非正交45°斜摆头五轴数控机床结构分析与后置处理技术研究

摘要

随着加工对象的多样化、复杂化，立、卧式加工中心的一些弱点表现得越来越明显。近年来考虑到机床结构和便于排屑等因素，国际上出现了一些具有立卧转换、加工空间大、五轴联动、五面加工、可完成全自由度加工并且具有加工中心功能的非正交五轴联动数控机床，其应用越来越广泛，而且这类机床也是数控机床发展的必然趋势。为提高机械加工能力、加工效率和加工精度，国内企业已开始从国外引进或自行设计非正交五轴联动数控机床。
　　本论文主要研究对象是陕西秦川机床工具集团有限公司与西安理工大学机械自动化研究所联合研发的非正交45°斜摆头五轴数控机床，主要研究了虚拟建模和整机装配、刚体动力学仿真、刚柔耦合多体动力学仿真、有限元静力分析、后置处理算法及后置处理器的开发。
　　首先，采用三维建模软件UG对机床各个零部件进行虚拟建模和整机装配，在进行机床干涉检查后，把虚拟整机模型导入到机械动力学仿真软件ADAMS中，建立刚体动力学模型。使用ADAMS对机床进行刚体动力学仿真分析，得到床身导轨和Y轴滑台相连接的滑块处力和力矩曲线，结合床身、立柱和X轴滑台等部件承受力和力矩的实际情况，找出需要柔性化的零部件X轴滑台和Y轴滑台。
　　其次，使用大型有限元分析软件ANSYS对零件X轴滑台和Y轴滑台进行柔性化处理，并把柔性化零件导入到ADAMS中，建立刚柔耦合多体动力学模型。使用ADAMS对机床进行刚柔耦合多体动力学仿真，得出关键零部件的力和力矩曲线，并提取出最大力和力矩值;然后使用关键零部件承受最大载荷的位置处力和力矩值作为ANSYS对关键零部件进行静力分析的边界条件，得出位移和应力云图，并提取出位移和应力值。通过对关键零部件的材料强度、抵抗破坏能力分析，并与静力分析所提取出的位移和应力值比较，可以看出只有床身不符合设计要求，因此需要对床身进行结构优化，设计床身薄弱部位可行的结构修改方案，进行再设计和再仿真，提高床身抵抗破坏的能力，从而实现机床的静态设计。
　　最后，为提高加工效率、充分发挥五轴联动机床的功能，在分析了非正交45°斜摆头五轴数控机床空间结构特点的基础上，详细推导了其实现五坐标联动的后置处理算法，并在算法的推导过程中综合考虑了抑制转角突变导致的干涉问题。基于该后置处理算法，采用基于UG/Post Builder开发了相应的后置处理器，实现了该机床的自动化编程。通过加工仿真软件VERICUT模拟加工门把手零件，验证后置处理算法的正确性及开发的后置处理器的有效性，证明了本文设计的方法是可行的。