基于虚拟制造技术的电火花机床仿真研究

基于虚拟制造技术的电火花机床仿真研究 河北工业大学硕士学位论文基于虚拟制造技术的电火花机床仿真研究姓名:侯建英申请学位级别:硕士专业:机械电子工程指导教师:戴士杰20071201 河北工业大学硕士学位论文 基于虚拟制造技术的电火花机床仿真研究 摘 要 虚拟制造作为产品设计的一项新技术，对传统的产品设计方法来说是一次革命性的变革。通过虚拟制造技术，工程师可以采用机械系统运动仿真，在产品设计阶段就发现产品设计中的潜在问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，并快速进行修改，减少设计对物理样机的依赖，这样不仅可以节省成本，缩短产品开发周期，而且可以提高产品性能，增强产品竞争力。 将虚拟制造技术应用于数控电火花机床的设计中，研究了特征造型、动力学分析系统和有限元分析系统之间的转换方法和技术，利用PRO/E软件建立了样机零部件的实体模型，并在此基础上完成电火花机床机械结构的虚拟装配和装配干涉分析，成功建立了机床的虚拟样机。此虚拟样机模型可进一步在ADAMS软件中进行运动仿真和动力学分析，从而节省了建模时间。在用PRO/E建模时，省略和简化了部分对仿真精度影响较小的零部件特征，如安装孔、螺钉、螺纹等，模型完善以后通过在ADAMS中添加约束和载荷来实现运动功能以减少ADAMS仿真所需时间，避免仿真失败。 在ANSYS有限元分析软件平台上，采用模态分析技术获得机床结构的模态固有频率和主振型，从而实现对机床结构的改进和优化设计。基于运动学和动力学仿真软件ADAMS验证分析了影响机床爬行现象的主要因素，从而实现了机床的进给系统的优化设计。对CTS400数控电火花机床进行了运动平稳性分析。采用ADAMS的运动分析技术分析了整机在各种作业工况下各主要连接件之间的作用力，为有限元分析提供边界条件;对CTS400数控电火花机床结构强度进行了有限元分析，得到了高应力、应变的危险区域，通过对该区域进行结构优化设计，结果表明显著地改善了该部位构件的工作状况， 虚拟制造技术的引入，获得了机床静态受力以从而保证了整机运行的可靠性。 及运动过程中的微观变形图形及数据，为更直观的了解机床的性能和运动状态提供了可靠的依据，也为日后机床的性能改进提供了技术参考。 关键词:虚拟制造，建模，有限元分析，仿真分析 i 基于虚拟制造技术的电火花机床仿真研究 STUDY ON SIMULATION OF ELECTRICAL DISCHARGE MACHINING MACHINE TOOL BASED ON VIRTUAL MANUFACTURING TECHNOLOGY ABSTRACT As a new technology of product design，VM (Virtual Manufacturing) is a revolution to traditional method of products design. Based on virtual manufacturing，engineers can find underlying problems just during products design by simulating the mechanical system，and revise them quickly so as to throw off the physical prototype，which not only can save the cost of design and manufacturing and reduce the cycle of products development，but also can elevate products’ performance and enhance products’ competition. The paper applied virtual prototype technology to the design of EDM (Electrical Discharge Machining) machine tool. It studies the integrating methods and technology among the characteristic modeling、kinematics analysis and finite element analysis system, software PRO/E (Pro/Engineer-3D solids modeling software) was used to draw the 3-D model of machine tool parts which can assembled to be a virtual machine, interference checking was taken between the parts after assembling finished and the VP (Virtual Prototype) of machine tool was successfully constructed in the end, which is the foundation of motion simulation and dynamic analysis using ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)software. Some features that hardly affect the simulation accuracy such as installation holes, screws were overleaped or simplified when modeling in PRO/E, constraint and loading which can achieve motion function were applied in ADAMS in order to decrease the time consumed by modeling and calculation and also keep the simulation from failure. Using the advanced and powerful FEA (Finite Element Analysis) software ANSYS to do the modal analysis on the main structure of machine, then gets the intrinsic frequency and the vibration model in order to achieve improvement and optimum design. Gained optimum design to the feeding system by analysis the main factors effect the problems of ii 河北工业大学硕士学位论文 crawling based on the dynamics analysis software of machine system ADAMS. Through adopting the technological analysis of ADAMS, analyze the numeric machine tool of CTS400 action force between every main attachment under various operating conditions, so offer the border condition for the finite element analysis; though the finite element analysis about the assembly structure intensity on the numeric machine tool, receive high stress and dangerous area that meet an emergency. Then optimize the structure to this area, and the result indicates that the working condition is improved obviously on this component, thereby guarantee the running reliability of the whole machine. KEY WORDS: virtual manufacturing, modeling, finite element analysis, simulation analysis iii 原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文，是本人在导师指导下， 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究 成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本学位论文原创性声明的法律 责任 安全质量包保责任状安全管理目标责任状8安全事故责任追究制幼儿园安全责任状占有损害赔偿请求权 由本人承担。 学位论文作者签名: 日期: 关于学位论文版权使用授权的说明 本人完全了解河 北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。同意如下各项内容:按照学 校要求提交学位论文的印刷本和电子版本;学校有权保存学位论文的印刷本和电 子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文;学校有权提供目 录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务;学校有权按有关规定向国 家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版;在不以赢利为目的的前提下， 学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 (保密的学位论文在 解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名: 日 期: 导师签名: 日期: ???? 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虚拟制造(VM)其实就是实际制造过程在计算机上的映射，是一种利用高性能计算机及高速网络的支持，通过计算机仿真与虚拟现实技术，在计算机上实现产品设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验以及企业各级过程的管理与控制的虚拟现实技术。 [40-42]虚拟制造系统(VMS-Virtual Manufacturing System)是现实制造系统(RMS-Real Manufacturing System)的映射，不仅能够把虚拟产品开发过程中的设计、制造及装配、生产调度、质量管理等环节有机地集成起来，实现产品开发全过程的信息、功能和过程的并行运作，还充分体现了人在生产活动中的能动性，达到了人、组织、管理、技术的协同工作。