CN104597836A

CN104597836A - 外覆盖件模具四轴加工系统综合刚度性能进行切削的方法

Info

Publication number: CN104597836A
Application number: CN201510034640.9A
Authority: CN
Inventors: 吴石; 杨阳; 刘献礼; 渠达
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2015-01-23
Filing date: 2015-01-23
Publication date: 2015-05-06

Abstract

根据外覆盖件模具四轴加工系统综合刚度性能进行切削的方法。四轴数控机床作为加工高精度复杂曲面的机床之一，被广泛地应用到汽车外覆盖件模具等复杂型面的制造中。本发明包括：对模具进行特性分析，对所述的四轴联动加工系统各部件刚度建立模型，对所述的四轴联动加工系统运动链建立模型，进行综合刚度场特性分析首先对控制点选取预设的刀具空间姿态，通过引入空间力椭球获得加工系统在所述的刀具空间位姿下的综合刚度性能，选取最优刀具姿态；再把模具的表面特性引入所述的力椭球中，得到整个模具的刚度性能图，最后通过刚度性能评价指标，得到最优切削路径，进行切削操作。本发明用于四轴联动加工。

Description

外覆盖件模具四轴加工系统综合刚度性能进行切削的方法

技术领域：

本发明涉及一种根据外覆盖件模具四轴加工系统综合刚度性能进行切削的方法。

背景技术：

随着模具行业的发展，人们对复杂曲面的精度要求也越来越高，四轴数控机床作为加工高精度复杂曲面的机床之一，被广泛地应用到汽车外覆盖件模具等复杂型面的制造中。

四轴加工系统相对与传统的三轴加工系统而言，它具有更大的灵活性，以便加工复杂曲面，但却对刀具空间位姿的求解问题带来难度，且刀具位姿的变化会影响到整个加工系统的综合刚度性能的变化，运动轴也主要依靠关节来实现平动和转动，这样机床关节、行程较长的横梁、刀柄-主轴结合面\刀具本身等这些部分相对于其它结构而言，其刚度较弱，因此在交变载条件下进行加工，会产生一定量的变形，而这些变形往往会对刀位点的位移产生较大的影响从而对模具加工带来一定误差。同时，模具本身的表面形貌特征以及材料特性是影响加工系统在加工过程中刚度性能的另一大因素。而模具表面质量高低又会直接影响到冲压工件的耐磨性、耐蚀性以及抗疲劳破损能力。所以，模具加工系统的总体刚度场快速建模以及性能分析就显得尤为重要。

发明内容：

本发明的目的是提供一种根据外覆盖件模具四轴加工系统综合刚度性能进行切削的方法。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种根据外覆盖件模具四轴加工系统综合刚度性能进行切削的方法，首先对模具进行特性分析，其次对所述的四轴联动加工系统各部件刚度建立模型，再次对所述的四轴联动加工系统运动链建立模型，最后进行综合刚度场特性分析首先对控制点选取预设的刀具空间姿态，通过引入空间力椭球获得加工系统在所述的刀具空间位姿下的综合刚度性能，选取最优刀具姿态；再把模具的表面特性引入所述的力椭球中，得到整个模具的刚度性能图，最后通过刚度性能评价指标，得到最优切削路径，进行切削操作。

所述的根据外覆盖件模具四轴加工系统综合刚度性能进行切削的方法，所述的模具特性分析包括如下步骤：首先获取待加工平面法向量，然后通过有限元方法获得模具的刚度矩阵。

所述的根据外覆盖件模具四轴加工系统综合刚度性能进行切削的方法，所述的四轴联动加工系统各部件刚度模型的建立包括如下内容：所述的四轴联动加工系统的横梁刚度模型的建立、所述的四轴联动加工系统的关节刚度模型的建立、所述的四轴联动加工系统的刀具-主轴刚度模型的建立。

所述的根据外覆盖件模具四轴加工系统综合刚度性能进行切削的方法，根据所述的四轴联动加工系统各部件刚度模型的建立和所述的四轴联动加工系统运动链模型的建立，对系统的综合刚度场建立模型。

