.0考慮設計一臺數(shù)控機床,使這一過程自動化。日刀具最大直徑機床與液壓第35卷由于汽車模型形狀復雜,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除了X、Y、Z三個方向的移動外,還需要銑刀繞形,使立柱上端Q點產(chǎn)生扭轉角03w,從而導致橫梁空間A、C軸的擺動或旋轉(圖6)。其中A、C兩個上A點的下沉量y的計算:方向的運動,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。實際上是一個五坐標E2,=2.49×10d控制的機床設計。yA=64l=-0.0486mm2汽車模型新型數(shù)控銑結構設計A點總撓度: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局的重要問題,它對產(chǎn)滑架修補誤差,采用調(diào)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(diào)整螺釘,用來調(diào)整預變形。但是對于懸臂都起著決定性作用。根式結構,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,而且與滑套各部件之間的運動關系的上下位置有關,因此這種調(diào)整方法只能在一定程度和相互位置;同時考慮上減小變形誤差,而無法消除它。在有限元分析軟件精度、穩(wěn)定性、體積和中,對結構不同的橫梁進行了靜力學和動力學分析重量,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量頭處,安裝球磨由于橫梁(如圖4)是長銑刀,并由原來的的懸臂梁,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由度。圖4就是具立柱產(chǎn)生最大彎曲變形。「底座有5自由度的轉臂橫梁由自重產(chǎn)生的變形也結構?？梢酝ㄟ^數(shù)會增加到總變形上,從而控系統(tǒng)對車模曲面嚴重地影響了Z軸、Y軸進行加工。圖5三坐標測量機測量頭外觀圖的精度。為了提高機器的圖4橫梁簡化后模型如圖6中所示,精度,必須進行定量地分轉臂將橫梁和電主析,計算出誤差數(shù)值以便修正或補償軸聯(lián)接起來,并使橫梁帶動銑頭處在遠端時,橫梁上A點的撓度電主軸可以在空間及截面轉角計算:繞A、C軸擺動。(1)由銑頭重量引起的變形另外,對于電主軸yv=-3B7=-0.0783m的擺動有兩種實現(xiàn)方法:一種是可以電主軸2EI6.02x10在線及時調(diào)整使電(2)由自重引起的垂直方向的變形機擺動一定的角度,圖6橫梁、轉臂及電主軸的連接g另一種手動調(diào)整后使電機在工作時保持某一位置。因=-0.353m此,對于轉臂的設計擬采用兩種不同方案。其一是采用兩個伺服電機實現(xiàn)電主軸在任意時刻=-2,42×10rad的及時翻轉;其二是采用齒盤分度裝置,在電主軸工(3)立柱受彎矩M,造成橫梁A點下沉量yAw作中國煤化工加工過程中保持某既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的驅動下,拐角端蓋帶動第l期侯紅玲等:車模加工新方法及動力學研究伺服電機2及其電主軸一起繞C軸線旋轉;伺服電機以導軌座水平方向為基準,建立系統(tǒng)的勢能2可以驅動十字槽端蓋帶動電主軸繞A軸線旋轉,這V=m,gz+(m,+m,).(h,+v, t)(2)兩個旋轉過程可以協(xié)調(diào)工作,也可以各自獨立工作。該方案優(yōu)點:回轉精度高,可以實現(xiàn)在線及時控制;其中的z為常數(shù)。體現(xiàn)了數(shù)控加工的優(yōu)勢,可以實現(xiàn)五軸聯(lián)動的銑削方相應的廣義力:Q=-=-(m1+m3)gt(3)拉格朗日函數(shù)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(tǒng)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個方向的驅動力方程”,十字槽端a1分別是3個移動構件的加速度聯(lián)接螺套圖7伺服電機控制的轉臂系統(tǒng)方案結構圖本方案中選用安陽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,手動換刀。d2.4新機床與測量機之間區(qū)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)量對驅動力影響較機相似的是該機床大,同時也可以看到橫梁、立柱、滑塊的速度和加速也保證了X、Y、Z度對驅動力的影響,在設計中綜合考慮速度和加速度三個方向的移動,的分配,以達到要求的驅動力最小。