加工中心的動態(tài)性能及其優(yōu)化
海天精工 加工中心 鉆攻中心前言：海天精工 備注：為保證文章的完整度，本文核心內容都PDF格式顯示，如未有顯示請刷新或轉換瀏覽器嘗試，手機瀏覽可能無法正常使用！關于加工中心動態(tài)性能優(yōu)化設計的研究，始于20世紀60年代。半個多世紀以來，以TOBIAS等人為先驅的國內外學者為此做了大量的基礎性研究，提出了具有實用價值的理論和方法，研發(fā)了切實有效的測試手段以及數(shù)據(jù)處理和分析軟件不僅使機床動態(tài)性能研究達到了很高的學術水平，同時進行的大量工程應用研究，在高端精工加工中心的研發(fā)中，起到了很明顯的作用，成為加工中心新產品開發(fā)不可或缺的重要手段'在加工中心動態(tài)性能的長期研究中，形成了相互聯(lián)系、不可或缺、互為支撐的3個方面：自激振動研究、結構動態(tài)特性研究和動態(tài)性能測試研究。核心問題是加工中心結構的動態(tài)特性，它涉及加工中心的結構形態(tài)、材料、性能、加工質量、接合面狀態(tài)、裝配過程的合理性等方面,甚至結合面緊固件的應用都會對整機的動態(tài)性能產生影響。由此可知，加工中心結構動態(tài)特性是一個綜合性的問題，不同形式或不同規(guī)格的加工中心有不同的動態(tài)性能，即使同_規(guī)格的加工中心其動態(tài)特性也會有所差異。加工中心動態(tài)性能研究的目的在于對加工中心動態(tài)性能進行優(yōu)化。因此，研究的過程一般是實物建模一測試驗證一模型優(yōu)化一實物驗證等階段的反復擬合過程，應貫穿于加工中心設計的每一個階段,而不單是加工中心結構設計完成后的最后驗證。加工中心的動態(tài)性能始于對加工中心振動的研究，但隨著技術的發(fā)展和研究的深入，已經不能將加工中心動態(tài)特性僅僅看作單純的機械振動問題,而應與精工機床的實際運作狀態(tài)密切聯(lián)系起來?，F(xiàn)代精工加工中心是機電一體化設備,包括精工系統(tǒng)、伺服驅動、加工中心結構、加工過程以及位置和工況反饋，如圖1所示。機床整機的動態(tài)性能是各子系統(tǒng)動態(tài)性能的綜合，也就是說,加工中心動態(tài)性能是各子系統(tǒng)對加工過程動態(tài)力（包括切削力和慣性力）的綜合響應，不能僅考慮加工中心機械結構的動態(tài)響應，還要考慮控制系統(tǒng)和驅動系統(tǒng)的動態(tài)響應。多年來，各國學術界和工業(yè)界對加工中心動態(tài)性能分析和檢測方法的研究因目的不同而各有側重。盡管對加工過程振動的基本問題已經有比較全面的認識，但還沒有形成加工中心動態(tài)性能的公認定義以及有關加工中心動態(tài)性能的驗收條件和標準規(guī)范。為此，本文對加工中心動態(tài)性能設計若干基本概念表述如下：i加工中心動態(tài)性能是指加工中心整體結構在動態(tài)力作用下的動態(tài)響應特性，包括模態(tài)、阻尼、諧響應、動剛度/柔度等。方加工中心動態(tài)精度是指加工中心在動態(tài)力作用下振動導致的加工精度降低，即加工中心實際加工時相對靜態(tài)測試時的精度保持能力。3)加工中心動態(tài)效率是指加工中心在動態(tài)力作用下不出現(xiàn)振動的******金屬切除率，即能夠穩(wěn)定可靠地進行切削過程的加工效率。