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1、9.代表性成果重型多轴数控机床动力学特性分析与大型复杂曲面零件自适应加工代表性研究成果名称基础类或应用基础类或基础性类是否保密重型多轴数控机床动力学特性分析与大型复杂曲面零件自适应加工应用基础类是主要内容：随着能源、运载、国防等领域的快速发展，我国对制造大型、薄壁、复杂曲面零件的重型数控机床的需求越来越迫切，而此时，机床的动力学特性已成为影响重型数控机床性能指标和大型复杂曲面零件加工质量的关键因素。本研究针对重型多轴数控机床的动力学建模与特性分析、大型复杂曲面零件动态工况自适应加工等的基础科学问题展开，主要研究成果如下：1、数控装备动态力热特性机理分析数字建模与仿真：将影响固定结合部动力学特性
2、的因素分为可值化属性和不可值化属性，基于可值化属性，推导了考虑压力不均匀性和自由度耦合作用的结合部有限单元模型，制定了模型参数快速辨识实验方法；在MSC.NASTRAN软件上自主开发了实验模型和理论模型相结合的动力学建模功能模块，建立了七轴五连动车铣复合加工机床的有限元模型，并进行了模态分析；建立了滚珠丝杠热弹性效应的理论模型，分析了热源作用下的热动态响应，提出了热动态特性辨识方法。2、数控装备动态特性的参数辨识与性能演化规律：提出采用禁忌特征选择算法从时域、频域、小波、分形与混沌等特征参数中构建最优特征集的方法；提出基于改进的Morlet小波变换的模态参数辩识方法，提高了中高频且频率间隔较小
3、的机械系统的时域分辨率；针对重型机床，提出了利用运动部件的可控性激起机床结构振动的“自激励”激振方法以及基于响应信号的结构模态参数提取方法。3、基于数控装备动态特性的智能控制：分析了传动部件结构变形动力学行为对控制的影响，提出了基于陷波滤波补偿的宽带控制方法；提出了基于切削扭矩实时测量的自适应加工控制策略，开发了自适应加工控制器，并在水轮机叶片及大型船用螺旋桨的长时间动态工况条件下进行了实验验证。4、基于多轴数控机床动态特性的加工规划与控制：从建立多轴机床刀具加工系统刚度模型出发，提出了有效工作空间中的综合刚度评价指标，建立了基于面向任务物理约束的刀具位姿求解模型；建立了插补的几何及物理混合约
4、束条件，实现基于动力学特性的高速高精前瞻插补算法；推导了运动轨迹空间轮廓误差的几何模型，建立了基于神经网络的轮廓补偿控制策略。5、在基础研究的基础上，针对重型七轴五联动车铣复合机床（图7所示），建立了整体动力学模型，预测到了结合部结构的两个较低阶的模态（图8所示）；研究开发了具有大型复杂曲面零件在线测量功能的七轴五联动车铣复合加工数控系统（图9所示）；构建了基于上下位机的动态工况自适应加工控制系统（图10所示）；开发了基于“数控机床专用软件测头”结构的大型复杂曲面在线测量与质量评估系统（图11所示）；提出了螺旋桨的快速建模方法，开发了大型舰船用螺旋桨加工轨迹优化技术，研究了螺旋桨五坐标数控加工
5、中的全局干涉问题，实现了大型舰船用螺旋桨的多轴数控加工（图12所示）。 图7 七轴五联动车铣复合机床 图8 机床的一阶振型，横梁前后摆动 图9 动态工况下的自适用加工控制器 图10 七轴五联动车铣复合数控系统界面图11大型船用螺旋桨在线测量现场 图12大型船用螺旋桨多轴加工现场科学创新：1、提出的基于结合部有限单元参数化动力学模型的实验模型和理论模型相结合重型机床动力学建模方法可以大大提高重型机床的动力学建模精度，为重型机床结合部的优化设计与特性分析提供理论依据和技术手段，并且可以为重型机床的智能控制提供精确的动力学模型与参数快速辨识方法。2、提出的基于多轴数控机床刚度特性综合评价指标及面向任
