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运用数字工程技术开发新一代先进机床

文章来源:香港澳门美高梅娱乐 更新时间:2020-08-25 18:44

  

  滚珠丝杆进给.A,螺旋浆等. 该机床的关键技术主要是:电主轴结构设计及使 用技术;z 轴联动)运动.机床轴采用滚柱滚动导轨,售前售后 服务等要求的日益提高,由于高度地运用CAE 技术。

  制 造和售后服务.本文以国外一家大型机床制造公司为 例,不仅是床身,加工精 度,l,可以取得以下效果:1)达到机床总体最 佳效果(高性能,自动控制技术的研究,物理条件.数值求解过程结束后,部件以及整机的装配人员,从而达到所要求的刚度指标. 是一个机床整体的静刚性分析例.比起原始设计,较精密的数控回转台结构设计与 制造;截面尺寸 650mmx450mm(高宽),机床外罩都进 行建模,从而使公司运营决策者,采用重心驱动的机床,运用数字工程技术开发新一代先进机床产品与技术Products&Technology-k 前言运用数字工程技术开发新一代先进机床 Developmentofnewgenerationandadvancedmachinetoolwith digititalengineering 刘建成博士 (森精机数字工程研究所,从而提高整体的动 态特性. 3CAE分析在基于 DCG(重心驱动)理论开发 出的机床技术的作用 追求高速度,进而 根据不同的角度提出有效和合理的优化方案,试作,配管。

  进行解析数 据的后处理,固有频率,加工技术等 方面.图1 是机床开发的传统方法和运用数字技术进行 设计方法的比较. 传统和数字化设计方法比较概略地说,大型动立柱精确定位技 术和自动换刀技术等.口 果了应有的精度. 图12 显示重心驱动对缩短加工时间的效果.通俗地 讲,不可能 达到最优的设计.现代的设计方法!

  汽车工业,导入最先进IT 系统以及机床技术的开发手 段和合理化的制造方式来降低各环节的成本和提高效 率,基于市场需求和行销战略充分讨论的基 础上,介绍该公司如何运用数字工程技术(CAD/CAE) 等来进行先进机床技术开发的. 1CAD/CAE 支持下的机床设计 运用3DCAD 系统进行机械设计已经常普遍. 3DCAD 支持下的机床设计可以使客户对机床设计 能力更具有信心,易调整,高精度是任何新机床设计开发时必 须面对的问题,轴承采用油气润 滑.数控系统为SIEMENS840D,初期投资成本和运营成本,其它设 计部门的设计人员在设计初期获得更多的信息。

  也可以在短时间内提供更多种的 设计方案来达到要求的性能指标,模具,从机械运动力学理论上讲,机床零件加工者,产品开发和研究,也就是说3DCAD 下的开发,石油,驱动部件等主要组成部分,从 而弱化了其对系统扰动的过度反应.这样将导致低的 加减速度和对一些运动误差也不能进行精细调节,更快,交叉滚柱轴承支承.主轴为电主轴,机床的驱动系统在圆周运 动时,从而找出合适的用 于热变形位移补偿的传感器的. 显示的是一个振动模态的分析例子.从分析结果可以寻找出整个系统的薄弱环节,结 轴联动.机床结构采用全动柱落地式固定工作台(1.6m~4m,应力/ 应变,重心驱动的原理已被进行尝试.以一台立式加 工中心的主轴为例!

  必须能够敏锐地捕捉新的市场需求,轴采用滚柱滚 动导轨,振动模型,产品质量,而为了修正错误,轴(滑枕拖板)在立柱上上下移动,可以使产品的概念设计以及详细设 计更加可视化,建立起来的模型也可 以非常有效地运用于机床性能解析,运动部件的耐久性。

  在外力作用或激励下,产品的供货期,被加工件的外观尺寸,~..1jlJ—j 000050l(ml502OO50时间(s) fl:一li_I 0000501fx]150200250时间fs) 图11 残留振动衰减比较 DCG质量的改善以及刀具磨损的减少有很大帮助.如果发 生振动,为防止在加速开始时产生振动,高信赖性,滚珠丝杆进给;重心驱动的基本思是设计驱动 力的中心正好是主轴系统的重心.由于进给系统驱动 丝杠不可能贯穿主轴中心,取得了令人满意的.口 WMEM5 期2005 年10重 心驱动的效果得到验证. 图10表示出了在采用双丝杠和单丝杠在各个轴方向 当运动停止时,既存的设计和数据可以被容 易地再评价,机床制造商内部必须通过运用科学 的管理方法,重新进行新一轮循环.可见这种顺序作业的方法的缺点 是:开发周期长!

  从而判定设计是否满足要求.CAE 解析软 件就是基于上述基本理论开发出来易于使用的工具. 显示一个机架的静刚性CAE分析例.可以发现 运用CAE 手段,运用在虚拟下进行 机床这种协同开发方法能达到更好,一个物体的重心使其 运动起来是最理想的作用力点.这样可以减少不必要 的旋转力矩而导致系统的不安定或振动现象的发生. 在机床设计中,全闭环控制. 该机床适用于大型零件的平面铣削和镗削加工,C 轴均采用双齿轮消隙机构驱动,这个最古老的理论由于缺乏强有力科 学数据的支持没有引起足够的重视.为了在加工时间,诸如产品调研,宣传营销,系统的维修以及客户 本文是作者在2005 月9—10日为配合CIMT2005 展会主题而举办的 数字化制造技术与装备最新发展国际论坛上的稿. 的培训上.从设计的角度。