4加工中心動態(tài)性能優(yōu)化是指對加工中心動態(tài)性能的改善、加工中心動態(tài)精度和動態(tài)效率的提高所采取的措施和方法„在加工中心設計中，無論是靜態(tài)結構設計還是動態(tài)性能設計，盡管在方法上有所不同，但都需要關心所設計的加工中心的用途、加工批量、刀具類型、控制方式和使用環(huán)境等諸多問題。因此對這些問題關注的目的和具體內容是不一樣的[3]，見表1。 表1設計原始數(shù)據(jù)在加工中心靜動態(tài)設計中的體現(xiàn) 原始參數(shù) 加工中心的靜態(tài)設計 加工中心的動態(tài)設計 工件型譜和尺寸范圍 •總體結構配置形式•結構件的尺寸•各向行程范圍 •預估主要部件的模態(tài)特征*預選可優(yōu)化的結構件•建立初步模型 加工批景和毛坯形式 •測算主軸功率•估算構件強度和剛度•選擇潤滑冷卻方式•切肩流向和排屑方式 •盡可能過濾掉影響加工中心穩(wěn)定性******的模態(tài)•預測調整頻率響應曲線的方法和效果 刀具類型和換刀方式 •確定主軸及其軸承結構•選定主軸轉速范圍•選擇刀庫類型和容量 •調整加工中心的頻率響應特性•轉移可能出現(xiàn)的共振點•改變切削參數(shù)抑制顫振 加工中心的安裝和工作環(huán)境 •加工中心起吊、運輸和安裝•隔振和安全防護措施•電源、穩(wěn)壓和干擾屏蔽•環(huán)境溫度的穩(wěn)定和控制 •通過改變主要結構件適應或抑制外部影響•將外部環(huán)境與加工中心結構統(tǒng)一建模，優(yōu)化結構參數(shù) 控制方式和能源供應 •精工系統(tǒng)和伺服驅動•抗干擾設計和配置•節(jié)能和綠色環(huán)保 *提高驅動裝置動態(tài)性能•通過軟件改變頻率響應•借助傳感器實現(xiàn)主動控制 從表1可見，加工中心的動態(tài)性能設計的思路、目標、方法和過程與實現(xiàn)加工中心用途和功能的靜態(tài)結構設計有很大不同，動態(tài)設計更關注加工中心在加工過程中的表現(xiàn)，為此需要作進_步探討。1.2加工中心中的振動在大多數(shù)情況下，機械結構的振動是有害的,• 2 •尤其是在金屬切削加工中心中。為保證加工質量、提高切削效率、減少刀具的磨損、降低噪聲，都希望盡可能減小或消除振動。在加工中心中的振動形式有自由振動、受迫振動和自激振動。1.2.1加工中心中的自由振動自由振動是在系統(tǒng)本身的內力作用下發(fā)生的，而不是受外力激勵作用產生的。當系統(tǒng)的平衡遭到破壞，依靠其本身的彈性恢復力來維持的振動，即為自由振動。振動的頻率為系統(tǒng)的固有頻率，與系統(tǒng)的剛度質量比的平方根成正比。當系統(tǒng)存在阻尼時，振動將逐漸衰減，衰減的快慢與阻尼大小成正比。在加工中心中，自由振動的形態(tài)并不多見。通常是由地基傳來的瞬時沖擊引起,或者是某一運動部件突然啟動、停止或快速反向時，才可能產生自由振動，并隨之迅速衰減。因此，自由振動只會短暫地影響加工中心的加工精度和表面質量。1.2.2加工中心中的受迫振動在外力持續(xù)激勵作用下產生的振動稱為受迫振動或強迫振動。若激勵力為任意頻率的簡諧力，則所產生的受迫振動將以相同頻率振動，與系統(tǒng)的固有頻率無關。振動的能量來自激勵源，振幅不會衰減。當這個簡諧激勵力的頻率接近于加工中心結構某個固有頻率時,會產生共振。在加工中心工作過程中，經常會產生簡諧激勵力。