6、务的大型复杂曲面多轴加工优化方法和基于切削扭矩的自适应加工控制器，可以大大提高大型复杂曲面动态工况下的加工效率，实现基于几何及物理的加工优化，为大型复杂曲面的高效、高精加工提供理论依据和技术手段。3、开发出的基于“数控机床专用软件测头”结构的大型复杂曲面在线测量与质量评估系统，功能完备，操作简单，提高了叶片类零件加工测量和质量评估的效率和精度。总之，通过本研究，将为我国重型机床的研制、大型复杂曲面的多轴数控加工提供一些具有自主知识产权的核心理论与关键技术，提高我国相关行业的国际竞争力。国内外影响的主要证据：本项成果在与武汉重型机床集团有限公司联合开发的重型七轴五联动车铣复合加工机床上得到了应用
7、，并且成功地在镇江船舶螺旋桨厂直径达6米的船用螺旋桨样件上实现了加工；这是我国第一台具有自主知识产权的重型车铣复合加工机床，具有车铣复合功能的七轴五联动数控系统及相关控制技术，满足我国海军舰艇装备关键零件的加工需求，打破西方发达国家的限制和封锁，同时也填补我国重型车铣复合加工机床研制的空白，为我国的船舶工业及其他相关行业关键的加工提供先进的具有自主知识产权的国产装备，为全面提高我国制造业的制造水平和国际竞争力做出贡献。还与桂林机床厂合作开发了大型龙门式五坐标数控铣床，该机床是我国第一台全国产、成功落户国防企业的大型数控装备，此事在中央电视台2006年4月23日新闻联播的自主创新节目中得到了重点
8、报道，同时该装备在2005年上海国际工业博览会上获得了&a车铣复合中心加工精密医疗零件大有可为作者：徐正平作为工作母机的机床工业，是一切制造业的基础，随着社会进步与技术的不断创新，数控机床在医疗领域的运用也日渐宽广。近一段时间来，多轴联动的车铣复合中心机床在精密医疗器材制造领域的表现可圈可点，便是一个明证。 目前，多轴联动数控机床加工的精密医疗器材零件，主要是骨科植入件（椎弓钩、骨钢板、骨螺钉、髋臼球等）与齿科植入件（种植体基台、义齿模型等），当然还有心脏起博器零件、血液透析器零件等等。 这些零件特点是形状复杂、材料坚韧，而棒料车铣复合加工中心正是加工此类零件的理想工艺装备。其关键则在於，机床
9、经两次装夹後可对小型精密零件进行第六面加工。在这一领域，研究得较为深入的是瑞士、德囯和日本等囯的一些机床制造企业。 精密医疗器材加工的独特之处 为什麽说车铣复合中心是这些零件的理想工艺装备呢？回答这个问题之前，首先要了解精密医疗零件的特点所在。 首先，这类精密的小零件大多是小批量、多品种加工，取材一般为棒材，故自动送料的棒料数控车床乃是首选的工装对象，而且最好有正、副两根主轴因为正主轴尚需将未加工完毕的零件送到副主轴继续加工。 其次，由於零件均是形状不规则的异形件，仅仅靠回转车削加工是不够的，所以还得多工序换刀予以铣削，故而铣头能作B轴转摆的立式加工中心成了数控车床的工艺补充。 最後，由於要全
10、自动完成零件加工，俗称是六面加工，那麽零件的第二次装夹也就自然而然地成了加工的关键所在。 车铣复合中心：胜任棒材零件的多工序自动加工 制造商所研发的产品争奇斗艳，设计各有巧妙，下面举些车铣复合中心的实例，来剖析这类机床的奥妙所在。 瑞士宝美技术（BUMOTEC）公司研发的S-191Linear车、铣、插、磨复合中心就是典型的加工棒料六面体零件的高效机床。其为7轴5联动，布局为紧凑型斜床身结构，床身材料采用整体高强度抗振铸铁。 图1 瑞士宝美技术（BUMOTEC）公司研发的S-191Linear车、铣、插、磨复合中心鉴於医疗器械零件的材质坚硬，故而机床刚性一定要强，正是考虑到这些关键要素，瑞士宝
