加工中心的动态性能及其优化


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 前言:

 

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 关于加工中心动态性能优化设计的研究,始于20世纪60年代。半个多世纪以来,以TOBIAS等人为先驱的国内外学者为此做了大量的基础性研究,提出了具有实用价值的理论和方法,研发了切实有效的测试手段以及数据处理和分析软件不仅使机床动态性能研究达到了很高的学术水平,同时进行的大量工程应用研究,在高端数控加工中心的研发中,起到了很明显的作用,成为加工中心新产品开发不可或缺的重要手段'

在加工中心动态性能的长期研究中,形成了相互联系、不可或缺、互为支撑的3个方面:自激振动研究、结构动态特性研究和动态性能测试研究。核心问题是加工中心结构的动态特性,它涉及加工中心的结构形态、材料、性能、加工质量、接合面状态、装配过程的合理性等方面,甚至结合面紧固件的应用都会对整机的动态性能产生影响。由此可知,加工中心结构动态特性是一个综合性的问题,不同形式或不同规格的加工中心有不同的动态性能,即使同_规格的加工中心其动态特性也会有所差异。

加工中心动态性能研究的目的在于对加工中心动态性能进行优化。因此,研究的过程一般是实物建模一
测试验证一模型优化一实物验证等阶段的反复拟合过程,应贯穿于加工中心设计的每一个阶段,而不单是加工中心结构设计完成后的最后验证。

加工中心的动态性能始于对加工中心振动的研究,但随着技术的发展和研究的深入,已经不能将加工中心动态特性仅仅看作单纯的机械振动问题,而应与数控机床的实际运作状态密切联系起来。现代数控加工中心是机电一体化设备,包括数控系统、伺服驱动、加工中心结构、加工过程以及位置和工况反馈,如图1所示。机床整机的动态性能是各子系统动态性能的综合,也就是说,加工中心动态性能是各子系统对加工过程动态力(包括切削力和惯性力)的综合响应,不能仅考虑加工中心机械结构的动态响应,还要考虑控制系统和驱动系统的动态响应。

多年来,各国学术界和工业界对加工中心动态性能分析和检测方法的研究因目的不同而各有侧重。尽管对加工过程振动的基本问题已经有比较全面的认识,但还没有形成加工中心动态性能的公认定义以及有关加工中心动态性能的验收条件和标准规范。为此,本文对加工中心动态性能设计若干基本概念表述如下:

i加工中心动态性能是指加工中心整体结构在动态力作用下的动态响应特性,包括模态、阻尼、谐响应、动刚度/柔度等。

方加工中心动态精度是指加工中心在动态力作用下振动导致的加工精度降低,即加工中心实际加工时相对静态测试时的精度保持能力。

3)加工中心动态效率是指加工中心在动态力作用下不出现振动的最大金属切除率,即能够稳定可靠地进行切削过程的加工效率。

4加工中心动态性能优化是指对加工中心动态性能的改善、加工中心动态精度和动态效率的提高所采取的措施和方法„

在加工中心设计中,无论是静态结构设计还是动态性能设计,尽管在方法上有所不同,但都需要关心所设计的加工中心的用途、加工批量、刀具类型、控制方式和使用环境等诸多问题。因此对这些问题关注的目的和具体内容是不一样的[3],见表1。

表1设计原始数据在加工中心静动态设计中的体现

原始参数

加工中心的静态设计

加工中心的动态设计

工件型谱和尺寸范围

•总体结构配置形式•结构件的尺寸•各向行程范围

•预估主要部件的模态特征*预选可优化的结构件•建立初步模型

加工批景和毛坯形式

•测算主轴功率•估算构件强度和刚度•选择润滑冷却方式•切肩流向和排屑方式

•尽可能过滤掉影响加工中心稳定性最大的模态•预测调整频率响应曲线的方法和效果

刀具类型和换刀方式

•确定主轴及其轴承结构•选定主轴转速范围•选择刀库类型和容量

•调整加工中心的频率响应特性•转移可能出现的共振点•改变切削参数抑制颤振

加工中心的安装和工作环境

加工中心起吊、运输和安装•隔振和安全防护措施电源、稳压和干扰屏蔽•环境温度的稳定和控制

•通过改变主要结构件适应或抑制外部影响•将外部环境与加工中心结构统一建模,优化结构参数

控制方式和能源供应

•数控系统和伺服驱动•抗干扰设计和配置•节能和绿色环保

*提高驱动装置动态性能•通过软件改变频率响应•借助传感器实现主动控制

 