有益效果：

1.本发明通过对加工系统各部件刚度参数、加工过程中刀具的空间位置与姿态（位移与角度）以及被加工模具表面若干控制点的刚度进行获取，建立机床关节-横梁-刀具主轴-工件在此刀具的空间位姿下的系统综合刚度场，并进行分析与评价确定切削工艺，这样即使模具加工系统在加工过程中的刚度性能得到优化，也使被加工的模具的表面质量得到提高。

本发明具有成本低，操作简单，测量速度快、精度高等特点，能显著且有效地提高工件加工的精度和效率。

本发明主要针对汽车外覆盖件的四轴数控加工系统进行刚度场建模，通过对四轴数控加工系统的综合刚度场的分析计算，对铣削过程中各种型面的模具及加工系统的刀具空间位姿（角度、位移）以及进刀方向进行优化，是高精度模具加工技术。

本发明对于汽车外覆盖件模具本身的刚度，采用有限元法进行分析得到任意控制点的刚度矩阵；对于加工过程中的模具加工系统综合刚度矩阵计算，不仅考虑机床运动关节，刀具，刀具主轴结合，模具本身部等常见的对加工系统刚度性能贡献较大的部件，还特别考虑到在加工过程中横梁的变形对加工系统整体刚度性能的贡献，以此获得的综合刚度矩阵更加符合实际加工情况，此外，本发明将力椭球引入综合刚度场中，以椭球最短轴为刚度性能指标，可以通过最大化椭球短轴来进行刀具位姿的优化，同时，还通过软件进行计算获得模具的待加工表面法向量，并将其引入力椭球中，从而获得了面向切削平面的刚度性能指标，得到了加工过程中模具综合刚度性能图，因而可以根据需要进行切削路径优化。

本发明仿真过程经过与目前现有技术中比较先进的COMET—L3D光学测量仪进行对比，具有成本低，操作简单，测量速度快、精度高等特点，能显著且有效地提高工件加工的精度和效率。

附图说明：

附图1是本发明的加工表面法向量示意图。

附图2是本发明的六个方向单位载荷的施加示意图。

附图3是本发明的结构示意图。

附图4是本发明的力椭球示意图。

附图5是本发明的考虑加工平面的力椭球示意图。

附图6是本发明的发明流程图。

附图7a是本发明的A轴转角为0°时系统力椭球的示意图。

附图7b是本发明的A轴转角为30°时系统力椭球的示意图。

附图7c是本发明的A轴转角为60°时系统力椭球的示意图。

附图8 是本发明A轴转角为30°时力椭球与切削平面相交的椭圆形状的示意图。

具体实施方式：

实施例1：

根据外覆盖件模具四轴加工系统综合刚度性能进行切削的方法，首先对模具进行特性分析，其次对所述的四轴联动加工系统各部件刚度建立模型，再次对所述的四轴联动加工系统运动链建立模型，最后进行综合刚度场特性分析首先对控制点选取预设的刀具空间姿态，通过引入空间力椭球获得加工系统在所述的刀具空间位姿下的综合刚度性能，选取最优刀具姿态；再把模具的表面特性引入所述的力椭球中，得到整个模具的刚度性能图，最后通过刚度性能评价指标，得到最优切削路径，进行切削操作。

实施例2：

根据实施例1所述的根据外覆盖件模具四轴加工系统综合刚度性能进行切削的方法，所述的模具特性分析包括如下步骤：首先获取待加工平面法向量，然后通过有限元方法获得模具的刚度矩阵。

实施例3;

根据实施例1或2所述的外覆盖件模具四轴加工系统综合刚度性能获取方法及应用，所述的四轴联动加工系统各部件刚度模型的建立包括如下内容：所述的四轴联动加工系统的横梁刚度模型的建立、所述的四轴联动加工系统的关节刚度模型的建立、所述的四轴联动加工系统的刀具-主轴刚度模型的建立。

实施例4：

根据实施例1或2或3所述的外覆盖件模具四轴加工系统综合刚度性能获取方法及应用，根据所述的四轴联动加工系统各部件刚度模型的建立和所述的四轴联动加工系统运动链模型的建立，对系统的综合刚度场建立模型。

