车模加工新方法及动力学研究

2007年1月机床与液压Vol 35 No. 1第35卷第1期MAChine TOOL hydraulicsJanuary 2007车模加工新方法及动力学研究侯红玲2,邱志惠2,赵永强(1.西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验宣,西安7100492.陕西理工学院机电工程系,陕西汉中723003)摘要:针对在制作汽车覆盖件模具的过程中,模型精修加工时存在手工打磨精度差、人为因素多等问题,提出了一种新的加工方法,该方法是通过对三坐标测量机进行简单改装,把测量头改装成球头铣刀,使其同时具有五轴联动数控机床的功能,既可检测又可以进行模型精修。研究并建立了它的动力学模型,并在 ADAMS软件系统中进行了动力学性能分析结果证明,该机构可以实现曲面加工,有效地解决了目前精修时存在的问题,提高了加工精度和效率,并且节约了设备投关键词:三坐标测量机;汽车模具;动力学模型中图分类号:TH05文献标识码:A文章编号: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部车的造型过前市场上用的三坐程要经历以下过程标测量机(如图造型设计、油泥模型2),主要是进行制作、三维数控铣各种测量。现在我主模型验证、非标准们设想将它改进成件的制造与安装。在具有加工功能的高整个过程中,比较费图1汽车模型精修现场速铣削机床,采用时、关键的工序就是数字控制,对各种车模油泥模型的后处理"。它要靠技术工人的经验保曲面进行加工,并图2三座标测量机对车模进行测证车模的曲面的轮廓及精度,在实际操作中有一定的对其进行质量检难度。图1所示是汽车模型工精修车模的现场。测。这种一机多功能的设备在国外应用较多,尤其是美国的富兰克林和意大利的“MB"主要生产合日本。目前国内尚未研制出这种机器,从发展的角金车模。富兰克林的模型多年以来一直雄踞模型霸主度来看,开发这种机器迫在眉睫。地位,但是它的工艺全部靠手工打造;“MR"”一直以1功能要求与原始参数生产限量的l:43模型而享誉欧美模型市场,不过工根据机床的应用领域和加工对象确定机床设计的艺也是靠手工打造。原始参数,如表1所示据劳动和社会保障部2004年发布的消息:汽车表1车模数控铣机床的参数模型工是在20世纪80年代初期形成的,目前从业人快速移动速度24m/nin员大约有1000多人,分布在全国20多个省、市,H中国煤化工om2k W100多家汽车生产企业。可以看出,目前这样的人才CNMH GO00Omm x 3400mm不多,这么精细的工作仅靠这些技术工人的熟练程度c轴的最小分度角和个人主观来保证,在实际实施中有一定的难度。最大加速度1.0考虑设计一台数控机床,使这一过程自动化。日刀具最大直径机床与液压第35卷由于汽车模型形状复杂,曲率变化大,在设计由于铣头的重量和横梁的自重引起立柱的弯曲变时除了X、Y、Z三个方向的移动外,还需要铣刀绕形,使立柱上端Q点产生扭转角03w,从而导致橫梁空间A、C轴的摆动或旋转(图6)。其中A、C两个上A点的下沉量y的计算:方向的运动,由伺服电机控制,电主轴直接和铣刀连接,不需要中间的连接部件3。实际上是一个五坐标E2,=2.49×10d控制的机床设计。yA=64l=-0.0486mm2汽车模型新型数控铣结构设计A点总挠度:2.1总体布局总体布局是决定全计算出了横梁的变形量,可以采取一定的措施来局的重要问题,它对产滑架修补误差,采用调整补偿原理。采用双层结构,夹层品的制造、运输和使用悬之间设置调整螺钉,用来调整预变形。但是对于悬臂都起着决定性作用。根式结构,水平悬臂的变形不仅是Y的函数,而且是Z据工作原理,综合考虑的函数,即不仅与水平臂的伸出量有关,而且与滑套各部件之间的运动关系的上下位置有关,因此这种调整方法只能在一定程度和相互位置;同时考虑上减小变形误差,而无法消除它。在有限元分析软件精度、稳定性、体积和中,对结构不同的横梁进行了静力学和动力学分析重量,决定采用悬臂单最终确定了横梁的结构为加斜筋截面的横梁。