从表1可见,加工中心的动态性能设计的思路、目标、方法和过程与实现加工中心用途和功能的静态结构设计有很大不同,动态设计更关注加工中心在加工过程中的表现,为此需要作进_步探讨。

1.2加工中心中的振动

在大多数情况下,机械结构的振动是有害的,2

尤其是在金属切削加工中心中。为保证加工质量、提高切削效率、减少刀具的磨损、降低噪声,都希望尽可能减小或消除振动。在加工中心中的振动形式有自由振动、受迫振动和自激振动。

1.2.1加工中心中的自由振动

自由振动是在系统本身的内力作用下发生的,而不是受外力激励作用产生的。当系统的平衡遭到破坏,依靠其本身的弹性恢复力来维持的振动,即为自由振动。振动的频率为系统的固有频率,与系统的刚度质量比的平方根成正比。当系统存在阻尼时,振动将逐渐衰减,衰减的快慢与阻尼大小成正比。

在加工中心中,自由振动的形态并不多见。通常是由地基传来的瞬时冲击引起,或者是某一运动部件突然启动、停止或快速反向时,才可能产生自由振动,并随之迅速衰减。因此,自由振动只会短暂地影响加工中心的加工精度和表面质量。

1.2.2加工中心中的受迫振动

在外力持续激励作用下产生的振动称为受迫振动或强迫振动。若激励力为任意频率的简谐力,则所产生的受迫振动将以相同频率振动,与系统的固有频率无关。振动的能量来自激励源,振幅不会衰减。当这个简谐激励力的频率接近于加工中心结构某个固有频率时,会产生共振。

在加工中心工作过程中,经常会产生简谐激励力。例如,主轴旋转时,其不平衡旋转质量的离心力将造成周期性变化的简谐激励力,形成强迫振动。当加工中心移动机构作高速往复运动时,由于惯性力的周期性反复冲击,也将成为具有一定频率的周期性激励力。尽管可以通过采取动平衡、阻尼缓冲等多种手段来消除或减轻受迫振动的影响,但是一旦与机床固有频率接近而出现共振现象时,对加工中心加工精度和表面质量的影响就变得不可忽略。对精密加工中心而言,这一点显得尤为重要。

1.2.3加工中心中的自激振动w

自激振动(或称为颤振)发生在加工中心加工过程中,是加工中心和加工过程相互作用的结果。通常是由于切削过程的动态不稳定,或移动部件在导轨上的运动不稳定爬彳节,或伺服机构的动态不稳定等原因造成的。其中对加工中心动态性能影响最为显著的是刀具和工件之间自发产生的颤振,历来是加工中心动态性能研究的热点。

关于加工中心自激振动形成机理的学说有很多,主要有以下3种:

D振型锡合。切削时刀具因受到工件硬点冲击

或切削深度突然变化产生受迫振荡,加工中心-刀具系统的弹性在短时间内维持振动。若加工中心的进给系统继续前进,其中一部分能量转化为加工中心弹性系统维持振动的能量。当转化的能量大于振动消耗的能量时,振动加剧,直至刀具损坏,加工过程无法进行。

3再生效应。刀具由于某种突发的阻力在工件表面上留下波纹,当刀具第二次切过该表面时,因切削深度变化而导致切削力的变化,刀具在此处表面留下更深的波纹。反复作用的结果导致发生振幅急剧增大的自激振荡,使加工表面质量急剧下降,甚至导致工件报废。

