梁辰 凸轮式自动换刀装置的刚柔耦合动力学研究

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1、凸轮式自动换刀装置的刚柔耦合动力学研究一直以来，加工制造水平一直受到装备制造业的基础——数控机床的影响，高档数控机床所掌握的装备制造业核心技术，直接体现了一个国家的工业发展水平与综合国力。自动换刀装置作为高速加工中心的核心部件之一，其主要功能在于可以使加工过程中的非切削时间缩短，并且可以避免对于工件的多次装夹从而减少误差，从而使得生产效率提高、生产成本减少，进而可以将数控机床乃至整个生产线的生产速度加快，运动可靠，。由于机械手的运动可以通过从动件的运动规律来精确控制，并且在拥有优良的动力学性能的同时体积还很小的优势，凸轮式

2、自动换刀逐渐成为主流。目前，国内主要机床制造厂商和其他研究单位主要是通过消化吸收国外技术的方法开发自动换刀机械手，并没有从设计理论和制造技术方面形成系统的研究，因此，所开发的产品与国外的产品相比较而言换刀速度更慢，换刀精度更低，冲击振动更大，噪声更明显，在工作稳定性及换刀可靠性方面都与国外有较大差距。由于这些差距的存在，在大部分国产高档数控机床中采用的还是从外国进口的自动换刀装置。因此，对自动换刀装置展开相应的研究，有利于提高国产数控机床质量及加工性能，促进延伸机床产业链，带动民族工业的振兴。本文在前人的基础上对双弧面凸轮

3、自动换刀装置进行结构设计、三维建模、加工研究、刚柔耦合动力学仿真分析。1.1国内外相关研究动态1.2.1自动换刀装置发展与研究现状目前，德国、日本、韩国、奥地利、生产的HCH加工中心是如今已知的切削对切削换刀速度最快的加工中心。德国CHIRON公司生产的FZ08S和FZ08W加工中心采取机械手换刀的方式，，切削对切削换刀时间仅为1.5秒。德国Burkardt和WeberGmbH公司生产的STAMAMC2014、MC325、MC325-TW加工中心，采用的是一种转塔刀库，其切削对切削换刀时间为2秒。从上世纪80年代起，北京机

4、床研究所、大连组合机床研究所、沈阳机床、大连机床、济南第一机床厂、青海机床厂等先后开始研究与开发自己的自动换刀装置。目前，中国正在逐步成为全球的制造业中心，这就要求我国必须将企业的自动化生产程度提高，在生产线上普及精密制造装备，这样才能稳步快速的推进我国的加工制造业前进的步伐。机械手由于具有制造成本低，生产产品效率高等优点，被广泛用于各种现代化加工机床中。时至今日，我国生产自动换刀机械手的技术水平仍然不高，所以为了加工质量及可靠性，许多国产机床所采用的自动换刀机械手仍旧依靠进口，其中大部分来自台湾地区。近几十年来，台湾的机

5、床行业以非常高的速度发展，将很大的精力投入到了机床功能部件方面的研发中去。即使从全球的角度了来看，在台湾已然形成了凸轮式4凸轮式自动换刀装置的刚柔耦合动力学研究自动换刀装置及其刀库的规模化专业规范化生产，而且在中国大陆也相当大的比例的市场份额，同时，在欧美市场也具有一定的竞争力。1.2.1系统多体动力学分析与仿真机械系统通常是指由若干个物体为了达到某些特定的动作通过运动副连接所组成的系统，一般会有一个或多个外部的力或力矩对系统内部的物体产生作用，如施加驱动或者约束。复杂机械系统通常都具有涉及多个学科门类、包含数量众多的机械

6、零件、零件的结构形状复杂多变以及所涉及的该系统复杂多样的功能原理等特点。机械系统动力学则主要分析研究的是机械系统的位移、速度、加速度与其所受的力或者力矩之间的变化关系,将多刚体系统或多柔体系统通过一定的约束相连接从而构成复杂的机械系统，并对其进行多维度、随时间变化并且高度非线性的复杂动力学求解，从而达到可以较为准确地预测在某些特定的外载荷激励作用下系统中被研究对象的动态响应的目的。由于可以完成高精度的建模，在复杂机械产品系统的设计中，多体动力学仿真已经被大范围使用，在实际应用中，多体动力学仿真可以完成模拟系统的工作过程、对

7、机构进行运动的干涉分析和装配的干涉分析、预测机构性能等工作。牛顿-欧拉方法中的分离体法是先根据牛顿第三定律将机构中所有构件所承受的力或力矩确定下来，然后再根据需要对方程进行求解即可。与牛顿-欧拉方法不同，拉格朗日方法描述系统构成是通过广义坐标来实现的，通过构件拉格朗日函数来构件系统的运动方程。1.2.2数字化样机技术简介传统的产品开发过程其实就是一个循环往复的过程，在这个循环往复的过程中不仅将大量的时间和金钱投入进去，而且还很难提高产品质量，如图1-1a）所示。数字化样机技术（DigitalPrototypeTechnol

8、ogy）是一项将物理样机在计算机环境中模拟出来的技术，该技术在一个清晰直观的计算机环境中通过等技术手段将产品资料集成到一起，进而可以完成产品的设计、仿真及分析研究。现如今，结合实际的工作状况，在计算机技术的帮助下可以对机器的真实运动情况进行模拟，进而可以设计零件的结构，将系统暴露的缺陷加以改进，最终做出