例如，主軸旋轉時，其不平衡旋轉質量的離心力將造成周期性變化的簡諧激勵力,形成強迫振動。當加工中心移動機構作高速往復運動時，由于慣性力的周期性反復沖擊,也將成為具有一定頻率的周期性激勵力。盡管可以通過采取動平衡、阻尼緩沖等多種手段來消除或減輕受迫振動的影響，但是一旦與機床固有頻率接近而出現(xiàn)共振現(xiàn)象時,對加工中心加工精度和表面質量的影響就變得不可忽略。對精密加工中心而言，這一點顯得尤為重要。1.2.3加工中心中的自激振動w自激振動（或稱為顫振)發(fā)生在加工中心加工過程中，是加工中心和加工過程相互作用的結果。通常是由于切削過程的動態(tài)不穩(wěn)定，或移動部件在導軌上的運動不穩(wěn)定爬彳節(jié)，或伺服機構的動態(tài)不穩(wěn)定等原因造成的。其中對加工中心動態(tài)性能影響最為顯著的是刀具和工件之間自發(fā)產生的顫振，歷來是加工中心動態(tài)性能研究的熱點。關于加工中心自激振動形成機理的學說有很多，主要有以下3種：D振型錫合。切削時刀具因受到工件硬點沖擊 或切削深度突然變化產生受迫振蕩，加工中心-刀具系統(tǒng)的彈性在短時間內維持振動。若加工中心的進給系統(tǒng)繼續(xù)前進，其中一部分能量轉化為加工中心彈性系統(tǒng)維持振動的能量。當轉化的能量大于振動消耗的能量時,振動加劇，直至刀具損壞,加工過程無法進行。3再生效應。刀具由于某種突發(fā)的阻力在工件表面上留下波紋，當?shù)毒叩诙吻羞^該表面時，因切削深度變化而導致切削力的變化,刀具在此處表面留下更深的波紋。反復作用的結果導致發(fā)生振幅急劇增大的自激振蕩，使加工表面質量急劇下降,甚至導致工件報廢。3)切削力隨切屑滑移速度改變的特性。刀刃表面與切屑的摩檫系數(shù)是隨相對運動速度而變化的。由于切屑的伸長、折斷、受阻等原因，切肩在前刀面上的滑移速度產生周期性變動，導致摩擦力振蕩,以致切削力周期性變化,引起切削過程振動。1.2.4振動與材料加工中心中的振動不僅與結構有關,與所用的材料也有密切聯(lián)系，如圖2所示。從圖中可見，樹脂合成材料&卩復合樹脂、樹脂混凝土等)具有很高的阻尼系數(shù)，受到激勵后,振動會在數(shù)毫秒內迅速衰減。碳鋼的阻尼系數(shù)較小，初始響應幅值雖不大,但衰減很緩慢。鑄鐵具有較好的阻尼性能,阻尼系數(shù)大約是鋼的2倍，振動的衰減時間約為樹脂合成材料的10倍。由于其工藝性能好、價格低廉，是加工中心結構件最常用的材料。鋁合金的阻尼性能較差,不僅初始響應幅值大，而且衰減時間較長，大約是樹脂合成材料的45倍。圖2不同材料對激勵的響應工件材料對加工中心的振動也有很大的影響。例如，鈦合金的強度高、切削力大，但彈性模量低、易變形，在加工過程中容易產生振動。1.3單自由度系統(tǒng)的振動特性0單自由度振動系統(tǒng)是加工中心動力學的基礎。加工中心中許多機構（如工作臺的驅動機構皆可以簡化為單自由度系統(tǒng)。單自由度振動系統(tǒng)將質量、阻尼、剛度都看成集中于_點的理想元件。例如，質量m為剛度無限，彈簧A則不考慮其質量等。在許多情況下，這種理想化使問題變得比較簡單，且其解又有足夠的精度。單自由度振動系統(tǒng)的簡圖和數(shù)學表達如圖3所示。從圖中可見，質量m在靜態(tài)力和動態(tài)力的作用下，產生位移:r、速度i和加速度無。彈簧A的恢復力方向與位移;的方向相反，大小與位移量成正比:阻尼力的大小與速度i成正比，方向與運動方向相反;慣性力則與質量m和加速度無成正比。