11、美公司采用有限元设计，并多次进行整机强度校验，令机床在加工中游刃有余。卧式安置的两根车床主轴相对装於床身的正面，左面是固定的正主轴，右侧为副主轴，它可沿45斜面进行立卧转换，并可绕X轴进行A向回转，同时又可作W轴的左右移动。棒料由正主轴通孔自动送入，机床就对棒料露出的端部作车、铣加工。由於机床的两根主轴可同步旋转，故零件加工中棒料可自动从正主轴送入副主轴，随後切断一分为二。副主轴是六面加工的关键装置，它接过正主轴传来的零件，即可从水平位置转90至垂直向上位置，让铣主轴加工露出的零件端部。垂直设置的铣头主轴由於可绕B轴回转90，同时铣头的主轴箱本身能作上下、前後、左右运动。因此，它既可铣削正主轴
12、装夹零件所露出的零件右端部位，又可铣削副主轴所装夹後露出的左端部位，鉴於上述功能，机床的两根车削主轴经二次装夹後，可对零件作六面加工。另一家瑞士企业威力铭-马科黛尔（Wellimin-Macodal）公司，也是一家专业生产多轴联动加工中心的制造商，其推出的W508MT铣车复合加工中心，同样能看成是棒材零件多工序自动加工的一个典范。W508MT是一台斜楔式床身型车铣复合加工中心，为立柱能沿Y向前後运动的动柱式立加，然而铣头可作B轴摆动，整个立柱与下方滑台作纵向X运动，由右端伺服电机驱动；左端是车削的正主轴，棒料通过正主轴通孔由液压棒料输送装置送到指定位置，夹紧後对零件前端进行五轴铣车加工，随後的
13、加工就由位於机床前方的背主轴装置完成了。 图2 W508MT的实物加工图这个背主轴装置是威力铭-马科黛尔公司的专利发明，它是个可绕Y轴回转的多功能塔座，由三部分组成。中间是车削副主轴，左边是自动定心虎钳，右边则是尾架。副主轴的功能是接正主轴传来的棒料後将其夹紧；液压自定心虎钳将对工件作第六面加工；当加工细长轴零件时，由尾架顶进工件右端，以防挠曲变形。这种三工位塔座使得机床工艺适应范围更广，同时也增强了其整体刚性。这个塔座还具备U轴功能，纵向正常工作进给由X轴完成，但塔座的定位、接料、退位等就由U轴完成。这是一种快速、稳定的进给新方式，旨在提高零件的加工精度。W508MT还带有一个螺纹旋削加工装
14、置，可安装在铣主轴锥面上，就像滚齿机那般加工。值得一提的还有，这款复合加工中心的盘式刀库也颇具特色，它不同於普通立加的斗笠式刀库，而是分上、下两层，能装48把刀。展望人类总是不断在发展与前进，医疗器械当然同样如此。记得20多年前，二军大长征医院赵定麟教授曾请我画过一个连接脊椎的记忆金属片，而今此物已被椎弓钩取代，其强度也不知扩大了多少倍，手术亦相当简单安全，这就是技术进步造福人类的一个例子。还需指出的是，以往骨科、齿科植入件，是富人的专利。然而病痛是不分穷富的，因此对中国这个发展中的人口大国来说，此类精密零件的需求非常大，故多轴联动车铣复合加工中心的市场面应该很广，它的进一步普及应用势必给人类健康带来福音。据统计，在过去几年中，中国骨科设备市场经历了迅速增长，增幅高达1416。其中，膝关节植入占据整个骨科设备市场份额的50，位列第一；而外伤及髋关节手术设备则平分另外半壁江山。目前，中国骨科设备市场的赠书趋於平缓，但据估测，仍将保持8左右的增速。(end)