當然由于表達式不同的是對測量頭中含有時間,所以按最長的時間來確定每個方向的驅進行了改裝,即上動力。從上述表達式可以看出面的轉臂。同時使(1)質(zhì)量m、m2、m3分別增大時,驅動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,驅動力也增大。圖8中的右半圖8三維實體裝配模型3.2 ADAMS下的運動仿真部分是一個大升降釆用機械系統(tǒng)動力學分析軟件 ADAMS進行系統(tǒng)臺,工作時將車模放在升降臺上,當加工完車模的一仿真。由于整機模型是在UG下建立的,利用UG與邊時,通過升降臺對其旋轉180°,然后再加工另ADAMS軟件的接口,將機構模型傳人 ADAMS,但在邊仿真過程中,由于圖形復雜,不利于選擇部件。在3整機動力學分析ADAMS中建立等效模型,進行仿真分析3.1動力學建模本文采用拉格朗日方法研究動力學問題“,橫梁的平動速度為",質(zhì)量m;立柱沿著導軌移動的速度為n1,質(zhì)量m;滑塊沿立柱的移動速度為n2,質(zhì)量m2。忽略虛擬機床的彈性,取3個方向的速度v、中國煤化丘到v1、n2和轉臂的兩個轉角qA、甲為系統(tǒng)的廣義坐標。CNMH 3.0則虛擬機床的拉格朗日動能T=1(m+m2+m)+,J9,+!甲。(1)93個運動副之間的反作用力(下轉第68頁)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(shù)控機床的surface machining [J]. Computer Aided Design, 2002基于正向與逆向運動學的誤差計算方法,可以推廣到34(5):357-371其它類型的五軸數(shù)控機床非線性誤差計算,并且可以[6] Rao. A, Sarma. R. On local gouging in five-axis為不同類型五軸數(shù)控機床之間數(shù)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(shù)控機床非線性誤差不僅【7】 Lauwers.B., Dejong.P.,Knuh,J.P. Optimaland collision free tool posture in five axis machining與機床結構參數(shù)和工件位置參數(shù)有關,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;對于其它類hining simulation J]. Computer Aided Design, 2003型的五軸數(shù)控機床可以得到相應的結論。35(5):421-432學,(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].華中理工大學學報,199,23和機床運動的平穩(wěn)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.作者簡介:張健(1979.12-),男,大連理工大學在【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(shù)eration with constant scallop height[J]. Computer Aided控加工技術。電話: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)(1)開發(fā)了一種新型數(shù)控結構,此中機構可以實現(xiàn)了銑刀的五自由度,能加工空間曲面。(2)建立了該機構的動力學模型,達到了對系統(tǒng)的最優(yōu)控制。輯菲(3)用虛擬樣機技術分析了該機床的動力學性能,為以后高速銑削機床的研究提供了一定的理論依據(jù)參考文獻10滑塊和立柱的加速度【】楊道陵,現(xiàn)代轎車造型設計程序[J].發(fā)明與創(chuàng)新測量出3個移動副在整個仿真過程中的受力如圖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,滿足F1>中國計量出版社,2001.3F2>F,的關系。滑塊的加速度大于立柱的加速度,【3】張伯霖.高速切削技術及應用M二者的變化趨勢一致。測量得到的這些數(shù)據(jù),為機床【4】蔡光起,原所先,胡明,等,三自由度虛擬軸機床靜實際設計和優(yōu)化提供了可靠的參數(shù)依據(jù)中國煤化工·中國機械工程4小結CNMHG對目前車模加工行業(yè)中,要依靠技術工人的熟練5學出版社,2004.9程度來保證加工精度這一問題,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。通過本文的工作得到以下結論:收稿日期:2005-12-12