虚拟制造系统通常由界面层、控制层、应用层和支撑层四大部分组成。界面层的工作就是通过统一的图形人机交互界面和实现沉浸虚拟环境所需的数据接口向虚拟制造系统发送请求服务，以便进行开发活动。同时界面层也肩负着从系统获取信息，以便进行多目标决策或群组决策的任务;由界面层传送来的工作指令首先要经过控制层才能转化为一定的控制数据，以此来激发本地或远程应用系统的服务。同时，VM系统中现场的状态信息、系统内用户进程的并发控制也在该层记录;应用层由虚拟产品设计(包括CAD、DFX(Design for assembly manufacturing, quality等)、FEA(Finite Element Analysis))、虚拟产品制造(包括制造系统建模、布局定义、制造仿真等)组成，实现对产品开发过程中应用功能模块的管理;支撑层(也叫数据层)对产品开发过程中所有的静、动态设 计、制造知识和模型进行公共管理。这些知识、模型以分布的数据库形式存放。其系统构成如图2.1所示。 10 河北工业大学硕士学位论文 界面层 界面层 控制层 过程监控与管理 应用层 虚拟产品设计 产品工艺规划 虚拟产品制造 PDM的工具封装与管理 逆向反求和快速成型技术 支撑层 网络的分布式异地异构的计算机集成环境 图2.1 虚拟制造系统体系结构图 Fig.2.1 Virtual manufacturing system structure diagram ?2-3 虚拟制造与现实制造的关系 通常，现实制造系统(RMS)划分为两个子系统:现实物理系统(RPS-Real Physical System)和现实[43]信息系统(RIS-Real Information System)。RPS由现实中的材料、零部件、产品、机床、夹具、机器人、传感器、控制器等物质实体组成，当制造系统运行时，这些实体有特定的行为和相互作用，如运动、变换、传递等。RIS不仅包括设计制造过程的静态信息，而且还包括制造过程的动态信息，它由信息、信息处理和决策活动组成，如设计、规划、调度、控制、评估信息等。 与现实制造系统相对应，如果计算机系统能够接受和执行来自RIS的信息与控制命令并将执行状态返回到RIS，且返回的状态报告与RPS返回的状态报告一致，那么这种模拟RPS响应的计算机系统称为虚拟物理系统(VPS-Virtual Physical System)。VPS是RPS中实体的抽象模型在虚拟空间的映射，这些抽象模型与VRS中的真实实体一一对应，并具有相同的性能、行为和功能。同理，能够模拟RIS的功能，对制造过程进行规划调查，对制造结果进行评估并给出RPS的控制命令的计算机系统，称之为虚拟信息系统(VIS-Virtual Information System)，由VPS和VIS构成的制造系统称为虚拟制造系统(VMS)。VMS是RMS模型化、形式化和计算机化的抽象描述和表示，是RMS在虚拟环境下的映射，其主要区别在于VMS生产出来的是虚拟的数字产品而不是真实的产品。 TT设RMS= [RPSRISRCS]，VMS= [VPSVISVCS]，映射向量为f=[f f f]。pIc于是该映射向量可表示为: VMS=fn(RMS,α)， n=1,2?????? 其中，α为控制参数向量。 在整个映射的过程中，实际的制造过程作为定义域，虚拟制造过程作为值域，网络计算环境充当映射的介质，其映射的直接结果便是全数字化产品。但这种映射并非简单的非线性迭代，单次映射可能达不到设计要求，需要多次复合直至满足要求。究其根本，实际制造是虚拟制造的实例，虚拟制造是实际制造的抽象。虚拟制造通过对实际制造系统进行抽象、分析、综合，得到实际产品的全数字化模型，其最终目标是反作用于实际制造过程，用来指导生产实践。 11 基于虚拟制造技术的电火花机床仿真研究 ?2-4 虚拟制造的关键技术及环境 虚拟制造(VM)利用虚拟产品模型，在产品的实际加工之前就对产品的性 能、可制造性进行评价，同时对产品的生产全过程进行仿真，以达到产品生产的最优目标。利用虚拟制造技术，企业能够快速满足市场产品多元化和个人化需求，产生最大经济效益。其中，产品和过程的建模与仿真技术是实现虚拟制造的核心技术。 (1) 虚拟环境下的建模技术 虚拟环境下的模型是一个通向设计、制造、生产管理等各个环节并为其提供服务核心。它应该具有统一的数据结构和分布式数据管理系统，具有对象所具有的各种性能和产品外型几何与拓扑、产品形状等特征。 (2) 仿真 虚拟制造系统中的仿真就是通过对设计结果进行评价，实现设计过程的早期反馈，以减少或避免实物加工出来后产生的修改、返工。产品制造过程的仿真可归纳为制造系统仿真和具体的加工过程仿真。制造系统的仿真即通过输入生产 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 和工艺路线，自动生成离散事件仿真模型并对该模型进行仿真，最后产生调度 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 及性能分析报告。加工制造过程仿真包括加工过程仿真、装配过程仿真和检测过程仿真等，加工过程仿真包括切削过程仿真、焊接过程仿真、冲压过程仿真和浇注过程仿真等。 仿真与建模只是支撑技术，虚拟制造的各种功能是通过各种虚拟平台实现的: 1. 虚拟加工平台 该平台能够进行可加工性分析(包括性能分析、费用估计,工时估计等)并支持产品的并行设计、工艺规划、加工、装配及维修等过程。虚拟加工平台是以全信息模型为基础的众多仿真分析软件的集成具有以下研究环境:基于产品技术复合化的产品设计与分析。该环境除能够实现几何造型与特征造型外，还包括运动学、动力学、热力学模型分析;产品虚拟装配环境。根据产品设计的形状特征、精度特征真实地模拟产品的装配过程并允许用户以交互的方式控制产品的模拟装配过程以检验产品的可装配性;基于仿真的制造过程碰撞干涉检验及运动轨迹检验。通过检验产品的运动过程，验证设计的合理性。 2. 虚拟生产平台 虚拟生产平台能够进行可生产性分析并实现生产环境的布局设计及设备集成、产品远程虚拟测试、企业生产计划及调度的优化。该平台具有以下功能:?虚拟生产环境布置。该功能能够根据产品的工艺特征、生产场地、加工设备等信息，真实地模拟生产环境，并允许用户交互地修改有关布局，对生产过程进行动态模拟;?虚拟设备集成。为不同厂家制造的生产设备集成化提供支撑环境，对不同集成方案进行比较;?虚拟计划与调度。根据产品的工艺特征、生产环境布局，模拟产品的生产过程，并允许用户以交互的方式动态修改生产安排，实现生产作业计划与调度方案的优化。 12 河北工业大学硕士学位论文 ?2-5虚拟样机技术 随着科学技术的发展，工程设计的理论、方法和手段都发生了很大变化，特别是近30年来，工程设计手段的先进与否、数字化程度(以CAD技术和FEA技术为典范)的高低，在很大程度上决定了产品设计开发的周期、质量和成本。在机械设计领域，人们逐渐认识 到:系统级的优化绝不是系统中各部件优化的简单叠加，即使机械系统中的每个零部件都经过优化，也不能保证整个系统的性能就是良好的。如何在保证系统性能的前提下，使部件获得最大限度的优化，已成为工程师必须解决的难题。机械系统虚拟样机技术作为一种应用于机械系统设计过程中的高新技术手段，是现阶段解决这一问题的最有效的技术方案。 [44]虚拟样机技术(VP-Virtual Prototype)是一种崭新的产品开发方法，机械3>工程学中的虚拟样机技术又称机械系统动态仿真技术，是20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程(CAE-Computer-Aided Engineering)技术。虚拟样机技术涉及到先进CAD建模技术、虚拟现实技术、计算机辅助工程和计算可视化等多个领域，它以先进CAD技术建立起来的主模型为中心，将其扩展到产品全生命周期的不同阶段，建立与物理样机相一致的数字化仿真模型，并对该模型进行评估和测试。 虚拟样机技术的研究范围主要是机械系统运动学和动力学分析，其核心是利用计算机辅助分析技术进行机械系统的运动学和动力学分析，以确定系统及其各构件在任意时刻的位置、速度和加速[45]度，同时，通过求解代数方程组确定引起系统及其各构件运动所需的作用力及其反作用力。 同传统的基于物理样机的设计研发方法相比，虚拟样机设计方法具有以下特点: 1. 全新的研发模式 虚拟样机技术基于并行工程(Concurrent Engineering)理念，真正实现了系统层面的产品优化，使产品在概念设计阶段就可以迅速地分析以此来确定影响性能的敏感参数。通过可视化技术比较多种设计方案，设计者能够及早预测产品在真实工况下的特征以及所具有的响应，避免了传统的串行研发方法存在的很多弊端。 2. 更低的研发成本、更短的研发周期、更高的产品质量 采用虚拟样机方法有助于摆脱设计对物理样机的依赖。通过计算机技术建立起来的产品数字化模型即虚拟样机，可以完成无数次物理样机无法进行的虚拟试验(成本和时间条件不允许)，从而无需制造及试验物理样机就可获得最优方案，因此不但减少了物理样机的数量，而且缩短了研发周期、提高了产品质量。 [46]3. 实现动态联盟的重要手段 目前世界范围内广泛地接受了动态联盟(Dynamic Alliance)的概念，即为了适应快速变化的全球市场，克服单个企业资源的局限性，出现了在一定时间内，通过Internet(或Intranet)临时缔结成的一种虚拟企业。为实现并行设计和制造，加盟的企业之间产品信息的敏捷交流尤显重要，而虚拟样机是一种数字化模型，通过网络输送产品信息，具有传递快速、反馈及时的特点，进而使动态联盟的活动具有高度的并行性。 我国从20世纪90年代开始引入虚拟样机技术，目前已被广泛应用于汽车制造业、工程机械、航天航空业、国防工业及0>机械制造业等领域。随着虚拟样机技术的研究与应用，机床制造企业也逐渐认识到虚拟样机技术的优势并开始在机床设计开发过程中应用这项技术。例如:济南二机床、济 13 基于虚拟制造技术的电火花机床仿真研究 南一机床等山东骨干机床制造企业都以中档精切削数控机床装备产业化为目标，重点推广应用虚拟样机技术，通过提高相关数控关键部件、配套工具等核心技术的档次和水平，设计开发出制造行业需要的大型高、精、尖数控加工装备并建立了机械装备制造业的特色产业园区。通过推广虚拟样机技术的应用，济南二机床集团的产品生产周期从过去的1年至1年半压缩到6至8个月，重点产品3、4个月即可完成设计开发生产的全过程，企业每年可增产值近亿元，大大提高了企业的经济效益。 ?2-6 虚拟制造分析软件 2-6-1 虚拟制造分析软件的功能 虚拟制造分析软件能够根据机械系统中所有构件的几何位置、质量和转动惯量建立每个构件的运动和动力学方程，然后根据给定构件之间的约束关系，建立整个机械系统的联立约束方程，最后利用计算机数值求解的方法，求解所有构件的运动和动力学方程，获得机械系统中所有构件的位置、速度、加速度和受力的数据。同时，利用捆绑的三维CAD技术，实时再现机械系统的运动状况。目前虚拟制造技术及其应用软件能够实现以下功能: 1. 完成在不同工况下样机的计算机三维几何形体、载荷和运动约束建模，然后对各种复杂的机械系统进行静力学、运动学和动力学仿真分析，获得虚拟样机的整体性能，以及所有构件的位移轨迹、速度、加速度，各种受力状况等等。 