(1)長(zhǎng)期以來(lái)西方發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)中國(guó)航空、航天、模具等行業(yè)急需的 車(chē)銑加I.中心等高性能精工系統(tǒng)采取技術(shù)封鎖、出口限制和價(jià)格壟斷 等手段來(lái)加以阻攔，五軸控制的高檔精工系統(tǒng)、測(cè)量元件、B軸等還是 依賴國(guó)外的技術(shù)，要真正實(shí)現(xiàn)車(chē)銑加工中心完全國(guó)產(chǎn)化還需要漫長(zhǎng)的 路程，我們必須一方面吸收國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，另一方面要提高自己的創(chuàng) 新能力，加速我國(guó)的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的快速發(fā)展。
從以上分析可以看出，傳統(tǒng)模式的新產(chǎn)品的試制過(guò)程循環(huán)長(zhǎng)，對(duì)完 全創(chuàng)新開(kāi)發(fā)的新產(chǎn)品不利。與傳統(tǒng)模式相比，現(xiàn)代設(shè)計(jì)過(guò)程中在汁算機(jī) 上建立虛擬樣機(jī)模型和數(shù)學(xué)模型，通過(guò)仿真結(jié)果對(duì)其設(shè)計(jì)質(zhì)量包括外 觀、功能、性能、成本、可制造性、可靠性及制造周期等指標(biāo)進(jìn)行分析和評(píng) 價(jià)。計(jì)算機(jī)建模與仿真技術(shù)的出現(xiàn)和逐漸成熟，為解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造 中的種種弊端提供了強(qiáng)有力的下具和手段。其設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試、評(píng)價(jià)等 過(guò)程都是在計(jì)算機(jī)上完成的，保證了物理樣機(jī)一次試制成功率m。
由上述研究目的和意義可知，通過(guò)對(duì)車(chē)銑加工中心釆用計(jì)算機(jī)建 模與仿真技術(shù)的研究，能實(shí)時(shí)、并行地模擬出機(jī)床的未來(lái)制造全過(guò)程及 其對(duì)加工中心設(shè)計(jì)的影響，預(yù)測(cè)機(jī)床的性能、成本和可制造性，從而有 助于更冇效、更經(jīng)濟(jì)靈活地組織生產(chǎn)，使工_廠和車(chē)間的資源得到合理配 置，并使生產(chǎn)布局更合理、更有效。釆用計(jì)算機(jī)建模與仿真技術(shù)可以在 設(shè)計(jì)階段就進(jìn)行驗(yàn)證，確保設(shè)計(jì)的正確性，避免損失，從而可以縮短產(chǎn) 品的研制周期，獲得******的機(jī)床質(zhì)量、最低的成本和最短的開(kāi)發(fā)周期， 為此提出了本課題的研究。通過(guò)釆用計(jì)算機(jī)建模與仿真技術(shù)對(duì)該加工中心在實(shí)際投入生產(chǎn)之前對(duì)該機(jī)床的可制造性和可生產(chǎn)性等各方面性 能進(jìn)行驗(yàn)證，然后對(duì)該機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化，保證一次性生產(chǎn)成功，從而降低 成本、減少上市時(shí)間，提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。W此，本課題利用計(jì)算 機(jī)建模與仿真技術(shù)對(duì)車(chē)銑加下中心的研究和應(yīng)用是具有重要理論意義
車(chē)銑加工中心作為高杓精工機(jī)床之一，其制造技術(shù)一直被西方發(fā) 達(dá)國(guó)家所壟斷和控制，不僅其價(jià)格十分昂貴，而且西方國(guó)家限制對(duì)我國(guó) 出口。國(guó)內(nèi)研制一臺(tái)車(chē)銑加工中心不僅需要多種方案的反復(fù)比較和試 驗(yàn)，也需要大量的技術(shù)投資和較長(zhǎng)開(kāi)發(fā)周期，因此機(jī)床制造企業(yè)常常無(wú) 力進(jìn)行此項(xiàng)研究。虛擬樣機(jī)仿真技術(shù)的出現(xiàn)，為開(kāi)發(fā)高檔精工機(jī)床產(chǎn) 品提供了非常有力的技術(shù)途徑。車(chē)銑加工中心有其自身特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要 求，在設(shè)計(jì)階段采用虛擬樣機(jī)仿真方法解決車(chē)銑加工中心的關(guān)鍵技術(shù) 是非常有效的。由于在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)出三維動(dòng)態(tài)虛擬樣機(jī)模型，對(duì)其 進(jìn)行修改和優(yōu)化，試驗(yàn)和評(píng)價(jià)過(guò)程都利用計(jì)算機(jī)建模與仿真來(lái)實(shí)現(xiàn)，因 此節(jié)約了大量成本，縮短了開(kāi)發(fā)周期。
本章介紹的車(chē)銑加工中心屬于五軸車(chē)銑復(fù)合加工中心，如圖2. 1 所示?？蓪?shí)現(xiàn)X方向、Y方向、Z方向移動(dòng)；主軸可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速及恒 速切削，主軸電機(jī)可作C軸轉(zhuǎn)動(dòng)控制，形成任意角度的C軸；動(dòng)力刀架 上可裝銑刀主軸，形成-90°~ +90°范圍轉(zhuǎn)動(dòng)。因此該機(jī)床可實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)加工，一次裝卡不僅可完成軸類(lèi)或盤(pán)類(lèi)零件全部工序，而且適合復(fù)雜曲面零件的加工。
(1)采用虛擬樣機(jī)技術(shù)和有限元方法相結(jié)合建立多柔體的仿真系 統(tǒng)。具體通過(guò)ADAMS和ANSYS軟件協(xié)同建模，將車(chē)銑加工中心關(guān)鍵 部件轉(zhuǎn)化成柔性體，與其他部件形成剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)。 (2)基于多柔體系統(tǒng)的車(chē)銑加工中心運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析和動(dòng)力學(xué)仿 真分析。不僅可以觀察機(jī)床在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是否干涉現(xiàn)象的發(fā)生，而且 為加工中心的電機(jī)參數(shù)的選擇提供了參考依據(jù)。通過(guò)多柔體與多剛休 虛擬樣機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真對(duì)比分析，柔性體驅(qū)動(dòng)力比剛性體驅(qū)動(dòng)力大很多， 采用多柔休系統(tǒng)仿真更能反映實(shí)際情況。