实施例5：

根据实施例1或2或3或4所述的外覆盖件模具四轴加工系统综合刚度性能获取方法及应用，根据所述的系统综合刚度场模型的建立，进行所述的综合刚度场特性分析包括如下步骤：首先对控制点选取预设的刀具空间姿态，其次通过引入空间力椭球获得加工系统在所述的刀具空间位姿下的综合刚度性能，选取最优刀具姿态；再次把模具的表面特性引入所述的力椭球中，得到整个模具的刚度性能图，最后通过刚度性能评价指标，得到最优切削路径。

实施例6：

根据实施例1或2或3或4或5所述的外覆盖件模具四轴加工系统综合刚度性能获取方法及应用，所述的四轴加工系统综合刚度场的获取及分析可以通过如下步骤：首先，对模具的表面形状进行具体分析，即在加工的模具表面，适当的选取需分析的关键点，获取关键点的空间法向量，再在获得工件材料特性及形状尺寸的前提下，通过有限元法获取这些点的刚度矩阵；其次，通过模态实验对该四轴加工系统在综合刚度场分析方面所需要的参数进行测量，获取机床拓扑结构和尺寸、关节刚度、横梁的刚度、刀具主轴结合部以及刀具本身的刚度等；再次，建立该加工系统的运动链模型，计算获得其旋转变换矩阵以及雅克比矩阵，依据多体小变形理论，通过雅克比矩阵、点传递矩阵、有限元等方法对系统的综合刚度场进行建模；最后，进行综合刚度场特性分析，对控制点选取预设的若干个刀具空间姿态，通过引入空间力椭球获得加工系统在该刀具空间位姿下的综合刚度性能，通过对比进行最优刀具姿态的选取，然后再将模具的表面特性引入力椭球中，得到整个模具的刚度性能图，通过刚度性能评价指标，得到最优切削路径。

实施例7：

根据实施例1或2或3或4或5或6所述的外覆盖件模具四轴加工系统综合刚度性能获取方法及应用，所述的模具特性分析包括获取待加工平面法向量和通过有限元方法获得模具的刚度矩阵，获取所述的关键点的空间法向量的方法是模具坐标系下，根据待加工平面的曲面方程，建立其数学模型，根据实际情况在模具的待加工表面选取一系列控制点，通过编程软件获取模具坐标系CSM下制点的空间法向量，如附图1所示；通过有限元法获取所述的这些点的刚度矩阵的方法是在模具坐标系CSM下，建立被加工模具的三维模型，再进行有限元分析，根据所选的控制点，再在每一个点处依次施加6个方向的单位载荷，如附图2所示，即Fx，Fy，Fz，Mx，My，Mz，然后，通过有限元分析软件获得控制点在每个单位载荷下X，Y，Z，θx，θy，θz共6个方向的变形量，将其组成矩阵，该矩阵的列向量为分别在6个单位力和力矩下，在6个方向的变形，最后，根据外力与控制点位移之间的映射关系：S知，单位载荷作用下的该控制点在该方向的变形就是其柔度，因此，上述 矩阵就是柔度矩阵，再根据对该矩阵求逆，即可获得该点在模具坐标系下的刚度矩阵 ，同理对其他所有控制点进行分析，将控制点坐标以及控制点刚度矩阵保存为模具刚度数据库，另外，各分析点得到后，可以通过插值的方法得到临近点的刚度矩阵，以减少计算量。

实施例8：

根据实施例1或2或3或4或5或6或7所述的外覆盖件模具四轴加工系统综合刚度性能获取方法及应用，所述的四轴加工系统在综合刚度场分析方面所需要的参数进行测量方法是通过模态实验，所测量的内容包括机床拓扑结构和尺寸、关节刚度、横梁的刚度、刀具主轴结合部以及刀具本身的刚度等。

实施例9：

根据实施例1或2或3或4或5或6或7或8所述的外覆盖件模具四轴加工系统综合刚度性能获取方法及应用，所述的机床横梁刚度建立模型的目的是由于加工汽车外覆盖件的特殊性，在加工时大多采用龙门式四轴机床，其特征是X轴的行程即横梁长度较长，因此在加工过程的中横梁会有不同程度的变形，因此横梁的柔性特征对加工系统综合刚度场的影响不可忽视，方法是通过实验获得横梁的刚度矩阵 ，通过微分位移关系和受力传递关系将其变换至刀位点坐标系下，再根据雅克比矩阵将其变换到模具坐标系下：