2. 对机械系统的性能进行调试、分析和安全评价，进行各种设计研究、试验研究和优化分析。任意的模拟再现机械系统及其所有零部件在不同操作工况下的运动和动力学性能，从不同角度观察样机，实现虚拟现实的效果，直观地发现潜在故障和不足。 3. 在虚拟样机分析结果的基础上，进一步利用有限元技术对机械系统各个零部件的强度、刚度、各种缺陷的危害性做出分析和安全评价。对复杂的机械系统进行线性化处理，以便能够快速分析机械系统的各种动态响应。 2-6-2实体造型软件 Solid Works是较早出现的三维造型软件。在Solid Works环境下，设计者可以通过运用鼠标完成拉伸、旋转、特征阵列以及打孔等操作方便地改变产品(或零件)的结构外型，直至最终完成设计。Solid Works软件包含丰富的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 件图库，用户也可任意扩充自定义的图库，从而减少了不必要的重复性设计工作。UG是一个集成的综合CAD/CAE/CAM软件，它包含了建模、装配、管路、饭金、工程图、运动分析、强度分析等十几个功能模块，给虚拟产品的开发提供了完整的解决方案。其特有的Motion模块具有丰富强大的功能，能够对位移、速度、加速度及力以表格图形的形式显示分析结果;曲面着色和限位平面;观察一个装置的内部结构;连杆间的干涉与最小距离检测;计算在运动副位置上的连杆载荷等。 Pro/Engineer是美国参数技术公司(PTC)出品的三维设计软件，是一套由设计至生产全面覆盖的机械自动化软件。经过10余年的发展，Pro/Engineer己成为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新[47]标 准。它的技术特点在于以下两个方面: 14 河北工业大学硕士学位论文 1. 参数化设计和特征功能 Pro/Engineer是采用参数化设计、基于特征的实体造型系统。由于采用尺寸驱动，用户可以方便地通过修改关键部位的尺寸来修改模型的外型。Pro/Engineer建立参数化三维模型有两种方式:第一种是利用程序自动生成零件来实现实体建模;第二种是通过Pro/Engineer的交互环境直接创建零件的参数化实体模型。在零件的三维设计中，由于模型的创建要涉及到草图、基准、曲面和实体的各类特征，直接利用程序生成三维模型是非常困难的，参数化程序的设计也随之变得十分的繁琐和复杂。因此，一般的参数化三维模型多采用交互式生成而不是通过程序进行创建。 2. 单一数据库 所谓单一的数据库就是指工程中的全部资料都来自于一个数据库，每一个独立用户都能同时为同一件产品造型而工作。传统的CAD/CAM系统是建立在多个数据库之上的，而Pro/Engineer的数据库只有一个。也就是说在整个设计过程中，任何一处发生改动，整个设计过程的相关环节都会随之发生相应的变化。正是由于这种独特的数据结构与工程设计的完美组合，整件产品的设计工作将变得更加紧凑，更加高效，成品质量也随之更好，价格也更便宜，市场竞争力大大增强。 2-6-3 ADAMS 软件 ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)是目前世界上应用最广泛且最有权威性的机械系统动力学仿真分析软件。其求解器首先通过多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方法对系统建立动力学方程，然后对虚拟样机系统进行静力学、运动学和动力学分析，同时输出位移、速度、加速度和反作用力等运动曲线。通过比较多个设计方案之间的工作性能，精确预测载荷的变化过程、计算运动路径以及速度和加速度分布图等，ADAMS软件能够帮助工程师更好地理解系统的运动，解释子系统或整个系统的设计特性。 ADAMS软件的特点如下: 第一:利用交互式图形环境建立机械系统的三维参数化模型，并在此基础上完成运动学、静力学和准静力学分析以及刚体和柔性体的线性和非线性动力学分析;第二:具有先进的数值分析技术和强有力的求解器，求解快速、准确。能够实现不同模型或同一个模型在不同环境下的组装、分析和动态显示，并以此为基础提供多种“虚拟样机”方案;第三:具有强大的函数库供用户定义力和运动。能够以动画和曲线图形的方式自动输出位移、速度、加速度和反作用力并预测机械系统的性能。支持大多数CAD、FEA和控制设计软件之间的双向通讯。 2-6-4 ANSYS软件介绍 ANSYS是由世界著名的力学分析专家Dr. Swanson率领科技人员经过多年研究开发出来的大型通用有限元分析软件。其强大的分析功能覆盖了许多工程问题，被广泛应用于航空航天、汽车、造船、机械制造、铁道、电子工业及科学研究领域。 ANSYS作为一个功能强大、应用广泛的有限元分析软件，其技术特点主要表现在以下几 个方面: 1. ANSYS使用统一的数据库来存储模型数据及求解结果，实现了处理、分析、求解的数据统一。ANSYS提供了多种求解器，用户可以根据分析的要求进行选择。 2. ANSYS具有强大的非线性分析功能，可进行几何非线性、材料非线性及状态非线性分析。 15 基于虚拟制造技术的电火花机床仿真研究 利用ANSYS的拓扑优化功能，用户可以对模型进行外型优化，寻求物体对材料的最佳利用。 3. 利用ANSYS设计功能，用户可以确定最优设计方案用ANSYS的拓扑优化功能，用户可以对模型进行外型优化，寻求物体对材料的最佳利用。 4. ANSYS提供了CAD软件(如Pro/Engineer、NASTRAN、I-DEAS、AutoCAD、Solid Works、Para solid等)与有限元分析软件的接口程序，可实现数据共享和交换。 5. 用户可以利用ANSYS开放式的结构通过参数化程序设计语言(APDL-ANSYS Parameter Design Language)、用户界面设计语言(UIDL-User Interface Design Language)和用户程序特性(UPF-User Programmable Features)对其进行二次开发。 目前，没有一种软件同时具有专业的CAD建模功能和专业动力学仿真功能，在工程领域，Pro/E和ADAMS联合仿真、UG和ADAMS联合仿真以及CATIA和ADAMS联合仿真较为常用。通过研究各种软件的特点，选用Pro/E和ADAMS联合进行动力学仿真研究。PRO/E软件已实现了与ADAMS仿真软件的无缝连接，通过专门的接口，三维模型无需退出PRO/E环境就可以直接导入到ADAMS中进行仿真，避免了UG、Solid works等三维造型软件无法直接倒入仿真软件，需要通过转存STEP、IGES等格式导入所带来的数据丢失现象，从而节约了大量模型修复的时间，从而大大提高了仿真效率。 ?2-7 本章小结 介绍了虚拟制造及其软件的相关情况。基于建模和仿真技术的虚拟装配可以帮助产品摆脱物理样机的过度依赖，从而有效地提高产品装配的质量与速度，有助于降低产品开发成本，缩短产品开发周期。虚拟样机技术可使产品设计人员在各种虚拟环境中真实的模拟产品整体的运动及受力情况，快速分析多种设计方案，进行对物理样机而言难以进行或根本无法进行的试验，直到获得满意的优化设计方案。PRO/E、ADAMS、ANSYS是目前虚拟制造比较流行的建模与仿真软件，它们之间可以通过专门的接口直接进行数据间的转化，本次研究主要使用以上三个软件进行建模和运动仿真。总之，在日益激烈的市场竞争下，虚拟制造技术的应用不尽可以缩短开发周期，而且能够提高设计质量和效率，虚拟制造技术必然会给制造业带来新的革命。 16 河北工业大学硕士学位论文 第三章 CTS400三轴数控电火花机床虚拟样机建模 ?3-1 引言 CTS400三轴数控电火花机床是一种自动化、高精度、强力电火花成形加工机床，机床实体如图3.1所示。CTS400三轴数控电火花机 床具有操作简便、加工精度高、电极损耗小、效率高等特点。本章对机床的机械结构进行了分析，并利用PRO/E软件建立了电火花机床的零部件模型，在此基础上运用虚拟装配技术实现了部件的子装配和整机数字模型的装配。在装配过程完毕后，运用干涉检验模块对零部件以及整机模型进行了全面的静态干涉分析。 图3.1 CTS400三轴数控电火花机床实物图片 Fig.3.1 CTS400 three-axis NC machine tool physical map ?3-2 CTS400三轴数控电火花机床的结构分析 3-2-1 CTS400三轴数控电火花机床的组成及特点 电火花成形机加工是模具制造业及特种零件加工中广泛采用的一种特种加工方法，它具有高精度、高效率、工作可靠、成本低等优点。CTS400三轴数控电火花成形机床采用固定工作台的形式，不会因为工作台面荷重而影响加工精度。机床主要由床身、拖板座、拖板、上滑板、主轴等几部分组成。其中拖板座与床身固定连接起支撑作用。X、Y轴移动由拖板和上滑板实现，主轴固定在上滑板之上实现Z轴的上下运动，机床可分别实现三个方向上单独运动，也可实现三个方向的联动。CTS400三轴数控电火花机床共分为三大部分: 17 基于虚拟制造技术的电火花机床仿真研究 机床部分、高能脉冲电源及数控伺服系统、工作液系统。 (1) 机械部分 如图3.2为CTS400三轴数控电火花机床的结构装配图。 2 1 3 4 6 5 1. 主轴 2. 上滑板 3.拖板 4. 拖板座 5. 床身 6. 工作台 图3.2 CTS400三轴数控机床结构示意图(侧视) Fig.3.2 CTS400 three-axis NC machine tool structure sketch map CTS400 三轴数控电火花成形机床能够实现三个方向上的运动其中X(正对机床水平左右方向)、Y轴(正对机床前方后向)采用滑枕式结构，高精密直线滚动导轨和滚珠丝杠传动，磨擦系数小、刚性好、行程大、更适合大、中型模具的加工。主轴部件Z轴(竖直方向上下移动)参见下图3.3。 主轴电机轴承 直线导轨 传动丝杠 导轨盒 方轴 图3.3 主轴系统原理图 Fig.3.3 Principal axis system schematic diagram CTS400三轴数控电火花机床的主轴由二条精密滚动导轨支撑，滚珠丝杠驱动，直流电机控制。主轴丝杠为双螺母预加载型，保证无反向间隙，驱动力矩小，微量进给准确可靠，18 河北工业大学硕士学位论文 直流伺服系统配上相应的控制系统，实现自适应控制加工。齿型皮带采用无间隙型同步带，传动比准确，位置精度高，承载能力大，刚度高的综合优点。 CTS400三轴数控电火花成形机床的工作台和底座采用整体式、固定设计，材料为高精度铸铁，并经多次时效处理。不仅增加了有效作业面积，还大大提高了工作台的刚性。避免了因台面荷重而影响加工精度。其主要技术指标如下表3.1和3.2所示。 表3.1 主要技术规格 Tab.3.1 Main technical specification 项目 指标 输入电源3相380 V,50 Hz 最大加工电流 60 A 输入功率 7 KVA 加工电压 90 V,120 V 控制轴数 3轴 输入方式 键盘 最大指令值 ?9999.999mm 表3.2 工艺指标 Tab.3.2 Processing index 项目 指标 最佳粗糙度 Ra?0.32 最小电极损耗 ?0.1, 3最高效率 400mm,min(60A铜,钢) (2) 控制系统组成及其特点 数控电火花成形机床由主机和数控电柜两大部分构成。