基于虚拟样机技术木材加工中心刀库的设计与研究

华中科技大学硕士学位论文基于虚拟样机技术木材加工中心刀库的设计与研究姓名：周辅林申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：黄禹;龚时华20090518摘要研制具有自主知识产权的高端木材加工中心对于促进国内木工机械行业发展具有重要的意义。刀库是木材加工中心的关键功能部件，其性能直接影响到加工中心能否高效地进行锯切、镂铣、刨削、钻孔等复合加工。为了研发高性能的刀库同时克服传统设计方式效率低、周期长、成本高等不足，本文采用虚拟样机技术进行刀库的设计、分析和结构优化。本文主要工作和内容如下：通过对比国内外刀库设计方案的优劣并结合木材加工中心刀库的功能需求，提出了基于刀库与主轴配合完成换刀动作的技术方案，在Pro/E平台上完成了刀库机械系统的结构设计、三维建模及装配。使用ADAMS平台建立了槽轮分度机构的多体动力学仿真模型，分析了该机构的动态特性，验证了槽轮机构分度精确，运动平稳，能够保证刀库准确快速地完成选刀动作。利用ANSYS平台建立了刀盘和机座的有限元仿真模型，分析了二者的静力学仿真结果，验证了机座的刚度、强度符合设计要求，优化了刚度不够的刀盘结构；并分析了二者的模态响应，验证了二者符合固有频率值错开的要求，使刀库系统的抗振性满足设计需求。测试了基于虚拟样机技术研制成的刀库物理样机，各项性能指标均达到设计要求，验证了基于虚拟样机技术进行产品研发的实用价值。关键词：刀库虚拟样机技术多体动力学分析有限元分析测试IAbstractDevelopinghigh-endwoodmachiningcenterwithindependentintellectualpropertyrightsisgreatimportanttopromotethedevelopmentofdomesticwoodworkingmachineryindustry.AutomaticToolChanger(ATC)thatitsperformancedirectlyaffectshighefficientcombinedmachiningisankeycomponentofthewoodmachiningcenter.VirtualPrototypingTechnology(VPT)isusedtoimprovethedesignqualityofATCandshortenthedevelopmentcycle.Themajorachievementsarelistedasfollowing:ThetechnicalschemebasedonthespindelwithATCtogethertocompletetoolchangingmotionwaspresentedbycomparingtheadvantagesanddisadvantagesofplansofATCathomeandabroad.ThenthemechanicalsystemofATCwasdesigned,modeledandassembledinPro/Eplatform.Thesimulationmodelofmulti-bodydynamicsofthegenevaindexingmechanismwasbuiltandthesimulationresultwasanalyzedinADAMSplatform.Itwasverifiedthatthegenevaindexingmechanismcanmeettherequriementsofrapidandreliabletoolchanging.ThesimulationmodeloffiniteelementofcutterdiskandframewasbuiltandthesimulationresultsofstaticanalysisandmodalanalysiswereanalyzedinANSYSplatform.Itwereverifiedthatthestrengthandstiffnessofframemetthedesignrequriementandthatthestiffnessofcutterdiskcann’tmeetthedesigngoal.Thestructureofcutterdiskwasoptimizedtoenhanceitsstiffness.Itwasalsovalidatedthatitsnaturalfrequencywerestaggeredtoimprovetheanti-vibrationofATC.ThephysicalprototypeofATCwhichwasmanufacturedonbasisofvirtualprototypingwastestedanditsperformanceindicatorsmetthedesignrequirements.ThepracticalvalueofproductresearchbasedonVPTwasproved.Keywords：ATC,VirtualPrototypingTechnology,Multi_bodyDynamicAnalysis,FiniteElementAnalysis,TestingII独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。不保密□。本论文属于（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日1绪论1.1论文背景本课题来源：教育部广东省产学研结合项目”高速木材复合加工中心”（项目编号：2006D90301004）。