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五轴联动加工中心动力学建模及质量匹配优化

王晨升 苏芳 罗茹楠 田海明

王晨升, 苏芳, 罗茹楠, 田海明. 五轴联动加工中心动力学建模及质量匹配优化[J]. 机械科学与技术, 2021, 40(1): 47-54. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200020
引用本文: 王晨升, 苏芳, 罗茹楠, 田海明. 五轴联动加工中心动力学建模及质量匹配优化[J]. 机械科学与技术, 2021, 40(1): 47-54. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200020
WANG Chensheng, SU Fang, LUO Ru′nan, TIAN Haiming. Dynamic Modeling and Quality Optimization of Five-axis Machining Center[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2021, 40(1): 47-54. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200020
Citation: WANG Chensheng, SU Fang, LUO Ru′nan, TIAN Haiming. Dynamic Modeling and Quality Optimization of Five-axis Machining Center[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2021, 40(1): 47-54. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200020

五轴联动加工中心动力学建模及质量匹配优化

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200020
基金项目: 

国家科技重大专项 2017ZX04013001

详细信息
    作者简介:

    王晨升(1985-), 讲师, 硕士, 研究方向为机床动力学, 15835218961@163.com

  • 中图分类号: TH122

Dynamic Modeling and Quality Optimization of Five-axis Machining Center

  • 摘要: 为了解五轴联动加工中心结构件质量对整机性能的影响规律,结合集中参数法和子结构综合法建立整机动力学模型。依据五轴联动加工中心拓扑结构特点,基于子结构综合思想,将其分为两个拓扑子链并分别开展影响规律分析;基于结构件间的质量关系,提出了机床质量匹配度的评价指标-结构件质量比(RT)。通过分别对刀具链和工件链中结构件质量进行匹配优化,获得整机的质量匹配优化方案,并基于有限元仿真软件对优化结果进行验证。结果显示,通过该优化方法,整机质量减轻10.3%,整机首阶固有频率提高3.9%。
  • 图  1  五轴联动加工中心结构及坐标系

    图  2  全域内首阶固有频率分布(z轴中间位置)

    图  3  仿真结果(z轴中间位置)

    图  4  初始位置(图 1)整机首阶振型

    图  5  工作台和横床身质量对系统首阶固有频率影响

    图  6  纵床身和立柱质量对系统首阶固有频率影响

    图  7  立柱和溜板质量对系统首阶固有频率影响

    图  8  溜板和B轴摆架质量对系统首阶固有频率影响

    图  9  主轴箱和B轴摆架质量对系统首阶固有频率影响

    图  10  初始位置(图 1)质量匹配优化后整机首阶振型

    表  1  系统低序体阵列

    阵列 结构件名称(编号)
    横床身(0) 工作台(1) 工件(2) 纵床身(3) 立柱(4) 溜板(5) B轴摆架(6) 主轴箱(7)
    L0(i) 0 1 2 3 4 5 6 7
    L1(i) - 0 1 0 3 4 5 6
    L2(i) - - 0 - 0 3 4 5
    L3(i) - - - - - 0 3 4
    L4(i) - - - - - - 0 3
    L5(i) - - - - - - - 0
    L6(i) - - - - - - - -
    L7(i) - - - - - - - -
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    表  2  五轴联动加工中心惯量参数

    部件 IX/(g·m2) IY/(g·m2) IZ/(g·m2) M/g
    横床身 223 5 491 5 400 9 062
    工作台 37 255 289 4 133
    纵床身 276 312 51 3 010
    滑座 26 46 23 1 472
    立柱 6 672 2 775 6 229 9 857
    溜板 429 480 606 2 097
    B轴摆架 165 167 130 984
    主轴箱 61 26 48 477
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    表  3  结合面刚度参数

    部件 kx/(N·m-1) ky/(N·m-1) kz/(N·m-1) kxx/(N·m·rad-1) kyy/(N·m·rad-1) kzz/(N·m·rad-1)
    横床身-地面 1×109 1×109 1×109 2.6×105 2.6×105 2.6×105
    工作台-横床身 6.5×107 4.7×108 3.6×108 2×105 2.6×105 2.6×105
    纵床身-地面 1×109 1×109 1×109 2.6×105 2.6×105 2.6×105
    纵床身-横床身 1×107 1×107 1×107 1.2×104 1.2×104 1.2×104
    纵床身-滑座 4.5×108 6.7×108 6.5×107 2.6×105 2.6×105 2×105
    滑座-立柱 5.5×108 5.5×108 5.5×108 2.6×105 2.6×105 2.6×105
    立柱-溜板 6.2×108 6.5×107 3.7×108 2.6×105 2×105 2.6×105
    溜板- B轴摆架 3.5×108 3.5×108 1.3×107 6.6×107 6.6×104 2.6×104
    B轴摆架-主轴箱 2.6×107 3.3×108 3.3×108 2.6×104 2.6×105 2.6×105
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    表  4  工件链结构件质量样本

    部件 m/kg 数目
    横床身 7 249.6:90.62:10 874.4 41
    工作台 3 306.4:41.33:4 959.6 41
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    表  5  刀具链结构件质量样本

    部件 m/kg 数目
    纵床身 3 585.6:224.1:5 378.4 9
    滑座+立柱 7 885.6:492.85:11 728.4 9
    溜板 1 677.6:104.85:2 516.4 9
    B轴摆架 787.2:49.2:1 180.8 9
    主轴箱 381.6:23.85:572.4 9
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    表  6  刀具链优化结果

    名称 方案1 方案2 方案3 方案4 方案5
    纵床身 1 1 0.85 1 0.85
    滑座+立柱 1 1 1 1 1
    溜板 0.8 0.8 1.2 0.8 0.8
    B轴摆架 1 0.8 0.8 0.8 0.8
    主轴箱 0.8 1.2 1.2 0.85 0.85
    f1 16.40 16.40 16.46 16.46 16.40
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    表  7  刀具链优化结果质量属性

    部件 质量/kg 变化比 质量比
    横床身 7 249.6 0.8 -
    工作台 3 306.4 0.8 2.19
    纵床身 3 010 1 -
    滑座+立柱 10 438 0.8 0.28
    溜板 2 516.4 1.2 4.14
    B轴摆架 787.2 0.8 3.19
    主轴箱 572.4 1.2 1.37
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  • 收稿日期:  2019-09-20
  • 刊出日期:  2021-01-01

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