电柜是完成控制、加工操作的部分，是机床的中枢神经系统，电柜采用模块化结构，其组成如下图3.4所示。 手控盒接口控制电路 显示器 工 控脉冲电源 系 统键盘 伺服系统 图3.4 控制系统结构图 Fig.3.4 Control system structure graph CTS400数控脉冲电源有以下主要功能: 1、加工控制利用人机交互界面、菜单式问答或填空操作，多种信息提示，加工控制简单、方便。编程代码采用国际标准ISO代码。编程采用全屏幕方式，可以方便地对源程序进行插入、修改、 19 基于虚拟制造技术的电火花机床仿真研究 删除。所编程序可长期保存，以备随时调用。 2、适时显示当前各运动轴坐标值，具有螺距误差补偿和反向间隙补偿功能。 3、具有拉弧短路自适应处理功能、5种形式的平动功能、接触感知功能以及自动定位功能(孔中心、柱中心、边角)。 (3) 工作液系统 工作液系统由工作液槽、工作液箱、管理系统三部分组成。工作液槽安装在工作台上，采用双开门式设计，以方便工作的装卡以及调整。工作液内还装有工作液喷头、流量控制阀、液面控制装置以方便加工时对液面的调整。工作液回收箱与机床分离，置于机床一侧，它由三级工作过滤装置和工作系统管路组成，并配备一只PQ60油泵。 3-2-2 机床的运动 CTS400三轴数控电火花机床既可实现三个运动轴的联动(加工具有复杂外型的工件)，也可将X、Y轴的运动锁死，只实现放电过程中主轴的往返运动(如加工直孔等)。 在加工准备前期，CTS400三轴数控电火花机床可通过手控盒上的【X,】(水平向左)、【X，】(水平向右)、【Y,】(水平向前)、【Y，】(水平向后)、【Z,】、(竖直向下)【Z，】(竖直向上)六个按键实现指定轴向指定方向的移动，如:按【X,】键，主轴头沿X轴负方向移动。在控制柜的主画面左上部会显示出当前坐标值随主轴的运动而变化。移动超过机械行程，极限开关动作，主画面报警显示“接触机床限位”，机床向反方向慢速移开限位开关。 CTS400 三轴电火花数控机床共设有高速(大于600mm/min)，中速(200mm/min)，慢速(5mm/min)，单步(1?m 单步移动)四个加工运动等级，在加工准备阶段，可持续按方向键使主轴头连续快速移动到达指定位置。 在加工过程中，主轴(竖直方向)在丝杠的带动下使电极不断做往复运动，实现电极与工件之间的放电过程完成材料的去除。在加工过程中，其余两轴可不动或在脉冲电源的控制下慢速进给实现与主轴的联动以加工出复杂的工件外型。 ?3-3 电火花机 床的实体造型 3-3-1 参数化特征实体造型概述 随着计算机技术的飞速发展，在机械设计领域，以三维数字模型为主的设计方式正在逐步取代以二维绘图为主的传统设计工作方式。数字化建模是产品数字化设计的关键，它已由早期的几何建模，逐步发展到基于特征的建模和参数化造型。对于产品建模来说，许多建模技术研究首先应用在零件建模上，通过零件建模技术的融合和拓宽，装配模型应运而生。对于三维几何建模系统，一般常用四种建模方式:线框建模、表面建模、实体建模和参数化建模。其中三维实体建模是目前应用最多的一种技术，它在运动学分析、物理特性计算、装配干涉检验、有限元分析方面己成为不可缺少的工具。 通常，产品从构思到方案完善是一个逐渐细化的过程，要求频繁地修改、完善原有的设计方案，20 河北工业大学硕士学位论文 所以基于约束可修改尺寸的参数化建模技术逐渐发展起来。几何建模只能考虑几何信息，非几何信息和更高层次的工程语义无法表示，而特征建模正好可以弥补这些缺点，所以特征技术在设计、制造中得到广泛地应用。 (1)特征 特征是一组与零件描述相关的信息集合，是组成零件的基本元素，它包含了大量设计人员的设计意图。从建模的角度来说，特征是一组具有特定关系的几何或拓扑元素，反映了一个实际工程零件或部件的特定几何形状。一般可以分为:形状特征、精度特征、材料特征、技术特征和装配特征。特征应满足以下要求: 1. 特征是以结构的实体几何(CSG-Constructive Solid Geometry)和边界表示(B-Rep-Boundary Representation)为基础的几何型体定义; 2. 特征是参数化的几何实体，通过改变特征尺寸参数，可以用有限的特征构造出各种零部件实体模型; 3. 特征具有自己的属性，如精度、材料、技术条件等。 (2)参数化 参数化设计是通过定义特征间的几何约束和尺寸约束，自动维护特征间的关联关系，保证模型修改的一致性和有效性。参数化设计是以表达式的形式存储设计参数，来实现参数驱动的，主要有两种操作类型:一是尺寸约束参数化，对形状特征进行尺寸约束;二是定位约束参数化，即对特征进行定位约束。 参数化特征造型就是将参数化设计与特征建模结合起来，特征作为参数的载体，通过特征的操作构造零件的几何形状，让不同特征的形状尺寸和位置尺寸在一定范围内变化，操作者可以根据需求调整参数值，得到所需的零件。在参数化特征造型里，特征被分为两种类型:第一类是几何特征(也叫形状特征)。它主要包括:1.基本特征，如体素特征、拉伸特征、旋转特征和扫描特征等。2.成型特征，如孔、倒圆和倒角等;第二类是辅助特征。用来约束组成零件的不同几何特征的位置:包括[48]工作面、工作轴、工作点、基准坐标系等。 3-3-2 CTS400数控电火花机床三维实体建模 简单的三维实体可以通过拉伸、旋转、扫描和混合等基本操作方法来实现。拉伸特征是在一个草图描述的横截面基础上沿 垂直于横截面方向延伸一段距离后所生成的特征。草图、拉伸方向和拉伸长度是拉伸特征的3要素。旋转特征是草绘出来的轮廓或横断面绕旋转中心线转动所形成的特征。草绘轮廓、旋转中心线和旋转角度构成了旋转特征的3要素。扫描特征是由一组草绘轮廓或横截面沿某一路径扫描所形成的特征。扫描路径和扫描轮廓是扫描特征的必备要素。混合特征是一组空间轮廓按照一定的顺序在轮廓之间进行过渡生成的特征。混合特征的生成必须具备两个或两个以上的轮廓，其中轮廓可以是草图也可以是其它特征的面，甚至可以是一个点。 一般情况下，简单的三维实体建模可以通过以下方法来实现:1. 由基本体素生成标准的几何体特征如:方块、圆柱、圆管、圆锥、球等;2. 由满足约束条件的二维截面轮廓经过拉伸/旋转生成三维特征;3. 沿路径配置的二维几何图形经扫描生成曲面实体特征;4. 结合以上3种方法，利用三维 21 基于虚拟制造技术的电火花机床仿真研究 实体特征间的布尔运算(交/并/差)生成新的实体。建模过程中参数的约束通常有两种形式:一是几何约束。几何约束能够确定要素之间的几何关系，这种约束关系(具有参数化性)在后面的设计中是保持不变的，包括相互平行、垂直、同心、共线和等长等;二是尺寸约束。这种约束用于确定要素之间的尺寸大小和相对距离，包括长、宽、高、角度、半径，距离等。 在实际的建模过程中，简单特征可以通过以上任一种方法来完成，但对于复杂特征来说，常规的特征操作已无法满足设计的要求，这时可以采用参数、关系式等辅助工具和环形折弯、唇、螺旋扫描等高级特征功能来完成复杂的外型特征。尽管机械产品的结构形式千差万别，用途和工作原理也各不相同，但在计算机上进行三维实体建模特别是复杂三维实体的建模方法还是有一些规律可循的:首先是零件结构分析。在三维建模前，一般要根据零件的总体构造特点和零件的工作机理对零件进行结构分析。通常会把关联关系比较紧密的一些特征看作是一个特征集，这样就可以把一个复杂零件分成几个零件的特征集，以便进一步分析这些特征集之间的位置关系，确定特征集之间的建模顺序。其次是特征分解。这是一个将零件分解为具体特征的细化过程，即对复杂的设计特征(或功能特征)进行体素分解，将复杂的设计特征分解为简单的设计特征，以便基于这些特征进行建模。如草图拉伸特征，孔、倒角特征以及圆柱、方块、圆锥等特征。特征分解得到的体素应满足以下条件:一是分解后的体素具有几何意义和工程意义;二是分解后的体素具有还原性，其布尔运算形成的特征应能够还原成被分解的特征。最后是基准体系分析。由于特征间的约束关系体现在基准之间的约束当中，特征之间的参数化也可以通过这些特征基准之间的约束关系求解来实现，如图3.5是零件建模的流程。 根据要求规划设计方案 特征分类及加工顺序 成草辅其 型绘助它特特特特 征 征 征 征 NO 满意, YES 零件模型确 定 图3.5 零件建模的流程图 Fig.3.5 Modeling of parts flow chart在PRO/E三维造型软件环境下，零件的虚拟建模技术采用自下而上的方式进行。首先是规划方22 河北工业大学硕士学位论文 案设计即零件的概念设计，然后根据零件功能结构把零件分解为多个特征的组合并确定大致的特征顺序。接着就创建模型的成型特征、草图特征以及辅助特征等。在特征创建完成后还要对其合理性进行检查(这通常是由特征本身的尺寸及其定位尺寸不匹配所造成)，如果合理则按照现有特征组合构成零件模型而无需做任何修改编辑。若不合理则要修改特征参数甚至更换特征类型直至最后完成零件的虚拟模型建立。 下面以电火花机床主轴上的主传动机构螺母为例简单说明实体造型过程。零件模型如图3.6所示。 图3.6 主轴螺母零件模型图 Fig.3.6 Principal axis nut model 此零件模型包含的特征有:圆柱特征，倒角特征，及螺纹特征还有孔特征等。在确定完特征之后，即可在PRO/E 环境下按其特征建立模型，首先是螺母主体的生成，由于螺母为回转体，故生成实体模型时，采用旋转拉伸的方式建立模型，首先确定旋转轴线，在“草绘”环境下绘出沿轴向方向的截面图后通过360?旋转即可生成螺母主体。然后利用孔操作和螺旋扫描功能分别生成螺母的定位孔和旋转螺纹即可。只需几分钟即可在PRO/E环境下完成零件的设计造型工作，而且将零件外型直观的展现在设计者的眼前，大大提高了设计效率。 虚拟建模技术能够为复杂零件的结构设计提供强有力的技术支持，它可以包含丰富的产品信息，包括外观颜色、质量、重心、材料以及惯性矩等，能够在可视化的环境下完成复杂的结构设计，达到高效直观一次成型的目的。由于CTS400其它的基础件结构复杂，特征过多，受篇幅所限，本章中给出了床身拖板座、拖板、上滑板、方轴以及传动丝杠等部件的实体模型并通过加入剖面图使部件的结构更加清楚明了。机床的零件模型如图3.7所示。 3.7.1 床身实体模型 3.7.2床身剖面图 23 基于虚拟制造技术的电火花机床仿真研究 3.7.3 拖板座实体模型 3.7.4拖板座剖面图 3.7.5上滑板实体模型 3.7.6 上滑板剖面图 3.7.7方轴实体模型 3.7.8 方轴剖面图 3.7.9 丝杠实体模型 3.7.10 拖板实体模型 图3.7 部分零件实体模型及其剖视图 Fig.3.7 Components model together with cutaway view 24 河北工业大学硕士学位论文 ?3-4 运动部件的装配与干涉检验 3-4-1 部件的装配 (1)装配模型 装配模型是指一组零件经过一系列的装配操作后生成的具有确定关系的模型，是对装配体的一种抽象表达。装配建模的目的就是为了描述装配零件间的关系，无论采用什么方法建模，都必须满足两个条件:包含零件本身的所有特征约束关系，包含零件间的所有功能尺寸关系。零件的实体信息是装配体中各零件、部件实体信息的总和，如点、线、面、精度等几何信息，表面材质、颜色等物理特征信息。 装配关系是建立零部件之间约束的关键。由一般的机械知识可知，产品的装配关系可以分为三类:1) 定位关系。定位关系用来描述装配体中零部件的空间位置和配合关系，分为平面贴合、平面对齐、直线对齐、柱面贴合、相切、点面接触等类型。