目前我国有1200多家木工机械生产企业，具有一定规模的有80多家，主要集中在顺德、青岛、哈尔滨和上海4个地区，全国年产木工机械达80万台以上，产值达40亿元人民币。与其它制造行业类似，我国是名副其实的木工机械生产大国，但并非强国。产品生产数量虽多但价值过小，平均每台售价为5000元，而进口木工机械平均每台售价达10万元，差距悬殊[1]。主要原因是企业所生产的木工机械多为中低端传统产品，功能单一，如普通带锯机、木工刨床、木工铣床等，缺乏技术含金量，产品附加值低。具有高附加值的高端数控木工机械被德国、意大利、美国、日本等国所垄断，我国高档木工机械设备基本上仍靠进口。因此研制具有自主知识产权的高端木工加工中心是行业发展的需要，也顺应十六大提出的“装备制造业振兴”强国战略。从国内外木工机械的发展来看，木工机械是朝着高效、高精、数字化、较高生产柔性和无公害方向发展。具体到一些单元技术上，有以下几个趋势：（1）控制系统从采用较简单的PLC控制或较低档的数控系统向高档数控系统及智能化控制软件方向发展；（2）高速加工以及多种加工功能的复合使木材加工中心的效率越来越高；（3）先进的金属切削加工中心技术在木材加工中心方面的应用和转移；（4）木材加工中心大型化越来越明显，并使用多工作台。目前，国际上主流的木工机械生产企业有：德国IMAKlessmannGmbH、意大利BIESSE、SCM、美国KomoMachine，这些一流厂商生产的代表性产品特征是：采用高性能的数控系统；加工速度快，主轴转速高达20000rpm以上；带刀库，刀库容量多达30把，具备快速自动换刀功能；工件装夹采用真空吸盘；不仅复合了锯切、镂铣、钻孔（包括多头垂直或水平钻孔）、开榫等多种功能，还可自动完成直线或曲线封边[1]。国内有名的厂商有：上海跃通木工机械设备有限公司、青岛大荣公司、东莞南兴木工机械公司等，所开发的产品初步具备数控锯切、镂铣或钻孔等功能，但在高速、高精及复合化方面与国外主流产商有较大差距。本课题的实施对发展自主知识产权的木工机械具有重要的意义。11.2木材加工中心刀库简介木材加工中心是带有刀库、能自动换刀，对木材进行多工序加工的数字控制机床[2]。刀库作为木材加工中心重要组成部分，可以保障木材在一次装夹内完成锯切、镂铣、钻孔等多道工序，是木材加工中心区别于传统木工机械的标志之一。刀库可以狭义的定义为：用来提供刀具储存位置，按照程序指令完成正确的选刀动作并定位，为刀具交换做准备的装置；也可以广义的定义为自动换刀装置ATC（AutomaticToolChanger）：一种能根据机床控制单元发出的指令从刀库中选择和更换刀具的装置[2]。1958年世界第一台加工中心在美国问世，刀库作为其附件亦展现在世人的眼前。早期刀库是由机床厂商自己设计生产，后来应专业化生产需要出现了专业刀库厂家，如大名鼎鼎的德国KTC、日本Sankyo。刀库经历了由简单到复杂的发展过程，先后出现了自动回转刀架、转塔式换刀架、带刀库的自动换刀系统（分有机械手和无机械手）。作为存储刀具的刀库形式有：刀架（塔）式、斗笠式无机械手刀库、圆盘式带机械手刀库、链式带机械手刀库等[2]。如图1.1示。a刀塔式b斗笠式c圆盘式d链式图1.1刀库形式为适应木材加工中心发展要求，目前国内外刀库发展的趋势亦是高效、高精化，具体内容如下：1）开发更高效率且定位精确的选刀系统；2）发展能装载多种不同型式刀具的刀库；3）轻量化、低成本化；4）发展大容量的刀库；5）发展能装载超重刀具的刀库。本课题研究的木材加工中心刀库的要求是：能装载异型刀具、快速换刀、轻量化、高刚性、低成本。综合上述四种刀库形式，本设计研究选择斗笠式无机械手刀库，该类型刀库简单实用，可靠性高，能够满足木材加工中心快速平稳的换刀要求。21.3虚拟样机技术概况虚拟样机技术是伴随多体动力学而生的，狭义地虚拟样机技术就是指多体动力学分析；广义地虚拟样机技术是将建模技术、仿真技术和可视化技术相结合的数字化研发工具，可以为产品研发生命周期的不同阶段提供分析、预测[3]。目前还没有虚拟样机的统一定义，但广为人知的一个定义是RobertR.Ryan博士对虚拟样机技术的界定。Ryan博士认为虚拟样机技术是基于仿真分析基础上的、应用于系统级层面设计的技术，它包含数字化物理样机、功能虚拟样机和虚拟工厂仿真三个方面内容[3]。数字化物理样机对应于产品的装配过程，用于快速评估产品的三维实体模型装配体的形态特性和装配性能，功能上可以归类于CAD模块；功能虚拟样机对应于产品性能分析过程，用于评价装配体整体上的功能，其中主要包含多体动力学分析和有限元分析两种技术，功能上可以归类于CAE模块；虚拟工厂对应于产品制造过程，用于评价产品的制造性能，功能上可以归类于CAM模块；这三者在产品数据管理（PDM）或产品生命周期管理（PLM）系统的基础上实现集成，形成完整的虚拟样机设计体系[4]。虚拟样机技术发展顺应社会生产的需求，为企业解决“绿色生产”难题（即生产中一方面满足尽量少的环境污染、昀低的产品成本、昀快的上市时间等要求，另一方面提供昀好的产品质量和良好的产品服务）提供了机遇。著名的案例有：1990年美国波音公司利用虚拟样机技术研制波音777飞机；1997年美国航空航天局（NASA）利用虚拟样机技术研制火星探测器探路号。上述实践证明，在产品的研发过程应用虚拟样机技术可以显著地缩短研发周期，降低成本，改进设计质量，提高面向客户与市场需求的能力，能有效地提升企业的研发实力。虚拟样机可以通过六个步骤来实现：创建模型、测试模型、验证模型、完善模型、优化设计和用户化设计[5][6]。各步骤内容如下：1、创建模型：零件三维实体造型