3)切削力随切屑滑移速度改变的特性。刀刃表面与切屑的摩檫系数是随相对运动速度而变化的。由于切屑的伸长、折断、受阻等原因,切肩在前刀面上的滑移速度产生周期性变动,导致摩擦力振荡,以致切削力周期性变化,引起切削过程振动。

1.2.4振动与材料

加工中心中的振动不仅与结构有关,与所用的材料也有密切联系,如图2所示。从图中可见,树脂合成材料&卩复合树脂、树脂混凝土等)具有很高的阻尼系数,受到激励后,振动会在数毫秒内迅速衰减。碳钢的阻尼系数较小,初始响应幅值虽不大,但衰减很缓慢。铸铁具有较好的阻尼性能,阻尼系数大约是钢的2倍,振动的衰减时间约为树脂合成材料的10倍。由于其工艺性能好、价格低廉,是加工中心结构件最常用的材料。铝合金的阻尼性能较差,不仅初始响应幅值大,而且衰减时间较长,大约是树脂合成材料的45倍。

 

2不同材料对激励的响应工件材料对加工中心的振动也有很大的影响。例如,钛合金的强度高、切削力大,但弹性模量低、易变形,在加工过程中容易产生振动。

1.3单自由度系统的振动特性0

单自由度振动系统是加工中心动力学的基础。加工中心
中许多机构(如工作台的驱动机构皆可以简化为单自由度系统。单自由度振动系统将质量、阻尼、刚度都看成集中于_点的理想元件。例如,质量
m为刚度无限,弹簧A则不考虑其质量等。在许多情况下,这种理想化使问题变得比较简单,且其解又有足够的精度。单自由度振动系统的简图和数学表达如图3所示。

 

从图中可见,质量m在静态力和动态力的作用下,产生位移:r、速度i和加速度无。弹簧A的恢复力方向与位移;的方向相反,大小与位移量成正比:阻尼力的大小与速度i成正比,方向与运动方向相反;惯性力则与质量m和加速度无成正比。据此即可建立系统的力平衡的微分方程,即单自由度振动系统的时域表达式。随后,对其进行傅里叶变换,即可获得其频域表达式,即系统的频率响应函数。

单自由度振动系统的特性可以通过如图4所示的幅频、相频和幅相特性进一步加以描述。从图中可见,幅频特性是频率响应函数的图形描述。当频率>〇时,其幃值即为系统的静柔度,随着频率的增大而增大,而在固有频率附近达到最大值。最大动柔度与系统阻尼c有关,当阻尼增加时,振动的幅值将减小,响应频率降低。因此在许多情况下,增加阻尼是抑制振动的有效方法。

幅相特性用以描述振动的幅值和相位的关系。当相位角为零时,幅相实部的坐标值为系统的静柔度。频率沿曲线的逆时针方向增加,系统柔度随之增加,其向量即为柔度的幅值变化,夹角p是虚部与实部的反正切。当达到固有频率时,柔度幅值达到最大,近似等于的倒数„

相频特性描述相位角与频率的关系。当系统处于初始状态时,相位角为0。;而在固有频率附近,相位角接近-90。,此时系统的柔度最大。

2建模、仿真和优化

2.1模型的类型和优化目标®

加工中心动态性能研究的终极目标是极大地提高加工中心加工过程的动态效率和动态精度。改善新研发加工中心或者现有加工中心的动态性能,都可以借助各种数学模型和仿真手段对加工中心的动态性能进行预估和评价,找到优化加工中心动态性能的方向和途径。建模、仿真和优化之间的相互关系如图5所示。

加工中心动态性能分析的建模基础是三维CAD实体模型。将CAD模型进行不同程度的简化后,可建立加工中心结构或驱动系统的动态性能分析模型。一个真实描述而又相对简单的模型能够为优化设计提供巨大的帮助。对仿真结果基本满意的设计可以进行样机或部件试制,然后对这些物理模型进行性能测试、设计修改和进一步优化。