立柱式结构,如图3所鼙替2.3转臂的设计在图5所示的2.2横梁的受力分析图3悬臂式单立柱式结构三坐标测量机的测采用单立柱式结构时量头处,安装球磨由于横梁(如图4)是长铣刀,并由原来的的悬臂梁,刚度要求较高3自由度改为5自当横粱方向的行程最大时由度。图4就是具立柱产生最大弯曲变形。「底座有5自由度的转臂横梁由自重产生的变形也结构。可以通过数会增加到总变形上,从而控系统对车模曲面严重地影响了Z轴、Y轴进行加工。图5三坐标测量机测量头外观图的精度。为了提高机器的图4横梁简化后模型如图6中所示,精度,必须进行定量地分转臂将横梁和电主析,计算出误差数值以便修正或补偿轴联接起来,并使横梁带动铣头处在远端时,横梁上A点的挠度电主轴可以在空间及截面转角计算:绕A、C轴摆动。(1)由铣头重量引起的变形另外,对于电主轴yv=-3B7=-0.0783m的摆动有两种实现方法:一种是可以电主轴2EI6.02x10在线及时调整使电(2)由自重引起的垂直方向的变形机摆动一定的角度,图6橫梁、转臂及电主轴的连接g另一种手动调整后使电机在工作时保持某一位置。因=-0.353m此,对于转臂的设计拟采用两种不同方案。其一是采用两个伺服电机实现电主轴在任意时刻=-2,42×10rad的及时翻转;其二是采用齿盘分度装置,在电主轴工(3)立柱受弯矩M,造成横梁A点下沉量yAw作中国煤化工加工过程中保持某既CNMHG第一种方案。即利用=41427cm双电机控制。图7是转臂的方案图。此部件通过横梁端盖直接十545.7lN·m和横梁联接,在伺服电机1的驱动下,拐角端盖带动第l期侯红玲等:车模加工新方法及动力学研究伺服电机2及其电主轴一起绕C轴线旋转;伺服电机以导轨座水平方向为基准,建立系统的势能2可以驱动十字槽端盖带动电主轴绕A轴线旋转,这V=m,gz+(m,+m,).(h,+v, t)(2)两个旋转过程可以协调工作,也可以各自独立工作。该方案优点:回转精度高,可以实现在线及时控制;其中的z为常数。体现了数控加工的优势,可以实现五轴联动的铣削方相应的广义力:Q=-=-(m1+m3)gt(3)拉格朗日函数的表达式:横梁端盖拐角端益伺服电机2何服电机L=T-V=(m1+m2+m1)+J12-1mg-mg(2)d/BT、m,aQ(5)其中:q为系统广义坐标,Q为势力之外的所有外力。由拉格朗日方法得到5个方向的驱动力方程”,十字槽端a1分别是3个移动构件的加速度联接螺套图7伺服电机控制的转臂系统方案结构图本方案中选用安阳莱必泰机械有限公司的型号为dJmn+(m1+m)g=Q(6)ADX20-18/3.37的电主轴。最大刀具直径为A甲A+JAd30m,采用HSK接口标准,手动换刀。d2.4新机床与测量机之间区别与联系s+J甲ed和三坐标测量此式表明了横梁和滑块的质量对驱动力影响较机相似的是该机床大,同时也可以看到横梁、立柱、滑块的速度和加速也保证了X、Y、Z度对驱动力的影响,在设计中综合考虑速度和加速度三个方向的移动,的分配,以达到要求的驱动力最小。当然由于表达式不同的是对测量头中含有时间,所以按最长的时间来确定每个方向的驱进行了改装,即上动力。从上述表达式可以看出面的转臂。同时使(1)质量m、m2、m3分别增大时,驱动力增机床具有五自由度大加工功能(2)加速度a1、a2、a3增大时,驱动力也增大。图8中的右半图8三维实体装配模型3.2 ADAMS下的运动仿真部分是一个大升降釆用机械系统动力学分析软件 ADAMS进行系统台,工作时将车模放在升降台上,当加工完车模的一仿真。由于整机模型是在UG下建立的,利用UG与边时,通过升降台对其旋转180°,然后再加工另ADAMS软件的接口,将机构模型传人 ADAMS,但在边仿真过程中,由于图形复杂,不利于选择部件。在3整机动力学分析ADAMS中建立等效模型,进行仿真分析3.1动力学建模本文采用拉格朗日方法研究动力学问题“,横梁的平动速度为",质量m;立柱沿着导轨移动的速度为n1,质量m;滑块沿立柱的移动速度为n2,质量m2。忽略虚拟机床的弹性,取3个方向的速度v、中国煤化丘到v1、n2和转臂的两个转角qA、甲为系统的广义坐标。