2) 联接关系。此关系包括螺纹联结、键和花键、销、连轴器等类型。3) 零部件之间的运动关系。零部件之间的运动关系又可分为包括旋转运动、[49]平面运动等的相对运动和包括齿轮传动、皮带传动、链轮传动和螺旋传动等的传动关系两类。 在PRO/E的装配环境下进行装配，系统提供了如下装配关系: 1. 匹配关系 匹配关系是指两个面的法线方向相反，即面贴面的关系。在初步确定匹配关系后，还可通过设定“匹配重合”、“匹配偏移”、“匹配定向”来进一步确定匹配关系。 2. 对齐关系 对于两个平面来说，对齐关系是指两个面的法线方向相同，同理也可以通过“对齐重合”、“对齐偏移”、“对齐定向”来进一步确定对齐关系。 3. 插入关系 插入关系用于将一个圆柱面插入到另一个圆柱面中，并保持两面的轴线重合，插入关系和圆柱面对齐、轴对齐经常有异曲同工之效。 4. 坐标系对齐 当模型非常复杂，难于通过轴对齐面匹配等简单的约束关系来定义零件间的相对位置时，可以使用坐标系约束关系，使两个零件上的某个基准坐标系重合，且各坐标轴的方向一致。 5. 自动关系 能够根据两个零件上选取对象的情况自动确定一种适当的装配关系。如:当分别在两个零件上选取了一根轴后，自动约束成为轴“对齐”关系;当选取了一个零件上的圆柱面和另一个零件上的平面之后，自动约束成为“相切”关系等。 (2) 虚拟装配过程 虚拟装配过程就是在完成零部件三维建模造型的基础上，根据零部件之间的装配关系和约束条件，在虚拟的环境下进行设计、组装的过程。组装完毕后通过进行相应的检验，对设计过程进行分析评价，以达到优化设计的目的。虚拟装配过程主要包括产品结构分析、装配关系确定、产品组装、设计修改和装配效果检验几大部分。如图3.8所示为虚拟装配的过程示意。 25 基于虚拟制造技术的电火花机床仿真研究 零 确部装配环境、约束件定装配效果 条件、物理特性检装装配视图 三验、动平衡检验、 装配动画 维配装配干涉检验 关仿真流程 建 系 模 设计修 内部数据 图3.8 装配过程示意图 Fig.3.8 Assembly processes schematic diagram在本设计的应用中， 以美国PTC公司的参数化三维建模软件Pro/Engineer作为建模平台，装配体的设计方式采用自底向上的模式。下面以传动机构的装配为例，说明虚拟装配过程的实现。首先是装配的准备即各部件的实体造型，前面章节已完成这里不再复述。接下来是实体装配，首先进入装配模块，将丝杠导入后以默认形式放置丝杠，以后的装配均以此为装配基准。接下来导入螺母，并通过轴对齐、面匹配的约束方式将螺母装配在丝杠上。随后在丝杠的端头分别添加轴承与垫圈并添加锁紧母紧固。最后导入螺母座与轴承压盖，通过螺钉紧固完成丝杠传动系统的子装配。完成的装配图如下图3.9所示。 3.9.1 丝杠进给系统装配图 3.9.2 丝杠进给系统爆炸图 3.9.3丝杠支撑端剖视图 3.9.4 丝杠电机端剖视图 26 河北工业大学硕士学位论文 3.9.5丝杠系统与拖板的子装配 3.9.6整机装配图 图3.9 子装配与整机装配图 Fig.3.9 Subassembly and machine tool assembly drawing 同理通过各种约束条件和装配顺序分别完成各子部件的装配，最后通过将各子部件组装来完成整机的装配，整机装配图见图3.9.6。 3-4-2 虚拟装配的干涉检验 在零部件装配过程中，其运动机构的空间干涉问题一直都是困扰机械设计师的问题。由于以往的设计都是以经验设计为主，设计时的安全系数也放了很大的余量，并不满足优化设计的原则。设计人员通常需要建立小比例(或者是全比例)的产品物理模型，并到现场进行实际装配检查，发现问题后进行修改，然后再回到现场进行装配检查，直到消除干涉为止。这样做不仅花费了大量的时间和费用，在很大程度上降低了设计效率，而有些错误具有很强的隐蔽性，甚至要到产品生产出来后才能发现问题。 27 基于虚拟制造技术的电火花机床仿真研究 干涉检验技术是虚拟装配干涉检验的基础，也是虚拟装配技术设计评价的关键技术之一。根据对象属性的不同，干涉装配检验主要可分为几何可行性分析和机械可行性分析;根据对象观测状态的不同，可分为静态干涉检验和动态干涉检验。 零部件的静态干涉检验就是对产品零部件设计的静态评估，以得到装配间的干涉和间隙体积计算，同时生产检验报告;几何可行性分析是指对组成产品各个级别的装配体零部件进行集合上的干涉检验，这既包含零部件在装配体中静态空间位置相交性的检验，也包含零部件在构成产品的装配过程中在空间上的几何干涉检验;静态的几何可行性分析，具体来说就是对产品的观测视角进行调整，进行局部区域的缩放，对于零部件的颜色进行不同的标示。 在虚拟装配过程中，通常进行静态和动态干涉检验。 [50]静态干涉检验就是在确定装配结构和总体设计后，对产品零部件设计进行评估，以便零件细化设计。在装配过程中静态的检验零部件之间的干涉、间隙等，并根 据检验结果对零部件进行设计修改，从而得到正确的设计。动态干涉检验就是对产品可装配性进行评估，在产品装配过程中，根据零部件的装配路径、装配关系和约束条件，进行装配姿态调整、修改，直到得到正确的设计。 零件装配时的干涉现象是整机装配时常发生的情况，也是设计难以避免的。有些零部件之间的干涉量很小，自几毫米到零点几毫米不等，但是这样的干涉也有可能对机床的实际装配产生很大影响。而且在设计阶段应该尽量保证高的设计精度，这样也可以为实际的生产加工保留更多的制造装配误差余量。即时发现零件的干涉问题，不仅能够节省后期的制造费用，也能够大大提高机床的精度。 在机床的设计中，主要采用间隙检查和装配间隙检查。在进行子装配的过程中采用间隙检查(Clearance Check)，检查各个装配零件之间的干涉情况，保证子装配的合理性。而在最后总装时则采用装配间隙检查(Assembly Clearance Check)检查各个子装配的干涉情况，确定子装配之间的相互位置以及装配关系是否正确。以此来检验是否有设计阶段的错误，也能够给后期的制造节省了大量的模型修正费用。如图3.10所示为螺母与主轴箱的装配图，图中可以看到两零件已按实际的装配进行了连接，但究竟实际装配情况如何 还要通过间隙的检验来验证，图3.11为其装配的干涉分析情况。 图3.10 螺母与主轴箱的装配图 Fig.3.10 Assembly diagram of nut and headstock 28 河北工业大学硕士学位论文 图3.11 子装配图的干涉分析 Fig.3.11 Interferometric analysis of subassemblyPRO/E软件自带干涉分析功能，在部件装配完成后可直接进入干涉检验模块进行子装配的干涉检验以此来检验装配的正确性。在完成螺母与主轴的子装配后，分别单击菜单【分析】/【模型分析】进入干涉检验模式。在干涉检验模式里系统提供了“成对间隙”、“全局间隙”、“体积干涉”、“全局干涉”等多种检验类型，选择“全局干涉”单击菜单中的“计算”按钮，系统便开始进行计算检验。如果发生干涉现象，装配图会高亮显示干涉部位，同时结果栏会将干涉部件的名称以及干涉量显示出来，以便对干涉部件进行重新设计或修改。 从图中可以看出，两零件已经完好的装配在了一起，通过检验，没有发现干涉情况，证明前面的设计尺寸是符合要求的。其它机构的干涉检验方法相同这里不再复述，整机的干涉检验如图3.12所示。 图3.12 整机的干涉检验 Fig.3.12 Interferometric analysi sof machine tool model 29 基于虚拟制造技术的电火花机床仿真研究 装配过程中的干涉现象通常有如下几种情况: 1. 装配零部件之间确实有干涉现象的发生，究其原因这类干涉主要是设计不合理造成的，要通过修改设计来消除这些干涉以保证设计的合理性和仿真的可靠性。 2. 有些弹性元件(如挡圈)，可变形元件(止动垫圈)和一些柔性 材料在虚拟装配时并没有发生实际装配的变形，因此，在进行干涉检验时，这类 元件也会引起部件发生干涉现象，这类干涉的出现并不是设计造成的，在实际的 装配中也不会出现干涉现象，可忽略不计。 3. 有些零部件的简化如螺栓螺纹简 化成圆柱面等，也会造成的干涉现象的出现，这类现象并不会影响到后面的仿真， 因此也不必进行修改。 4. 还有一类干涉是由没有简化的丝杠与螺母的螺纹造 成的，由于装配关系通常都是按面对齐与轴对齐装配的，所以丝杠与螺母的螺纹 装配会造成大面积干涉现象的出现，而这种干涉在实际的装配中是不会发生的， 因此这类干涉现象也不必修正。 ?3-5 本章小结 任何产品的设计都是一个 复杂的过程，每一个小的失误都可能对整个产品的生产造成不可弥补的损失。机 床的设计更是如此，一个机床往往需要几十甚至上百个零件的设计，而设计中的 一些失误，往往只有在样机的实际装配过程中才能体现出来的。这就大大地延迟 了设计周期，反复的制造样机也增加了的资金的投入。应用虚拟制造技术对 CTS400电火花机床进行实体建模和虚拟装配，参数化建模技术使得机床部件的 实体建模变得更加快速、准确。虚拟装配技术真实地模拟了样机的装配，将装配 整个过程真实地在虚拟环境下反应了出来，同时虚拟装配能够快捷的改变装配顺 序，安排装配工序，大大的提高了装配速度和装配质量。装配后的全面干涉检验 清楚、客观的显现出零部件装配的内部结构和部件间的相互装配关系和装配位 置，能够帮助检验装配 尺寸与结构设计的合理性。建模与虚拟装配技术的引入 使得以往需要数周甚至几个月的零件加工以及成品的装配过程，只需几天甚至几 个小时就能完成，而且一旦虚拟装配过程中出现问题，也能够迅速对设计进行改 进，不仅大大提高了设计的速度，而且保证了设计的准确性同时降低了样机的制 造成本。 30 ???????????????????????????????? 匴????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????哉 ?????????????????????? ???????????????????????????????????????? ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 慉??????????????????????????????????????????????????? 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????????????????????????????????????????????????????????????????????? ?????? 基于虚拟制造技术的电火花机床仿真研究 第五章 三轴电火花机床的有限元分析 ?5-1 引言 目前，有限元法在各种工程和科学领域都得到了极为广泛的应用。由于有限元法等CAE技术的应用，实物样机实验的规模已大大降低。有限元法的应用提高了企业的设计效率，对优化设计方案、缩短产品的开发周期起到了关键作用。本章应用有限元软件ANSYS对机床的部分部件及丝杠进行了静刚度分析和模态分析，并针对有限元分析的结果，对机床的部分结构进行了改进。 ?5-2 有限元分析 5-2-1 有限元分析的发展 从1965年“有限元”这个名词第一次出现，经历了三十多年的发展历史，有限元理论和算法都已经日趋完善，并在工程上得到广泛应用。有限元的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析[57]又无法解决的复杂问题。 