当前位置：文档之家 › 小型五轴数控机床设计评价及结构动态特性分析

小型五轴数控机床设计评价及结构动态特性分析

  • 格式：pdf
  • 大小：2.11 MB
  • 文档页数：59

硕士学位论文小型五轴数控机床设计评价及结构动态特性分析EV ALUATION OF DESIGN PARAMETERS AND DYNAMIC ANALYSIS OF A FIVE-AXIS MINIATURIZED MILLING MACHINE TOOL左常迪哈尔滨工业大学2009年6月国内图书分类号：TG547+.1 学校代码：10213 国际图书分类号: 621.914.32 密级：公开工学硕士学位论文小型五轴数控机床设计评价及结构动态特性分析硕士研究生:左常迪导师:孙雅洲 副教授申请学位:工学硕士（应用研究型）学科、专业:机械制造及其自动化所在单位:机电工程学院答辩日期:2009年6月授予学位单位:哈尔滨工业大学Classified Index：TG547+.1U.D.C.：621.914.32Dissertation for the Master Degree in Engineering EV ALUATION OF DESIGN PARAMETERS AND DYNAMIC ANALYSIS OF AFIVE-AXIS MINIATURIZED MILLINGMACHINE TOOLCandidate:Zuo ChangdiSupervisor:Associate Prof. Sun Yazhou Academic Degree Applied for:Master of EngineeringSpecialty:Mechanical Manufacturing and AutomationAffiliation: School of Mechatronics Engineering Date of Defence:June，2009Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology摘要随着民用和国防等众多领域对微小型化产品需求的不断增加，人们开始越来越关注微小零件的设计与加工问题。

微细铣削加工技术在制造复杂三维几何形状微小零件中具有重要的作用。

然而，目前许多由金属材料制成的三维微小零件都是在常规尺寸的超精密机床上加工而成的，这些机床成本高、效率低、能耗大、主轴转速相对较低，微小型机床的诞生就是为了解决这些问题。

微小型机床不仅有助于提高空间利用率和降低成本，而且由于惯性减小，从而容易达到高速加工和高精度运动控制。

目前，许多研究工作都集中在建造与小型零件尺度相匹配的小型机床，并且已有不少有关小型机床设计原型的报道，然而在小型化机床结构设计方法方面的报道并不多见。

本文针对自行研制的五轴小型精密数控铣床，从空间误差控制和结构动态性能控制两方面进行机床结构设计参数分析和动态特性分析。

首先，建立了基于刚体运动学的五轴小型机床系统空间误差模型，采用基于损失模型的稳健设计方法，以机床实际设计参数和局部几何误差为控制因素和噪声因素，以正交试验为工具安排了多组仿真试验；通过对试验结果的统计与分析评价了各设计参数对空间误差的影响及其稳健性。

然后，采用有限元分析软件ANSYS对机床整机进行结构静动态特性分析，并对机床整机的动态特性作出评价，通过逐步缩短运动链的方法，找出重力作用下对刀具装夹处变形影响最大的部件，并提出修改建议，其中重点研究了零件结合部对装配体结构动态特性的影响。

最后，采用试验模态分析的方法对分析结果进行验证，分析了仿真结果和试验结果出现偏差的原因，为以后无样机条件下的机床虚拟设计打下基础。

关键词：微小型机床；稳健设计；有限元；结合部；动态特性IAbstractWith the increasing need for miniaturized products in diverse fields such as civil market and national defense, people become more and more interested in the issues involved in the design and manufacturing of micro components .Micro milling technology plays an important role in complicated 3D micro parts manufacturing. However, at present, most of 3D micro parts made of metal materials are manufactured with conventional ultra-precision machines, which have high cost, low efficiency, large energy expenditure and low spindle rotational speed. Moreover, miniaturized machine tools can not only be good at improving space utilization ratio and reducing cost, but also excellent in capturing high speed machining as well as high-precision motion control due to less inertia. At present, many studies focus on construction of miniaturized machine tool which matches the scale of small parts, also many prototypes have appeared, but there are few reports on design methods.In this paper, self-developed five-axis miniaturized and precise milling machine tool is analyzed from its volumetric error and structure dynamics in order to control both of them.First, its volumetric error model is derived using rigid body kinematics, from which geometric errors are chose as noise factors and design parameters are chose as control factors according to the idea of robust design, after simulation using the tool of orthogonal experiments, robustness of design parameters and its effect on volumetric error can be concluded.Then, dynamic and static analysis of assembly is conducted using finite element method (FEM) and dynamic characteristics of machine tool are evaluated. By adopting the method of gradually reducing the kinematic chain, component which contributes most to the deformation of assembly inducing by gravity is found. Results of modal analysis can be verified by experimental modal analysis (EMA). Dynamics of assembly affected by joint dynamics is also studied.At last, reasons for deviation between results of simulation and experiment are analyzed, which lay foundation for virtual design of machine tool.Keywords: miniaturized machine tool, robust design, finite element analysis, joint, dynamic characteristicsII目录摘要 (I)Abstract (II)第1章绪论 (1)1.1 课题来源及研究的背景和意义 (1)1.2 国内外研究现状及分析 (3)1.3 主要研究内容 (5)第2章五轴精密小型铣床的设计稳健性评价 (6)2.1 引言 (6)2.2 机床设计评价 (7)2.2.1 机床设计稳健性评价概述 (8)2.2.2 五轴机床空间综合误差模型的建立 (8)2.2.3 小机床的设计参数评价 (12)2.2.4 仿真试验结果分析 (13)2.3 本章小结 (14)第3章五轴精密小型铣床的动静态特性分析 (15)3.1 模态分析的理论基础 (15)3.2 小机床有限元建模 (16)3.2.1 模型的建立 (16)3.2.2 建模考虑的问题 (16)3.2.3 小机床有限元模型 (19)3.3 小机床模态分析结果 (19)3.4 小机床静态特性分析 (22)3.5 本章小结 (25)第4章机床螺栓结合面动态特性研究及整机试验模态分析 (26)4.1 结合面特性的影响因素 (26)4.2 结合面动态特性的研究方法 (27)4.3 结合面动态特性的有限元分析 (28)4.3.1 瞬态动力学分析的理论基础 (28)4.3.2 小机床三角架螺栓组合件的瞬态动力学分析 (28)4.4 小机床的试验模态分析 (38)4.4.1 支承方案的确定 (39)III4.4.2 试验频段的选择和采样频率的确定 (39)4.4.3 激振锤和加速度传感器的选择 (39)4.4.4 测点布置 (40)4.4.5 测试系统的组成 (40)4.4.6 试验结果 (41)4.4.7 试验结果和仿真结果对比分析 (43)4.5 本章小结 (44)结论 (46)参考文献 (47)哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 (50)哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 (50)致谢 (51)IV第1章绪论1.1课题来源及研究的背景和意义本课题来源于×××科研项目“×××××机械制造技术”。