CNMH 3.0则虚拟机床的拉格朗日动能T=1(m+m2+m)+,J9,+!甲。(1)93个运动副之间的反作用力(下转第68页)机床与液压第35卷4结论approach to tool path generation for multi-axis sculptured(1)提出了面向特殊双转台型五轴数控机床的surface machining [J]. Computer Aided Design, 2002基于正向与逆向运动学的误差计算方法,可以推广到34(5):357-371其它类型的五轴数控机床非线性误差计算,并且可以[6] Rao. A, Sarma. R. On local gouging in five-axis为不同类型五轴数控机床之间数控程序的相互转换提sculptured surface machining using flat-end tools [J]供理论基础。Computer Aided Design, 2000, 32(7): 409-420(2)对于双转台型五轴数控机床非线性误差不仅【7】 Lauwers.B., Dejong.P.,Knuh,J.P. Optimaland collision free tool posture in five axis machining与机床结构参数和工件位置参数有关,而且与两相邻through the tight integration of lool path generation and ma-刀位坐标之间的三维欧氏距离密切相关;对于其它类hining simulation J]. Computer Aided Design, 2003型的五轴数控机床可以得到相应的结论。35(5):421-432学,(3)提出的基于四元数向量插值的新算法,“平【8】张利波,刘晓云,张日敏.五轴NC加工中的非线性了刀轴矢量,从而提高了加工效率、表面质量误差分析及补偿[J].华中理工大学学报,199,23和机床运动的平稳性参考文献[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.游戏编程精粹[M].北京:人民邮电【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.作者简介:张健(1979.12-),男,大连理工大学在【4】lee.E. Contour offset approach to spiral tool path gen-读硕土研究生。研究方向:复杂曲面CAD/CAM,多轴数eration with constant scallop height[J]. Computer Aided控加工技术。电话: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页)(1)开发了一种新型数控结构,此中机构可以实现了铣刀的五自由度,能加工空间曲面。(2)建立了该机构的动力学模型,达到了对系统的最优控制。辑菲(3)用虚拟样机技术分析了该机床的动力学性能,为以后高速铣削机床的研究提供了一定的理论依据参考文献10滑块和立柱的加速度【】杨道陵,现代轿车造型设计程序[J].发明与创新测量出3个移动副在整个仿真过程中的受力如图2005(7)9,可以看出立柱和导轨之间的力F1、滑块和立柱之【(2】梁荣茗·三坐标测量机的设计使用维修与检定[M间的受力F2及横梁和滑块之间的受力F3,满足F1>中国计量出版社,2001.3F2>F,的关系。滑块的加速度大于立柱的加速度,【3】张伯霖.高速切削技术及应用M二者的变化趋势一致。测量得到的这些数据,为机床【4】蔡光起,原所先,胡明,等,三自由度虚拟轴机床静实际设计和优化提供了可靠的参数依据中国煤化工·中国机械工程4小结CNMHG对目前车模加工行业中,要依靠技术工人的熟练5学出版社,2004.9程度来保证加工精度这一问题,提出采用数控加工作者联系方式:侯红玲,E-mail;xjtuhhle@163.com。以提高精度和效率。通过本文的工作得到以下结论:收稿日期:2005-12-12