式中， 表示横梁端点到刀位点的微分位移关系， 表示横梁与刀位点的受力传递关系， 为雅克比矩阵， 是坐标旋转变换矩阵，均与机床运动链模型相关。

实施例10：

根据实施例1或2或3或4或5或6或7或8或9所述的外覆盖件模具四轴加工系统综合刚度性能获取方法及应用，所述的机床关节刚度建立模型的方法是通过实验获得所述的四轴联动加工系统X，Y，Z，A轴的关节刚度，分别为，组成机床关节坐标系下机床关节刚度矩阵

根据刚度与柔度的变换关系，以及机床运动链模型，通过雅克比矩阵变换，得到模具坐标系下的机床关节刚度矩阵 ，，其中 为雅克比矩阵，它描述工件坐标系下刀位点与关节空间运动关节之间微分位移关系，与机床运动链模型相关。

实施例11：

根据实施例1或2或3或4或5或6或7或8或9或10所述的外覆盖件模具四轴加工系统综合刚度性能获取方法及应用，所述的刀具-主轴刚度建立模型的方法是刀具-主轴的变形可认为包含两部分：刀具-主轴结合部的变形和刀具的变形，对于刀具-主轴结合处的变形，认为可能存在、、和绕轴扭转四个方向的变形，即刀位点坐标系下结合部的柔度矩阵 ；对于刀具本身的变形，认为存在沿三个自由度平动和转矩作用下的变形耦合，通过经典刚度公式计算得到刀位点坐标系中刀具的柔度矩阵 ，综合考虑刀具－主轴结合部和刀具本身的变形在刀位点坐标系下的柔度矩阵： 再根据机床运动链模型和雅克比矩阵变换，获得模具坐标系下的刀具主轴刚度矩阵：

实施例12：

根据实施例1或2或3或4或5或6或7或8或9或10或11所述的外覆盖件模具四轴加工系统综合刚度性能获取方法及应用，所述的四轴加工系统运动链模型的建立是为了计算获得其旋转变换矩阵以及雅克比矩阵，依据多体小变形理论，通过雅克比矩阵、点传递矩阵、有限元等方法对四轴加工系统的综合刚度场进行建立模型；所述的四轴加工系统运动链建立模型的方法是，首先，根据实际模型建目标四轴机床的三维模型，如附图3所示，然后根据三维模型建立机床的运动链模型，该机床共有四个联动轴，分别记为X、Y、Z、A，其中X、Y、Z为移动轴，A为旋转轴，（X轴：刀架滑枕左右移动；Y轴：工作台前后移动；Z轴：刀架滑枕垂直移动；A轴：铣头绕X轴摆动），运动链关系：CSM→CSY→CSX→CSZ→CSA→CSD，其中模具坐标系CSM，X轴对应坐标系CSX，Y轴对应坐标系CSY，Z轴对应坐标系CSZ，A轴对应坐标系CSA，刀具坐标系CSD，分析机床从被加工模具到刀具整条运动链的运动变换关系，根据运动链模型计算所需的坐标变换矩阵和雅克比矩阵。

实施例13：

根据实施例1或2或3或4或5或6或7或8或9或10或11或12所述的外覆盖件模具四轴加工系统综合刚度性能获取方法及应用，所述的加工系统综合刚度矩阵计算方法是通过弹性小变形和虚位移原理，将模具刚度矩阵与加工系统运动关节、横梁、刀具主轴的刚度矩阵进行叠加，获得模具坐标系下加工工艺系统总刚度矩阵 ，该综合刚度矩阵 是6×6 阶刚度矩阵。