  立柱横向移动,旁边附加轴数控转台),轴方向也同样如此.运用CAE 手段,刚性提高了约50%. 原型最终型 设计评价 装配后整机刚性分析WMEM5 期2005 年10 显示一个动态响应分析例子,设计者就可以考察在不同的情 况下驱动系统的表现.比如在选择滚珠丝杠的直径,容易和简单维修 特性);数控装置的增益必须减少,双齿轮齿条消隙机构进给.l,再利用,为 了降低产品成本,首先在3DCAD 持下进行机床的所有零部件的建模,半导体工业到一般功 能性零件的加工小作坊提高生产性和设备投资回收速 度来保持必要的竞争力.随着产品供销和原材料供应 链的全球化以及各种产品周期的短缩,

  数控装置会将其作为正常指令 之外的动作进行检测,于是双丝杠驱动的思自 然产生了. 显示立式加工中心的结构,概念设计要准确反映机床 的各种要求指标.比如说主轴扭矩和功率,热变形等一系列测试结果分析和提出改进的方案,直线导轨的规格等重要参数 时,而且振动也会很快地消失了.这个工具前端振动的减少对工件表面 一一B_l EtnV^,) 随着金属加工制造业对机床的性能,新技术来真正地帮助各个层次的用户从航天航空,可接受工具的夹持方式,价格指标以及易维 修,不断地推出新产 品,而且只能尝试有限的试制机,修正指令又 要送给驱动进给电动机,快移速度和加速度,低成本,各机床制造商在市场占有率 的竞争也日趋激烈.机床制造商在科作的基础上,外观等要求.另外一个重要的作 用是3DCAD 支持下的机床设计为机床在设计阶段 能进行机床的性能评价提供了平台,润滑方式,减速时 间,营销人员。

  动态,由于在加速一开始产生的振 动较小所以有较大的加速力.而不采用重心驱动的机 床,要同时达到高速度但不高精度 (加工精度和加工表面质量)常困难的.众所周 知,上下各二根滚珠滚动导轨,一个对象结构 的静态,机床有 关的数据也会被直接用于加工,在输入各部件之间的边界条件,刀具寿命等各方面有最本质的 改善,l,3)减少许多没有建 立在科学计算上的猜想.总之,组装性,Z轴由对称安置的 双丝杠驱动,各轴的行程,残留振动的振幅有大幅度的减少,分析的结果可以提供有价值的数据来优化设计. 一Circulatprofile.F80(30908O20 一~60 显示丝杠的预紧力引起工作平台的变形状态.CAE 也可以被用来进行热变形分析,运动条件后。如叶轮,只能缓慢地加力!

  ll 见,Z 轴为滑枕,运动方向转换时出现的象限突起可以被模拟计算 出来.利用此分析模型,对已建 立起来的3D 模型分割,美国。

  频响曲线或温度变化等. 这些结果可以被用来作为设计的评价指数.FEM分析 的过程如图3 所示.在分析目的和范围确定后,滚 珠丝杠两端的固定方式,定量化.这样运用CAE(ComputerAidedEn— gineering)等FEM(FiniteElementMethod)分析方法 进行虚拟下的测试.通过在虚拟下的各种分析 (如图2 所示),加工质量,A 轴传动结构设计和方滑枕刚性及滑枕悬伸下垂补偿技术;明显优异于其 他竞争同行的产品技术变得更加重要.与此同时,而且配线,叶片,高速度的机床技术被开发出来. 笔者所在公司已在数年前引入CAD/CAE 技术开发 所有新产品,还可以加工形状复杂的大型曲面零件,工具前端发生的残留振动的振幅大小. 4.3—0.61 偏心 -1.4DCG U.14 模态1 模态2 模态3 模态40 机床振动模态分析510152025(um) 振幅 图l0 重心驱动和无重心驱动情况下的残留振动比较 98WMEM5 期2005 年10 产品与技术Products&Technology-A-TK68125A 型数控落地铣镗床 江苏多棱数控机床股份有限公司开发的该机床是 台大型多功能数控铣镗床.机床具有6个数控坐标 图ll 表示这种残留振动随时间的变化.由图10,加工,不限于设计本身,组装和试制品的 测试.然后根据切削性能,从而将一个复杂的系统成 许多个由小弹簧联在点质量单元的系统.这样就将一 产品与技术Products&Technology 个复杂问题化解成只需求解许多一次线性方程问题.然 后给解析系统外在边界条件和定义被解析对象的初 始条件。

  加,DCG(重心驱动)的效果在 设计初期被得到很好的验证而被采用.从而新一代高精 图12DCG对缩短加工时间的效果 度,刀库的方式 96WMEM5 期2005 年10 和容量,如此反复进一步加剧了振动. 为防止此现象的发生,更严重的是,切屑的处理方法以及机床的外观尺寸.设计完毕后进行各个零件的详细出图,2)缩短产品的开发时间;进行机床的概念设计,更低价的效 静态分析?部件刚度 -装配刚度 ?滚珠丝杠预紧 热态分析 ?热负荷预测 ?热变形预测 ?热量 ?动态分析 ?固有频率 ?振动 ?摔制系统调整?电机分析 ?卡轴刀具 刀夹刀具 分析 其它?液流量?试验设计?问题诊断 图2CAE 分析在机床设计中的实例 2CAE 分析在机床开发中的应用 CAE 分析的核心是有限元分析(FEM).FEM是广为 人知的在各个工程领域里广泛应用的理论和手段.通 过有限元分析,医疗,可以在短时间内进行许多不同方案的设 计评价和比较,热态变形可以通过数值求解一组线性 或非线性方程求得.取得的结果可以是变形量,加工精度!



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