合集下载

五轴联动机床的结构性能分析与设计探讨

五轴联动机床的结构性能分析与设计探讨

五轴联动机床的结构性能分析与设计探讨1五轴联动机床简介五轴联动机床(5-axis CNC machine)是由以水平方向运动的数控五轴联动机械组成的机床。

它能够根据用户提供的工艺要求，在复杂的立体坐标空间中进行加工，从而节省加工时间，提高产品的精度。

五轴联动机床可以实现与立体坐标空间相关的各种复杂的圆弧和曲线的切削，并且特别适用于进行螺旋形曲线加工。

2结构特点五轴联动机床包括X、Y、Z、A、B五轴，A、B轴是在与X、Y、Z 轴成六边形结构的组合机架上安装的可移动且可自由旋转的垂直轴。

通过多轴联动加工，使硬件设备能够实现六轴以上机床的效果，大大改善了加工时间、加工效率和加工精度。

它还可以在相同的座标系中控制转轴的进给和结构体的旋转，从而消除了坐标死角问题。

3性能分析五轴联动机床的优点是加工精度高，可以在复杂的立体坐标空间中进行高精度的加工；它可以实现多轴联动加工，从而极大地改善了加工时间和效率；同时，它能够在统一的座标系内控制转轴进给和结构体旋转，有效消除坐标死角带来的问题。

4设计探讨五轴联动机床的设计着重于提高工件表面的精度，实现多轴的坐标联动，消除加工中的坐标死角问题。

具体到设计上，要详细分析物料的结构特征以及工艺要求，明确表面处理要求、加工参数，以确定联动轴之间旋转关系。

在总体设计上，要充分考虑到机床应有的节能减振、智能控制、定位准确等特性，实现机床系统自动化、智能化等。

5结论五轴联动机床是智能化、多轴高精度加工设备，能够有效地改善传统机床的加工方式，提高产品的精度和效率，为保证最大的生产效率添加了用于精密加工的全新工具。

因此，五轴联动机床在未来产品的加工中具有重要的作用，将成为制造业的发展的新趋势。

5轴CNC机床空间运动学研究

5轴CNC机床空间运动学研究

32rcs系到ttcs的复合变换矩阵因为7tcs系相对rcs只做xy平面卜的平动所以此时由rcs系变换列ttcs系的旋转矩阵rotttcsrcs为单位阵而平移矩阵为trans一尺cs100一xo010一vo00l0000l所以由rcs系坐标变换到ttcs的复合矩阵表示为compttcsrcstransttcsrcsrotttcs尺cs100一yf01000l0000l33ttcs系到rtcs的复合变换矩阵rtcs系的轴转过b0ttcs系变换到rtcs系的旋转矩阵和平移阵分别为rotrtcs一门5transrtcsttcs1cosb000lsinb0000i100l010100lsinb0000cosb000lb1000l10因此由tics系坐标变换到rtcs的复合矩阵表示为comprtcstics
TR = [ sinΒ0cos C0 , sinΒ0sin C0 ,cosB0 ,0 ] T
(4)
如前面所述 , WCS 系与 RCS 系的相对位置关系在整个加工
过程中保持不变且通过测量可以确定出。不妨设 RCS 系 XR 、YR 、
ZR 轴单位矢量 iR , jR , kR 以及原点 R 在 WCS 系下分别为 ( iR) w ,
如图 1 所示 ,数控机床空间运动是由三
个平动坐标 X 、Y、Z 和分别绕 XYZ 轴旋转的
三个转动坐标 A 、B 、C 组成的 。根据 5 轴联动
数控机床具体的结构形式 , 运动坐标 X ( A) 、
Y ( B) 、Z ( C) 可分别由刀具或固定工件的工 图 1 机 床 运
作台的平动 (转动) 来实现 。常见的 5 轴 CNC
3 w
0
0
0
1
·24 ·
图 4 刀轴方位固定 - 工作台平移回转式机床各坐标系建立
浅析我国五轴数控机床的发展现状