实施例14：

根据实施例1或2或3或4或5或6或7或8或9或10或11或12或13所述的外覆盖件模具四轴加工系统综合刚度性能获取方法及应用，所述的综合刚度场特性分析包括刀具位姿优化和切屑路径优化，所述的刀具位姿优化是在刀具与模具的相互作用时，受力对刀位点位移的贡献远大于力矩，因此将刚度矩阵K解耦得位移刚度矩阵，再假设；通过正定对称矩阵的其三个特征值λ1、λ2 、λ3，和特征向量绘制表征控制点的加工系统刚度性能的力椭球，其分别表征力椭球的半主轴长度和半主轴方向，如附图4所示，力椭球的最短轴λ (λ＝ min(λ1、λ2 、λ3)) 反映了加工系统在该控制点处的最小刚性，可作为刀具位姿的评价指标，通过调整刀具位姿使λ最大化以获得加工此控制点时的最佳刀具位姿；所述的切削路径优化是将模具的表面特征引入力椭球，计算获得模具表面控制点处的法向量 ，其切平面即切削平面，它经过力椭球的中心与力椭球相交，交线为一个椭圆，如附图5所示， 为该椭圆的短半轴， 为该椭圆的长半轴， 为沿加工曲面法向量方向的椭球半轴， 、、 均为控制点的刚度性能指标。在进刀方向未知的情况下， 和各项同性度 越大表示切削平面内刚度越大，有利于提高进给速度， 越大表示加工系统在法向的刚性好，加工变形小，可提高加工精度，在考虑切削路径时， 为沿切削路径方向的椭圆半轴，为了更直观的描述加工系统在加工具体模具时的综合刚度性能，根据编程软件计算每个所选控制点的 的长度，以颜色为变量，将 映射到模具待加工表面的所有控制点上，建立模具的综合刚度性能图，根据此刚度性能图，对刚度薄弱的地方进行切削路径优化，由于 值越大，控制点在切削路径方向的刚度性能就越好，因此在刚度薄弱的地方尽量使加工系统沿着 进刀。

实施例15：

根据实施例1或2或3或4或5或6或7或8或9或10或11或12或13或14所述的外覆盖件模具四轴加工系统综合刚度性能获取方法及应用，所述的四轴加工系统通过模态实验获得机床各部件（X轴Y轴Z轴A轴关节，横梁，刀具）的刚度矩阵，针对具体加工过程中的汽车外覆盖件模具而言，在模具待加工表面取任意控制一点，通过有限元法得到其柔度矩阵，仅A轴的转角发生变化，其余参数固定，对点P计算综合刚度矩阵，生成力椭球，再通过计算获得模具待加工平面在P点的法向量为(1.5,0.5,1)，以此法向量做该点在不同A轴转角时的切削平面，如附图7a、附图7b、附图7c所示，计算获得在A轴转角为0°、30°、60°时椭球的最短半轴分别为0.09，0.13，0.02，表示在该点处A轴转角为30°时加工系统整体刚度性能最好，再获得当A轴转角为30°时，点P的切削平面与椭球相交的椭圆二维图，如附图8所示，图中实线方向为椭圆截面的半长轴方向，表示此刀具位姿下沿此方向加工的刚度性能最好，经计算图中半长轴与y轴夹角约为14.9°，即当加工系统的A轴转角为30°，沿y轴夹角约为14.9°方向加工P点的综合刚度性能最好。

Claims

1.一种根据外覆盖件模具四轴加工系统综合刚度性能进行切削的方法，其特征是：首先对模具进行特性分析，其次对所述的四轴联动加工系统各部件刚度建立模型，再次对所述的四轴联动加工系统运动链建立模型，最后进行综合刚度场特性分析首先对控制点选取预设的刀具空间姿态，通过引入空间力椭球获得加工系统在所述的刀具空间位姿下的综合刚度性能，选取最优刀具姿态；再把模具的表面特性引入所述的力椭球中，得到整个模具的刚度性能图，最后通过刚度性能评价指标，得到最优切削路径，进行切削操作。

2.根据权利要求1所述的根据外覆盖件模具四轴加工系统综合刚度性能进行切削的方法，其特征是：所述的模具特性分析包括如下步骤：首先获取待加工平面法向量，然后通过有限元方法获得模具的刚度矩阵。

3.根据权利要求1或2所述的根据外覆盖件模具四轴加工系统综合刚度性能进行切削的方法，其特征是：所述的四轴联动加工系统各部件刚度模型的建立包括如下内容：所述的四轴联动加工系统的横梁刚度模型的建立、所述的四轴联动加工系统的关节刚度模型的建立、所述的四轴联动加工系统的刀具-主轴刚度模型的建立。

4.根据权利要求1或2或3所述的根据外覆盖件模具四轴加工系统综合刚度性能进行切削的方法，其特征是：根据所述的四轴联动加工系统各部件刚度模型的建立和所述的四轴联动加工系统运动链模型的建立，对系统的综合刚度场建立模型。