有限元法的理路基础源于20世纪40年代，从1943年数学家Courant第一次尝试用最小位能原理来解决t.Venant扭转问题以来，一些应用数学家、物理学家和工程师也都由于种种原因，纷纷涉足有限元法的领域。直到1960年以后，随着电子计算机的广泛应用和发展，有限元法技术依靠数值计算方法，才迅速发展起来。 在1963-1964年间，Besseling、Melosh和Jones等人证明了有限元法是理兹(Ritz)法的另一种形式，从而让理兹分析的所有理论基础都是用于有限元法，确认了有限元法是处理连续媒介问题的一种普遍方法。以此理论为指导，有限元法的应用已由弹性力学的平面问题，拓展到空间问题和板壳问题;也由静态平衡问题扩展到稳定性问题动力学问题和波动问题;而在分析对象方面，则从弹性材料扩展到塑性粘塑性和复合材料;也从固体力学扩展到流体力学和传热学等连续介质力学领域。此外，有限元法技术也逐渐由传统的分析和检验扩展到优化设计，并与计算机辅助设计和辅助制造密切结合，形成了现在CAE技术的整体架构。 5-2-2 有限元分析的基本理论 有限元分析(FEA，Finite Element Analysis)方法，简称有限元法是在计算机技术和数值分析方法支持下发展起来的，它的出现为解决复杂的工程分析计算问题提供了有效的途径。有限元法的基本[58]思想是将问题的求解域划分为一系列单元，单元之间仅靠节点连接。单元内部点的待求量可由单元节点量通过选定的函数关系插值求得。由于单元形状简单，易于由平衡关 系或能量关系建立节点50 河北工业大学硕士学位论文 量之间的方程式，然后将各个单元方程“组集”在一起而形成总体代数方程组，计入边界条件后即可对方程组求解。单元划分越细，计算结果就越精确。有限元分析是利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟，再用简单而又相互作用的元素就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。由于有了计算机这一强有力的工具，现在有限元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定性问题动力问题和波动问题，分析的对象从弹性材料扩展到塑性粘弹性粘塑性和复合材料，从固体力学扩展到流体力学传热学和电磁学领域。 构成有限元系统的3个基本要素是节点、单元和自由度。 1. 节点(Node) 节点是构成有限元系统的基本对象，也就是整个工程系统中的基本点。它包含了坐标位置以及具有物理意义的自由度信息。 2. 单元(Element) 单元是由节点和节点连接而成的，是构成有限元系统的基础。一个有限元系统必须有至少 一个以上的单元。单元和单元之间由各节点相互连接。在具有不同特性的材料和不同的具体结构当中，可选用不同种类的单元，单元中包含了物理对象的各种特性。 3. 自由度(DOF，Degree Of Freedom) 包含系统自由度和节点自由度。这个系统的自由度在分析中需要适当的约束，系统中每个节点都有各自的节点坐标系和对应的节点自由度，对于不同的单[59]元上的节点，具有不同的自由度。 ?5-3电火花机床的静态分析 在机床加工的过程中，机床的零件和部件会因为受力而发生变形，从而影响到工件的加工精度和生产效率。因此需要对机床的刚度提出一定的要求，机床的刚度就是指机床系统抵抗变形的能力，可由下式表示: F K= (5-1) U式中 :K --机床的刚度;F--作用在机床上的作用力;U--机床零部件的变形量。 机床结构的静刚度是指在切削力或其他力的作用下，机床抵抗变形的能力。机床在加工过程中，受多种外力的作用，包括运动部件和工件的自重、切削力、驱动力、加减速时的惯性力、摩擦阻力等。机床的各部件在这些力的作用下将产生变形，如:基础件的弯曲和扭转变形，支承构件的局部变形，固定连接面和运动啮合面的接触变形等。这些变形都会直接或间接地引起刀具与工件之间产生相对位移，破坏刀具和工件原来所占有的正确位置，从而影响机床的加工精度和加工过程的特性，所以，提高机床的静刚度是机床结构设计的普遍要求。数控机床为获得高效率而具有的大功率和高速度，使它所承受的各种外力负载更加恶劣，而且加工过程的自动化也使得加工误差无法由人工干预来修正和补偿，所以，数控机床的变形对加工精度的影响会更为严重。为了保证数控机床在自动化、高效率的切削条件下获得稳定的高精度，其机械结构应具有更高的静刚度，有标准规定数控机床 的刚度系数应比类似的普通机床高50%。 51 基于虚拟制造技术的电火花机床仿真研究 5-3-1床身的静刚度分析 床身是整个机床的基础，所有的运动部件和工件都放置在床身之上，在重力作用下床身上的运动部件必然会引起与床身接触部分的变形从而引起运动部件轨迹发生变化，因此，床身的静态特性将影响到加工过程的稳定性。因此有必要对床身进行静态分析，找到并尽可能的消除或减小床身的受力区域和变形区域以保证加工精度。床身模型图和分析步骤见下图5.1、5.2、5.3和表5.1。 图5.1 床身受力模型 Fig.5.1 Mechanical model of lathe bed 表5.1 床身分析步骤 Tab.5.1 Analytical procedure of lathe bed 序号 操作步骤 操作内容 数字模型建立 在PRO/E环境下完成床身实体模型的建立，为了保1 证分析的精度保留加强筋和底座的减重孔等特征。 由于床身是固定在地面的所以床身底座的底面被完设置约束载荷 全约束，在床身与拖板座的接触面上分配运动部件的重力2 取17350N。 分配床身单元的材料为HT250，特性参数为:弹性模3有限元模型建立 量 E= 155GPa;泊松比 ?= 0.27;密度ρ=7340 (kg/m) 。3 自动化分网格3849个单元。 进入分析模块设置分析类型(静态)，添加约束载荷，设置分析 选择计算收敛方式(单通道适配方式)和分析项目(应力、4 反作用力)后开始分析。 计算及后处理 计算完成后进入后处理模块察看静态分析的结果。 5 52 河北工业大学硕士学位论文 5.2 划分网格后的受力模型 Fig.5.2 Mesh segmented mechanical model 5.3.1 床身受力变形图 5.3.2床身受力云纹图 图5.3 床身受力变形和云纹图 Fig.5.3 Deformation under force and moire pattern of lathe bed 由图5.3中的床身受力变形和表5.2可以看出，机床床身的变形方向主要表现在沿竖直方向也即主轴运动方向受力变形最大变形处达到41.323?m，同时。由于在放电过程中电极与工件之间并没有发生接触，检测系统会根据它们之间的距离适时让主轴后退防止出现拉弧现象，因此单从变形方向上来说主轴方向上的变形对加工质量来说影响并不大。但是由受力图可以看出发生变形的地方正好是支撑运动部件的拖板座一侧，这样的变形会引起拖板沿X轴的轴向摆动，特别是上滑板沿Y轴正方向运动时，前出的主轴更会加大这种变形趋势，使电极的中心线与工件的水平表面产生偏角，特别是加工深孔时，垂直度很难保证。因此有必要对床身进行改进，尽可能的消除这种变形。 表5.2 原设计受力变形 Tab.5.2 Original design deformation 变形方向 变形量 X方向 8.9394?m Y方向 41.323?m Z方向 9.9023?m 53 基于虚拟制造技术的电火花机床仿真研究 通过研究原设计图可以发现，引 起这种变形的原因是由于发生形变处，由于减重的原因并未设置加强筋进行支 撑，同时机床床身的主要受力区也表现在这一区域。因此应合理设置加强筋以解 决变形和应力集中问题，提出的解决方案如图5.4所示。 5.4.1 方案1 5.4.2 方案2 图5.4 修改方案 Fig.5.4 Modified scheme 解决方案1 :取消原有减重设置，在受力区下方设置整块加 强筋完全支撑受力面。 解决方案2 :仅添加两个加强筋，部分支撑受力面。 通 过对重新改进的床身进行静刚度分析，添加两种加强筋完全支撑和部分支撑后沿 主轴方向的受力变形分别为15.16?m和17.198?m通过对比可知虽然第一个方案 比第二个方案的变形量要小，但差别并不大，而第二种方案增加的重量要比第一 种方案要小很多，考虑到经济性和床身木型的可见造型，第二种方案要比第一种 方案实用，在质量增加不大的情况下将最大变形量减小了58.4%。 表5.3 更改 后受力变形 Tab.5.3 Modified design deformation 变形方向 变形 量 X方向 8.343?m Y方向 17.198?m Z方向 2.8146?m 5.5.1 优化后 5.5.2 优化前 图 5.5 床身优化前后受力变形图对比 Fig.5.5 Comparison on deformation of lathe bed before and after optimize 54 河北工业大学硕士学位论文 通过增加了加强筋，优化了床身的结构 后，大大降低了床身静态变形量，同时也大大提高了床身自身的静刚度，加工时 运动精度也得到了明显的改善，对其动刚度的提高也有一定的帮助。按照最大变 形量17.198?m计算其静刚度: F17350 K===1001N/μm (5-2) U17.198 可以看出改进后的床身静刚度很大，说明结构优化比较合理， 优化进一步提高了床身的结构性能。 5-3-2 上滑板的静刚度分析 有限元分析 步骤如表5.4所示。 表5.4 上滑板分析步骤 Tab.5.4 Analytical procedure of lathe bed 序号 操作步骤 操作内容 数字模型建立 在PRO/E环境下完成上 滑板实体模型的建立，保留1 加强筋和底座的减重孔等特征。 由于上滑板是 通过导轨、导轨盒与拖板座连接的所以 设置约束载荷 上滑板的底面被完全约 束，在上滑板与拖板座的接触面上2 分配运动部件的重力取700N。 分配上滑 板单元的材料为HT250，特性参数为:弹性 3有限元模型建立 模量 E= 155 GPa; 泊松比 ?=0.27;密度ρ=7340 (kg/m) 。3 自动化分网格3849个单元。 进入 分析模块设置分析类型(静态)，添加约束载荷， 设置分析 选择计算收敛方式 (单通道适配方式)和分析项目(应力、4 反作用力)后开始分析。 计算及后处理 计算完成后进入后处理模块察看静态分析的结果。 5 上滑板是主轴与运动部件拖板的连接部件，它的性能的好坏将直接影响到主轴加工的稳定性，因此，对上滑板的稳定性分析也是必要的。上滑板受力约束模型以及有限元网格模型如图5.6所示。 图5.6.1 受力图 5.6.2 网格模型图 图5.6 上滑板的受力和有限元网格模型 Fig.5.6 Fore and meshing model of slide plate 55 基于虚拟制造技术的电火花机床仿真研究 通过上述设置和求解，获得的变形图和受力云纹图以及获得的变形量如下图5.7和表5.5所示。 5.7.1 上滑板受力变形图 5.7.2 上滑板受力云纹图 图5.7 上滑板受力变形和云纹图 Fig.5.7 Deformation under force and moire pattern of slide plate 表5.5 上滑板受力变形量 Fig.5.5 Deformation under force X 向变形 Y向变形 Z向变形 总变形 0.16?m 0.175 ?m 0.33?m 0.356?m 由图5.7中的受力和应力图可以知道在重力作用下，变形主要发生在主轴和方轴座的连接处，由于减重孔的存在，在三个坐标方向上都发生了变形，其中最大的变形量为0.33?m，总变形量达到0.356?m，但是和床身17.198?m的变形比起来，上滑板的变形还是非常小的。