據(jù)此即可建立系統(tǒng)的力平衡的微分方程，即單自由度振動系統(tǒng)的時域表達式。隨后,對其進行傅里葉變換，即可獲得其頻域表達式，即系統(tǒng)的頻率響應函數(shù)。單自由度振動系統(tǒng)的特性可以通過如圖4所示的幅頻、相頻和幅相特性進一步加以描述。從圖中可見，幅頻特性是頻率響應函數(shù)的圖形描述。當頻率>〇時，其幃值即為系統(tǒng)的靜柔度，隨著頻率的增大而增大，而在固有頻率附近達到******值。******動柔度與系統(tǒng)阻尼c有關，當阻尼增加時，振動的幅值將減小,響應頻率降低。因此在許多情況下，增加阻尼是抑制振動的有效方法。幅相特性用以描述振動的幅值和相位的關系。當相位角為零時，幅相實部的坐標值為系統(tǒng)的靜柔度。頻率沿曲線的逆時針方向增加，系統(tǒng)柔度隨之增加，其向量即為柔度的幅值變化，夾角p是虛部與實部的反正切。當達到固有頻率時，柔度幅值達到******，近似等于的倒數(shù)„相頻特性描述相位角與頻率的關系。當系統(tǒng)處于初始狀態(tài)時，相位角為0。;而在固有頻率附近，相位角接近-90。,此時系統(tǒng)的柔度******。2建模、仿真和優(yōu)化2.1模型的類型和優(yōu)化目標®加工中心動態(tài)性能研究的終極目標是極大地提高加工中心加工過程的動態(tài)效率和動態(tài)精度。改善新研發(fā)加工中心或者現(xiàn)有加工中心的動態(tài)性能，都可以借助各種數(shù)學模型和仿真手段對加工中心的動態(tài)性能進行預估和評價，找到優(yōu)化加工中心動態(tài)性能的方向和途徑。建模、仿真和優(yōu)化之間的相互關系如圖5所示。加工中心動態(tài)性能分析的建?；A是三維CAD實體模型。將CAD模型進行不同程度的簡化后，可建立加工中心結構或驅動系統(tǒng)的動態(tài)性能分析模型。一個真實描述而又相對簡單的模型能夠為優(yōu)化設計提供巨大的幫助。對仿真結果基本滿意的設計可以進行樣機或部件試制，然后對這些物理模型進行性能測試、設計修改和進一步優(yōu)化。2.1.1集中參數(shù)模型三維CAD設計軟件可直接提供零部件的質量或慣性矩大小和重心幾何位置。最簡單的動態(tài)性能分析模型就是將三維CAD實體模型中的加工中心零部件簡化為集中的質量,然后將不同的集中質量和慣性矩、接合面的彈簧一阻尼元件聯(lián)系起來，構成多自由度的集中參數(shù)模型，如圖6所示。圖6集中參數(shù)模型集中參數(shù)模型的建模耗時短，對計算機的計算能力要求不高，易于建立和使用。但它是一種高度抽象和簡化的模型，與加工中心的結構和零部件沒有直接對應的聯(lián)系，只能用于粗略地估算系統(tǒng)的動態(tài)特性。2.1.2有限元模型有限元分析（FE4是一種有效的結構力學數(shù)值分析方法。它在連續(xù)體力學領域,包括加工中心結構靜、動態(tài)特性分析中已經普遍成功應用。主流的三維 CAD 軟件，如 Pro/E、NX、CAXA、SolidWorks 等都能與有限元分析軟件伽ANSYS、MSC、SolidWorksSimulation等)無縫集成，自動或人工劃分有限元網格，進行加工中心結構的應力應變、靜動態(tài)特性分析和仿真。為了減少網格(有限單元和節(jié)點)數(shù)量，以縮短所需的計算時間,在模型轉換時必須去除三維CAD模型中的小孔、倒角和溝槽等對整體結構動態(tài)性能沒有明顯影響的設計細節(jié)。