浅析我国五轴数控机床的发展现状

浅析我国五轴数控机床的发展现状摘要：文章简要叙述了五轴数控机床关键技术的发展及现状，并阐述了我国五轴数控机床的研究进展以及技术水平，最后对未来我国五轴数控机床的发展方向进行了简要的描述。

关键词：五轴；数控系统；数控机床机床作为当前机械加工产业的主要设备，在某种意义能够代表了一个国家的机械制造业水平的高与低，机床设备不但同家的航空工业、船舶制造、军工产业、科研技术、精密器械等设备制造行业有着非常大的关系，而且还与人们的日常生活等方方面面密不可分。

从某种意义上来讲，如果一个国家没有制造业的支撑，这个国家就很难真正的实现现代化的建设。

而五轴联动数控机床是目前世界上最先进的机床设备，如果国家拥有五轴数控机床则象征着国家目前的机床制造业的处在世界上最先进的水准，在数控机床的制造技术上处于领先的地位，所以对于五轴数控机床的研制一直以来都是世界各制造大国不遗余力的研发重点展对象。

1 重点发展的关键技术1.1 高速、精密加工技术1.2 高智能化技术五轴机床的智能化技术将使未来发展最主要的方向之一当前的智能数控机床的智能化技术已经有新的突破，在数控系统的性能上得到了较多体现。

如：自动调整干涉防碰撞功能、断电后工件自动退出安全区断电保护功能、加工零件检测和自动补偿学习功能、高精度加工零件智能化参数选用功能、加工过程自动消除机床震动等功能进入了实用化阶段，智能化提升了机床的功能和品质。

未来的发展将结合电子信息技术及先进控制理论，更大程度的提升五轴机床的职能化程度。

1.3 控制及动作部件的改进数控机床的性能指标要依靠与其主要的功能部件性能，其主要功能部件的性能好坏直接影响数控及创的技术参数和性能水平，所以提升功能部件性能使其不断向高速度、高精度、大功率和智能化方向发展，并结合五轴数控机床进行应用，是未来数控机床获得质的飞跃的关键技术。

如全数字交流伺服电机和驱动装置，高技术含量的电主轴、力矩电机、直线电机，高性能的直线滚动组件，高精度主轴单元等功能部件推广应用，极大的提高数控机床的技术水平。

五轴数控机床空间定位精度改善方法研究现状

五轴数控机床空间定位精度改善方法研究现状

五轴数控机床空间定位精度改善方法研究现状五轴数控机床是一种高精度、高自动化的加工设备，广泛应用于航空、航天、汽车、模具等领域。

空间定位精度是五轴数控机床最关键的性能指标之一，对于保证加工质量具有重要意义。

本文将研究五轴数控机床空间定位精度的改善方法，并对现状进行综述。

1. 结构设计优化：通过对五轴数控机床的结构进行设计优化，提高机床的刚度和稳定性。

使用刚性材料、增加机床的重量、加强关键部位的支撑等，可以减小机床在加工过程中的振动和变形，从而提高空间定位精度。

2. 摩擦补偿技术：摩擦是影响五轴数控机床空间定位精度的一个重要因素。

通过研究机床的摩擦特性，并结合适当的摩擦补偿算法，可以有效地补偿摩擦误差，并提高空间定位精度。

3. 激光干涉测量技术：激光干涉测量是一种高精度的测量方法，可以实时测量机床在加工过程中的空间位置和姿态。

通过采集激光干涉信号，并结合相应的算法进行数据处理，可以实现对五轴数控机床的空间定位精度进行在线监测和修正。

4. 温度补偿技术：温度是影响五轴数控机床空间定位精度的一个重要因素。

机床在加工过程中可能会受到加热或冷却等因素的影响，导致机床的尺寸发生变化。

通过对机床进行温度监测，并结合相应的温度补偿算法，可以实时对机床的空间定位精度进行补偿和校正，从而提高加工质量。

5. 控制系统优化：五轴数控机床的控制系统对于提高空间定位精度具有重要作用。

通过改进控制系统的控制算法和控制策略，可以减小机床的非线性误差和迟滞误差，提高控制系统的响应速度和控制精度，进而提高五轴数控机床的空间定位精度。

五轴数控机床空间定位精度的改善方法涉及机床设计、摩擦补偿、激光干涉测量、温度补偿和控制系统优化等方面。

随着科学技术的不断发展和创新，相信在不久的将来，我们可以进一步提高五轴数控机床的空间定位精度，实现更加高效、高精度的加工。