按照最大变形量0.33?m计算其静刚度得: F700 K===2121.21N/μm (5-3) U0.33可以看出上滑板自身的静刚度很大，说明结构设计比较合理，能够满足设计要求，保证了自身的结构性能。 ?5-4 电火花机床的动力学分析 机床动态特性的研究包括了动力分析和动态设计两个主要部分的内容。 动力分析就是在已知系统的动力学模型、外部激振和系统工作条件的基础上分析研究系统的动态特性。对机床而言，其动力分析主要指机床抵抗振动的能力。和其它的机械结构一样，机床振动也是结构弹性体振动问题，研究内容包括机床结构的自由振动频率(固有频率)及其相应的振型和强迫振动时的响应等静、动态特性的计算。动力分析问题进行了多年的研究，已经形成了比较完整的理论，出现了能适用于不同情况的各种分析计算方法，即使是比较复杂的系统，其动力分析也可以得到比较准确的结果。 动态设计是根据设计要求，建立系统的数学模型，在设计过程中寻求一个经济、合理的结构，动态优化设计比动力分析更为复杂，但两者之间是互相联系的。事实上，尽管目前己经提出了一些56 河北工业大学硕士学位论文 动态优化设计的方法，但大多将动态设计问题转化为动力分析问题进行处理。因此，对机床进行动力分析是十分必要的。 5-4-1 模态分析 模态分析理论是一门融振动理论、信号分析、数据处理、数理统计及 自动控制理论于一体的综合，并结合自身内容的发展，形成的一套独特的理论。 模态分析的实质是一种坐标转换，其目的在于把原在物理坐标系统中描述的响应 向量，放到所谓的“模态坐标系统”中来描述，这一坐标系统的每一个基向量恰 是振动系统的一个特征向量。运用这一坐标系统的好处是:利用各特征向量之间 的正交特性，可使描述响应向量的各个坐标互相独立而无耦合。换句话说，在模 态坐标下，振动方程是一组互无耦合的方程，每一个坐标均可单独求解。 模态 分析的首要任务是要求出系统各阶模态参数，譬如系统的固有频率和振型、模态 质量、模态刚度、模态阻尼等。尽管实际选取的模态阶数不是很多，但是在处理 大型复杂结构时，真正要从理论上比较精确地计算这些模态参数也是及其困难 地。一般地，结构的动态特性主要由少数前几阶模态决定，所以试验模态分析时 只需要识别其前几阶模态。 对一个N自由度线性系统，其运动微分方程为: [M&&&]{u}+[C]{u}+[K]{u}={F(t)} (5-4) 其中[M]、[C]、[K]分别为系统的质量、阻尼及刚度矩阵，{u}及{F(t)}分别为系 统各点的位移响应向量及激振力向量。[M]、[K]通常为实系数对称矩阵，而[C] 则为非对称矩阵，因此上面的方程是一组耦合方程，当系统自由度很大的时候， 求解非常困难。能否将上述耦合方程变成非耦合的独立方程组，这就是模态分析 所要解决的任务。 对上式两边进行拉氏变换，可以得到: 2 (s[M]+s[C]+[K]){X(s)}={F(s)} (5-5) 其中X(s)及F(s)分别为位移回应与激振力的拉氏变换。 令s=jω，则式(5-5) 变为: 2 ([K]??ω[M]+jω[C]){X(ω)}={F(ω)} (5-6) 这是一组耦合的方程组，为了解耦，引入模态坐标 令 {X}=[φ]{q} (5-7) 其中[φ]--振型矩阵，{q}--模态坐标。 将式(5-7)代入(5-6)得到: 2 ([K]??ω[M]+jω[C])[φ]{q}=F (5-8) 根据振型矩阵对于质量和刚度矩阵的正交性关系(将质量和 刚度矩阵对角化)有: ....TT [φ][M][φ] = mi ;[φ][K][φ]= ki (5-9) .... 57 基于虚拟制造技术的电火花机床仿真研究 若系统的阻尼矩阵也被(或近似 被)对角化(结构阻尼、比例阻尼或小阻尼情况)，即有: ..T[φ][C][φ]= Ci (5-10) .. T则对式(5-8)前乘[φ]，得到: 2T ([K]??ω[M]+jω[C]){q}=[φ]F (5-11) iii 这样，相 互耦合的N自由度系统的方程组经过正交变换后，成为在模态坐标下相互独立的 N自由度系统的方程组，解耦后的第i个方程为: n2(K??ωM+jωC)q=φF (j=1， 2，„，n) (5-12) iiii?jijj=1在任意坐标l下，其响应为: nX=φq (j=1，2， „，n) (5-13) i?jiij=1从式(5-10)可以知道: 采用模态坐标后，N自由度振动系统的响应，相当于在N个模态坐标下单自由度系统的响应之和，此即模态叠加原理。 在模态坐标下的质量M、刚度K、阻尼C及固有振型φ，均称为模态参数，并分别称为模态iiii质量、模态刚度、模态阻尼及模态振型。 采用归一化方法，使模态质量归一，记模态质量归一化振型为中，即: T[φ][M][φ]= [I] (5-14) T2[φ][K][φ]=[ω] (5-15) i2式中: =Ki/Mi为模态固有频率。 ωi 利用模态质量归一化振型冲[φ]，则运动方程(5-03)可以表达为: 22T([ω]??ω[I]+jω[2ζω]){q}=[φ]{F} (5-16) iii要识别系统的全部特性，必须知道系统的N个模态固有频率ω、模态阻尼比ζ及归一化振型[φ]。 ii5-4-2 床身的模态分析 机床的床身是机床中一个重要的结构组成部分，它起着支撑工件和拖板座、上滑板等运动部件的作用，它的动态特性的好坏将直接关系到机床的加工精度和表面粗糙度以及机床是否能安全可靠的工作甚至使整机的使用寿命。通过了解床身结构本身具有的刚度特性即结构的固有频率和振型，有助于避免在使用中因共振因素造成不必要的损失，因此有必要对其进行详细的动态分析。目前，对机床床身动态性能研究的方法主要是模态分析法，模态分析研究的主要内容是确定机床床身的振动特性即固有频率和主振型，它们是承受动载荷的重要参数。通过模态分析就可以判断振型是否影响加工精度，根据此数据还可对机床床身相关的部件进行优化设计，使它满足机床对加工质量和加工精度的要求。 58 河北工业大学硕士学位论文 ANSYS是由美国SASI公司世界著名的力学分析专家Dr. Swanson率领科技人员多年研究开发的世界上颇有影响的大型通用有限元分析软件。它以高的性能价格比和较好的解题广深度，广泛用于航空航天、汽车、造船、机械制造、铁道、电子、一般工业及科学研究的各个领域，其极强的分析功能覆盖了许多工程问题。本节主要利用ANSYS软件对电火花机床的关键部件进行模态分析以确定其变形形式及变形量。床身的有限元网格模型和有限元分析步骤见图5.8和表5.6。 图5.8 床身有限元网格模型 Fig.5.8 Lathe bed meshing model 表5.6 床身模态分析步骤 Tab.5.6 Modal analysis procedure of Lathe bed 序号 操作步骤 操作内容 把PRO/E环境下完成床身实体模型保存ANSYS能够 数字模型导入 识别的IGES格式的文件后导入到ANSYS中，为了保证1 分析的精度保留加强筋和底座的减重孔等特征。 由于床身是固定在地面的，所以床身底座的底面被完 设置约束载荷 全约束，在床身与拖板座的接触面上分配运动部件的重力2 作用力取17350N。 分配床身单元的材料为HT250，特性参数为:弹性模 3有限元模型建立 量 E= 155GPa;泊松比 ?= 0.27;密度ρ=7340 (kg/m) 。3 自动化分网格3849个单元。 进入分析模块设置分析类 型选择子空间法进行模态 设置分析 分析，选择计算前十阶固有频率和振型后 开始分析。 4 计算及后处理 计算完成后进入后处理模块察看获得的频率以及振 5 型。 59 基于虚拟制造技术的电火花机床仿真研究 模态分析获得的各阶振动频率和 振型图见表5.7和图5.9所示。 表5.7 振动频率表 Tab.5.7 Shake frequency ***** INDEX OF DATA SETS ON RESULTS FILE ***** SET TIME/FREQ LOAD STEP SUBSTEP CUMULATIVE 1 427.80 1 1 1 2 519.09 1 2 2 3 557.37 1 3 3 4 601.88 1 4 4 5 618.03 1 5 5 6 657.62 1 6 6 7 720.97 1 7 7 8 746.53 1 8 8 9 801.80 1 9 9 10 810.56 1 10 10 5.9.1 1阶振型 频率427.8Hz 5.9.2 2阶振型 频率 519.09Hz 5.9.3 3阶振型 频率557.37Hz 5.9.4 4阶振型 频率601.88Hz 60 河北工业大学硕士学位论文 5.9.5 5阶振型 频率618.03Hz 5.9.6 6阶振型 频率657.62Hz 图5.9 不同频率的振型图 Fig.5.9 Different frequency resonant type 由上面的振型图5.9可以看出，在不 同的振动频率下，床身的振动情况略有不同，引起的床身变形也有差异，一阶振 型主要是引起床身与拖板座接触面沿主轴运动方向上的上下波动且振幅沿模型 Z轴方向递减，二阶和三阶振型分别引起床身前后两个面沿模型X方向振动，四 阶振型与三阶振型相似只是振幅略小，五阶振型主要是工作台面下的加强筋的反 向振动，床身的变形量很小，六阶振型引起了床身上表面沿模型Z轴方向的两弯 振动，工作台与工件接触面、床身与拖板座的接触面都发生较大波动。 5-4-3 上 滑板的模态分析 模态分析步骤和有限元模型见下表5.8和图5.10。 表5.8 上 滑板模态分析步骤 Tab.5.8 Modal analysis procedure of slide plate 序号 操 作步骤 操作内容 把PRO/E环境下完成的上滑板实体模型保存为 数字模型导 入 ANSYS能够识别的IGES格式的文件后导入到ANSYS1 中，为了保证分析的精 度保留加强筋和上滑板两侧及顶部的减重孔等特征。 由于上滑板是通过导轨、 导轨盒与拖板座连接的所以 设置约束载荷 上滑板底面被完全约束，在拖板与方 轴座的接触面上分配2 方轴的重力作用力取700N。 分配上滑板单元的材料为 HT250，特性参数为:弹性 3有限元模型建立 模量 E= 155 GPa;泊松比 ?=0.27; 密度ρ=7340 (kg/m) 。3 设置分析 进入分析模块设置分析类型选择子空间法 进行模态4 分析，选择计算前八阶固有频率和振型。 计算及后处理 计算完成 后进入后处理模块察看获得的频率以及振5 型。 61 基于虚拟制造技术的电火花机床仿真研究 图5.10 上滑板有限元网格 模型 Fig.5.10 Slide plate meshing model 有限元模态分析后获得的频率如下 表所示。 表5.9 没有约束的振动频率表 表5.10 振动频率表 Tab.5.9 Shake frequency without constraint Tab.5.10 Shake frequency 子步数 自振频率 子步数 自振频率 1 0.0 1 415.09 2 0.0 2 830.43 3 0.0 3 1056.9 4 0.0 4 1104.6 5 0.0 5 1148.7 6 0.0 6 1193.6 7 512.31 7 1315.7 8 598.90 8 1347.1 9 790.91 10 848.17 通过模态分析求解出的频率来评价上滑 板的动态特性。