通過(guò)對(duì)車(chē)銑加工中心的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行理論分析，可以優(yōu)化機(jī)床 結(jié)構(gòu)。由于該機(jī)床不確定的因素很多，很難建立其準(zhǔn)確的動(dòng)力學(xué)模型。 把理論分析和仿真研究緊密地結(jié)合起來(lái)，是機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化和動(dòng)態(tài)特性 測(cè)試的一種有效途徑，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)的ADAMS軟件可以有效解 決上述問(wèn)題。在設(shè)計(jì)階段，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行仿真，可以對(duì)機(jī)床的 動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行預(yù)評(píng)估，以便對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分析，找出薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)行修正 和優(yōu)化，提出改進(jìn)的建議，完善樣機(jī)。這種仿真技術(shù)一般都是從多體動(dòng) 力學(xué)分析出發(fā)，利用計(jì)算機(jī)建模與仿真和運(yùn)算得出結(jié)果，其模型的建立 和改進(jìn)往往還需要根據(jù)對(duì)機(jī)床實(shí)測(cè)的結(jié)果來(lái)修正，以確保該模型符合 實(shí)際。
研究者采用虛擬樣機(jī)對(duì)產(chǎn)品分析時(shí)，絕大多數(shù)都是對(duì)多剛體系統(tǒng) 進(jìn)行分析，所獲得的仿真結(jié)果是一種理想預(yù)測(cè)狀態(tài)。為了提高對(duì)車(chē)銑加工中心的仿真準(zhǔn)確度，更接近于實(shí)際情況，將有限元方法和虛擬樣機(jī)相結(jié)合，對(duì)車(chē)銑加工中心的關(guān)鍵部件進(jìn)行有限元分析，產(chǎn)生柔性體，與 機(jī)床其他部件形成剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)，然后在虛擬樣機(jī)模型上進(jìn)行車(chē)銑加工中心的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性和動(dòng)力學(xué)特性分析。因此為了獲得更準(zhǔn)確的仿真結(jié)果，對(duì)車(chē)銑加工中心建立基于多柔體系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)模塑是非常必要的。
在第2章基礎(chǔ)所建立的基于多柔體系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)仿真模塑基礎(chǔ)上，對(duì)進(jìn)行車(chē)銑加工中心關(guān)鍵部件的動(dòng)態(tài)特性仿真分析，對(duì)車(chē)削主軸和 銑刀主軸進(jìn)行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，獲得其各階固有頻率和******位 移響應(yīng)，為關(guān)鍵部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。由于兩個(gè)主軸的研究 方?去相似，所以本文只對(duì)銑刀主軸進(jìn)行仿真分析。
車(chē)銑加工中心需要具有良好的動(dòng)態(tài)特性和加工精度，以滿足現(xiàn)代 機(jī)械加工工藝要求，因?yàn)闄C(jī)床加工過(guò)程的穩(wěn)定性和加工精度，是評(píng)估機(jī) 床動(dòng)態(tài)性能的主要指標(biāo)。機(jī)床切削時(shí)的振動(dòng)和變形直接影響加工質(zhì) 量，因此提高穩(wěn)定性是改善機(jī)床動(dòng)態(tài)性能的主要途徑。隨著現(xiàn)代設(shè)計(jì) 方法的廣泛應(yīng)用，對(duì)機(jī)床進(jìn)行振動(dòng)特性分析，用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)取代靜態(tài)設(shè)計(jì) 已成為現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。現(xiàn)代制造業(yè)要求高精度、低粗 糙度的高自動(dòng)化精密機(jī)床，設(shè)法提高機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能，減少和避免振動(dòng) 的發(fā)生，保證機(jī)床在額定功率范圍內(nèi)使用時(shí)都不會(huì)發(fā)生振動(dòng)，這是機(jī)床 產(chǎn)品的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容。但要使其在各種工況下都具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài) 性能，目前還有較大困難。除了技術(shù)性的問(wèn)題，由于生產(chǎn)周期縮短，很 難建立一個(gè)物理樣機(jī)，這就導(dǎo)致必須要有一種方法來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)產(chǎn)品的 機(jī)械性能。采用虛擬樣機(jī)仿真的方法和實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性， 可以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)性能、縮短設(shè)計(jì)周期^74091。