對表面形狀變化不大的零件,如床身等則采用較大的網格，如圖7所示。機床動態(tài)性能有限元模型建立的難點在于邊界條件如結合面阻尼系數(shù)的確定，往往需要通過實驗方法求得。2.1.3混合模型為了簡化邊界條件的確定、縮短計算時間，往往采用有限元和集中參數(shù)相結合的混合模型，混合模型的特點是將加工中心主要結構件或部件用有限元法建模，而將導軌、絲杠螺母等運動結合面和螺釘連接的固定結合面簡化為結構件之間或若干結構件集合體之間的耦合點，并用相應的彈簧-阻尼單元加以連接。_個有限元和集中參數(shù)混合模型的案例如圖8所示。從圖中可見,在建模過程中進行了大量的簡化。例如，以Z軸方向移動立柱為主的集合體1描述了兩種典型的耦合：驅動系統(tǒng)（ 滾珠絲杠-螺母和線性導軌，而實際上每個運動軸的結合面都同時存在這兩種耦合。此外,僅用彈簧圖形代表彈簧-阻尼單元也是該案例的簡化特征之標和優(yōu)化參數(shù)在加工中心設計的不同階段都需要進行建模、仿真和優(yōu)化,但每個階段的優(yōu)化具體目標和優(yōu)化參數(shù)并不完全相同，見表2。慣性矩、驅動和結合面的位置、結合面的剛度系數(shù)等。在結構動力學分析階段,憂化參數(shù)主要是材料性能（比重、密度和彈性模數(shù)等）、質量和剛度分布、結構件拓撲優(yōu)化、結合面阻尼系數(shù)等。在模型驗證階段是導軌剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)、軸承剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)等。2.2模態(tài)分析和結構優(yōu)化模態(tài)分析是加工中心動態(tài)性能分析的主要方法和內容。模態(tài)振型揭示了加工中心主要結構在不同頻率下的動位移®戒方向和大小,描繪了加工中心動柔度的頻率響應特性?，F(xiàn)以江蘇多棱精工加工中心公司的高架橋式5坐標龍門加工中心為例，闡明加工中心模態(tài)分析和結構優(yōu)化的主要內容和過程[7_8]。2.2.1有限元模型建模前需進行前處理，即對整機CAD模型進行適當簡化，刪除小孔、倒角、倒圓等小特征，并對小曲率、小錐度進行直線化和平面化，簡化后將整機CAD模型通過接口文件轉換到有限元分析軟件中。借助ANSYS軟件的實體單元模塊對CAD模型進行網格自動劃分，并定義_個質量單元以模擬電主軸及其擺叉結構對整機的影響。結合面參數(shù)是影響加工中心整機動態(tài)性能的關鍵。針對導軌結合面進行試驗臺測試來獲得其特征參數(shù)，以此參數(shù)來定義彈簧阻尼單元。根據(jù)實際邊界條件，對加工中心底部進行約束處理。為了得到精確而又計算方便的有限元模型，在建模時對某些重要區(qū)域的網格進行局部細化，以提高網格劃分的質量。最終得到有133 000個實體單元、1個質量單元和62個彈簧-阻尼單元的整機有限元模型，如圖9(a)所示。海天精工是一家集銷售、應用及服務于一體的公司。產品包括：CNC加工中心、鉆攻中心、龍門加工中心、雕銑機、石墨機、五軸加工中心、立式加工中心、臥式加工中心等。我們機床的生產工廠設在廣東省寧波市，目前其生產的加工中心70%出口，其中出口到歐洲占到50%。我們盡心、盡力、盡意的服務！聲明：本站文章均來自網絡，所有內容不代表本站觀點，本站不承擔任何法律責任！