表5.9是模型没有约束时的自然模态，由于没有约束，前六个为 、Y、Z轴的移0的频率是模型的刚体位移。它们分别代表了模型沿模型坐标系X 动以及沿X、Y、Z三轴转动的运动。表5.10是模型添加约束与受力后的模态分 析获得的前8阶的固有频率。通过观察上滑板的前8阶频率可以发现，该模型的 固有频率还是比较高的。故可以评价该拖板的结构设计是符合要求的。 62 河北工业大学硕士学位论文 各阶固有频率下的振型变化见图5.11。 5.11.1 1阶振型415.09Hz 5.11.2 2阶振型830.43Hz 5.11.3 3阶振型1056.9Hz 5.11.4 4阶振型1104.6Hz 5.11.5 5阶振型 1148.7Hz 5.11.6 6阶振型1193.6Hz 5.11.7 7阶振型 1315.7Hz 5.11.8 8阶振型1347.1Hz 图5.11 不同频率的振型图 Fig.5. 11 Different frequency resonant type 63 基于虚拟制造技术的电火花机床仿真研究 从上述各振型图5.11来看，一阶 振型上滑板沿主轴运动方向产生弯曲，并伴有横向的摆动，二阶振型使上滑板前 端减重孔部分产生了严重的扭曲变形，三阶和四阶振型相似，都是引起上滑板的横向晃动，而五阶振型在上滑板的前端和后端产生了两弯变形，六阶振型使上滑板的上表面沿Y轴发生弯曲，七阶振型与六阶相似，在六阶振型的基础上同时引起了外侧减重孔发生扭曲，八阶振型产生的变形较小，只是引起上表面减重孔的轻微变形。 不同的振型使上滑板产生的变形各不相同，对加工产生的影响也各不相同。由上面的变形分析可知，发生一阶、六阶、七阶和八阶振动时，上滑板与主轴连接部件的连接处振动变形较小，对加工影响不大，而发生二阶和五阶振动时，由于连接处发生加大的变形，会使主轴运动与期望运动产生较大的误差从而影响加工精度。而三阶和四阶的横向晃动，也会影响到多轴联动时的横向进给运动。 5-4-4 丝杠的模态分析 现在的机床正日益向高精度、高速度和高刚度的方向发展，因此对其进给系统的要求也越来越高。滚珠丝杠是数控机床伺服进给系统中应用最广泛的机械传动部件，随着机床进给速度的不断提高，对滚珠丝杠进给系统的刚度和抗振性能也提出了更高的要求。滚珠丝杠本身是一种细长的低刚度元件，在外界交变力的作用下极易产生振动和噪声，如果激振频率接近其共振频率，还有产生共振的危险。因此作为进给系统关键部件的丝杠必须具有良好的动态性能，有必要对丝杠进行动力学研究。 在本次分析中选用的单元类型为SOLID92单元，此单元是分析弹性结构空间问题中使用比较广泛的一种单元。而在建立模型的时候，考虑到减小问题的规模，故在对精度影响不大的前提下对模型做了适当简化，去除了螺纹和键槽等一些细节信息。由于该丝杠采用双支承结构形式以达到较高的高刚度要求和位移精度要求，故其两端X、Y、Z三个方向的自由度全部被约束。同时在简化的螺纹表面施加300N的摩擦力。 丝杠的约束载荷模型和有限元网格模型如下图5.12。 5.12.1 受力图 5.12.2 有限元模型 图5.12 丝杠受力和有限元网格模型 Fig.5.12 Lead screw stress and finite element meshing model 64 河北工业大学硕士学位论文 有限元分析步骤和获得的固有频率见下表5.11和5.12。 表5.11 丝杠分析步骤 Tab.5.11 Analytical procedure of lead screw 序号 操作步骤 操作内容 在PRO/E环境下完成丝杠实体模型的建立，为了节 数字模型建立 省运算时间提高分析效率，在保证分析精度的前提下忽略1 丝杠的台阶键槽等特征。 分配丝杠单元的材料为GCr15，特性参数为:弹性模 3有限元模型建立 量 E= 208GPa;泊松比 ?=0.3;密度ρ=7800 (kg/m) 。2 单元类型SOLID92。 由于该丝杠采用双支承结构形式以达到较高的高刚 设置约束载荷 度要求和位移精度要求，故其两端X、Y、Z三个方向的3 自由度全部被约束。同时在简化的螺纹表面施加300N的摩擦力。 模型导出 在PRO/E环境下进行有限元求解生成拓展名为.nas4 的ANSYS格式文件。 通过Read Input From形式读入.nas的ANSYS格式文 模型导入 件设置分析选项。选用子空间法 (Subspace)来提取丝杠的5 前10阶模态。 计算及后处理 ANSYS计算完成后进 入后处理POST1察看振型并获得振6 动频率。 运行模态分析后获得的频率表如 表5.12所示。 表5.12 振动频率表 Tab.5.12 Shake frequency 子步数 自振频率 1 214.15 2 216.95 3 669.15 4 681.12 5 1350.2 6 1370.2 7 1766.4 8 2228.6 9 2259.8 10 3043.1 65 基于虚拟制造技术的电火花机床仿真研究 获得的丝杠一阶、二阶、三阶、 五阶、七阶和十阶的振型如图5.13所示。 5.13.1 一阶振型 5.13.2 二阶振型 5.13.3 三阶振型 5.13.4 五阶振型 5.13.5七阶 5.13.6 十阶振型 图5.13 不同频率的振型图 Fig.5. 13 Different frequency resonant type通过观察上述频率表和振型图可以发 现:除了第7步和第10步其他子步每两个相邻子步的频率非常接近，并且通过 振型图可以发现相邻子步的振型表现为正交。所以这些相邻的子步的频率可以看 成是振动方程解的重根。从上述振型图可以清楚的看到，第1子步产生弯曲振动， 振动方向是沿着Y方向，而且弯曲只有一个极值点，而第2子步的振动方向是沿 着X方向的，也只有一个极值点。其它相邻子步的振型都是正交的弯曲振动，只 是极值点数不同。三阶和五阶振型如图5.17.3和5.17.4。在一般情况下 只关 心低阶频率的一弯振动。再对第7步和第10步子步振型进行振型观察，可以得 出如下结论:第7步是扭转振动，第10步是轴向振动。其振型图如图5.17.5 和图5.17.6所示。通过有限元分析软件ANSYS分析和研究丝杠的固有振动特性， 得知了丝杠频率以及振型，可以避免由于其它同频干扰或激振造成丝杠的共振， 这对于整个进给系统以至整个机床系统的设计都有指导意义。 ?5-5 本章 小结 对于大型精密加工机床而言，机构微小的变形对加工过程的稳定性也是由 一定的影响的，鉴于此，本章应用有限元分析软件对电火花机床的床身、上滑板 和传动丝杠等关键零部件进行了动、静态分析和模态分析。通过对机床关键部件 的静态分析，获得了部件的受力变形趋势和变形量，从而预测了机床的结构性能， 为零部件的结构优化提供了可靠的理论依据。并针对仿真结果根据获得的数据， 对部分零件进行了改进和结构优化。利用有限元软件ANSYS对进行了模态分析， 获得了机床部件的固有振动频率，并以动画的形式得到了各振动频率下的振型， 为了解机床的运动以及加工过程中各部分零件的工作状态提供了较直观的依据。 66 河北工业大学硕士学位论文 第六章 结论 ?6-1 全文总结 在了解国内外数控电火花机床行业的发展现状的基础上，分析了国内数控电火花机床市场的发展以及设计技术手段与国外先进制造业的不足之处，阐明了在数控电火花机床设计过程中引入虚拟制造技术的重要性和必要性。以CTS400三轴数控电火花成形加工机床为研究对象，利用虚拟制造技术建立了完整的数字实体模型，并针对该模型进行各种仿真分析来全面评估电火花机床的设计质量，再通过分析结果的反馈来指导设计的改进和完善。虚拟制造技术在CTS400三轴数控电火花成形机床中的研究，为产品的开发提供了新方法及使用经验，为缩短新产品的开发周期、减少开发费用和提高研制质量提供了有效的方法。 论文的主要研究内容包括以下几个方面: 1. 在完成初始设计之后，采用实体造型软件PRO/Engineer(PRO/E)，应用参数化的造型方法建立了CTS400 数控电火花机床零部件数字化模型和装配模型，最后运用干涉检查技术验证了设计的正确性和合理性。实体模型与装配模型的建立，能够直观的将设计意图显现出来，而且虚拟的装配过程，能够快速高效的将整个装配过程显现出来，并对装配的结果和装配顺序进行合理的规划，避免了制造物理样机的资金投入，同时可以将制造物理样机的时间用于机构的优化与改进，对提高产品的设计效率和缩短开发周期具有重要意义。 2. 应用ADAMS运动仿真软件研究了CTS400数控电火花成形机床爬行的机理，通过建立爬行运动的仿真模型和运动仿真，模拟再现了传动系统的运动性能，分析了驱动速度、传递机构的刚度与动静摩擦系数差等因素对爬行的影响，搞清了这些参数在运动过程中的变化与爬行显现出现的关系。 3. 应用大型有限元分析软件ANSYS分析了CTS400数控电火花机床主要零部件的静刚度与动态特性，通过动画的形式获得了机床的微观形变与振动特性以及不同参数情况下机床的结构性能，通过这些数据了解了机床主要部件的变形趋势与变形量，针对仿真结果对机床的床身部分受力变形区进行了结构优化设计，在床身质量增加不大的情况下，将最大变形量减小了58.4%。 ?6-2 展望 机床的运动仿真首先要求 对虚拟样机和运动过程进行精确建模，但由于电火花数控机床动态性能仿真系统的实现涉及知识面很广，包括机械、控制、放电原理、测试方法和工具等不同的学科背景和众多的辅助支撑技术与软件，相对于一个完善且有使用价值的数控机床性能仿真系统而言，虽然本文在应用虚拟样机技术设计开发CTS400数控三轴电火花床的过程中做了大量的研究工作，也 67 基于虚拟制造技术的电火花机床仿真研究 在理论和实际应用中取得了一定 的研究成果，但由于时间短暂及本人的水平所限，本文的工作成果应该说是相当简陋的，课题研究依然存在着许多不足之处，进一步的工作还需要更大的投入。所以对于今后的工作，在以下几个方面还应该加以改进和完善: 1. 目前的电火花机床产品系列较多，大部分零件采用通用化设计，因此有必要在今后的设计过程中考虑零件库的建立，将通用零件的一些关键尺寸定义成参数，只要改变参数，就可以生成所需零件。 2. 在研究机床运动特性和进行有限元分析时，只是简单改变了一些包括摩擦系数、阻尼和接触刚度等动力参数，但在实际的接触状态下仅靠这些参数并不能精确的反映机床的运动状态，这也就造成了仿真结果与实际有一定的偏差。鉴于此，在今后的研究中应通过大量的试验来修正确定这些参数并建立完整的实验数据库为日后的种仿真分析提供参考。 3. 本文仅对数控机床进给运动系统的动态性能仿真系统的实现方法进行了探索性的研究，对于一个能有更多实用价值和分析功能的数控机床整机动态性能的仿真系统还需要研究数控机床中不同组成部分间动态性能的耦合影响。所建立的数控机床伺服进给系统的机构模型都是刚体，因此模型相对比较粗糙。为了使建立的模型更加精确，需要将某些部件考虑为柔性体，并利用诸如ANSYS等有限元分析软件及ANSYS和ADAMS之间的接口进行联合分析。 68 河北工业大学硕士学位论文 参考文献 [1] 何建中. 电火花成形加工技术的应用与发展. 中国西部科技(学术)，2007(5):20-21 [2] 郑志江. 电火花机床发展趋向分析. 模具制造，2001(1):39 [3] K. 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