2.1.1集中参数模型

三维CAD设计软件可直接提供零部件的质量或惯性矩大小和重心几何位置。最简单的动态性能分析模型就是将三维CAD实体模型中的加工中心零部件简化为集中的质量,然后将不同的集中质量和惯性矩、接合面的弹簧一阻尼元件联系起来,构成多自由度的集中参数模型,如图6所示。

 

6集中参数模型

集中参数模型的建模耗时短,对计算机的计算能力要求不高,易于建立和使用。但它是一种高度抽象和简化的模型,与加工中心的结构和零部件没有直接对应的联系,只能用于粗略地估算系统的动态特性。2.1.2有限元模型

有限元分析(FE4是一种有效的结构力学数值分析方法。它在连续体力学领域,包括加工中心结构静、动态特性分析中已经普遍成功应用。主流的三维 CAD 软件,如 Pro/ENXCAXA、SolidWorks 等都能与有限元分析软件伽ANSYSMSC、SolidWorksSimulation等)无缝集成,自动或人工划分有限元网格,进行加工中心结构的应力应变、静动态特性分析和仿真。

为了减少网格(有限单元和节点)数量,以缩短所需的计算时间,在模型转换时必须去除三维CAD模型中的小孔、倒角和沟槽等对整体结构动态性能没有明显影响的设计细节。对表面形状变化不大的零件,如床身等则采用较大的网格,如图7所示。机床动态性能有限元模型建立的难点在于边界条件如结合面阻尼系数的确定,往往需要通过实验方法求得。

2.1.3混合模型

为了简化边界条件的确定、缩短计算时间,往往采用有限元和集中参数相结合的混合模型,混合模型的特点是将加工中心主要结构件或部件用有限元法建模,而将导轨、丝杠螺母等运动结合面和螺钉连接的固定结合面简化为结构件之间或若干结构件集合体之间的耦合点,并用相应的弹簧-阻尼单元加以连接。

_个有限元和集中参数混合模型的案例如图8所示。从图中可见,在建模过程中进行了大量的简化。例如,以Z轴方向移动立柱为主的集合体1描述了两种典型的耦合:驱动系统滚珠丝杠-螺母和线性导轨,而实际上每个运动轴的结合面都同时存在这两种耦合。此外,仅用弹簧图形代表弹簧-阻尼单元也是该案例的简化特征之标和优化参数

在加工中心设计的不同阶段都需要进行建模、仿真和优化,但每个阶段的优化具体目标和优化参数并不完全相同,见表2。

惯性矩、驱动和结合面的位置、结合面的刚度系数等。在结构动力学分析阶段,忧化参数主要是材料性能(比重、密度和弹性模数等)、质量和刚度分布、结构件拓扑优化、结合面阻尼系数等。在模型验证阶段是导轨刚度系数和阻尼系数、轴承刚度系数和阻尼系数等。

2.2模态分析和结构优化

模态分析是加工中心动态性能分析的主要方法和内容。模态振型揭示了加工中心主要结构在不同频率下的动位移®戒方向和大小,描绘了加工中心动柔度的频率响应特性。

现以江苏多棱数控加工中心公司的高架桥式5坐标龙门加工中心为例,阐明加工中心模态分析和结构优化的主要内容和过程[7_8]

2.2.1有限元模型

 

建模前需进行前处理,即对整机CAD模型进行适当简化,删除小孔、倒角、倒圆等小特征,并对小曲率、小锥度进行直线化和平面化,简化后将整机CAD模型通过接口文件转换到有限元分析软件中。借助ANSYS软件的实体单元模块对CAD模型进行网格自动划分,并定义_个质量单元以模拟电主轴及其摆叉结构对整机的影响。结合面参数是影响加工中心整机动态性能的关键。针对导轨结合面进行试验台测试来获得其特征参数,以此参数来定义弹簧阻尼单元。根据实际边界条件,对加工中心底部进行约束处理。为了得到精确而又计算方便的有限元模型,在建模时对某些重要区域的网格进行局部细化,以提高网格划分的质量。最终得到有133 000个实体单元、1个质量单元和62个弹簧-阻尼单元的整机有限元模型,如图9(a)所示。

 

 

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