基于ADAMS的機(jī)床高速主軸虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究*

尹 洋 殷國(guó)富

(①西華大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，四川成都610039;②四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610065)

隨著精密、超精密加工技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)是建立數(shù)字化虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境，將三維CAD、虛擬產(chǎn)品建模、數(shù)學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、可視化有限元分析相結(jié)合的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)合起來，構(gòu)建一種快速設(shè)計(jì)的數(shù)字化環(huán)境平臺(tái)。數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)是基于產(chǎn)品描述的數(shù)字化平臺(tái)，建立基于計(jì)算機(jī)的數(shù)字化產(chǎn)品模型，并在產(chǎn)品開發(fā)全過程中采用，達(dá)到減少或避免使用實(shí)體模型的一種產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)。因此開發(fā)高速主軸數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)成為許多機(jī)床廠的迫切需要。

本文以機(jī)床高速主軸系統(tǒng)的共性為出發(fā)點(diǎn)，開展較為系統(tǒng)的、全面的虛擬設(shè)計(jì)，進(jìn)行了基于ADAMS動(dòng)態(tài)仿真研究，在此基礎(chǔ)上建立起適應(yīng)企業(yè)需要的機(jī)床產(chǎn)品與功能部件開發(fā)應(yīng)用虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)的一種技術(shù)信息平臺(tái)，促進(jìn)企業(yè)對(duì)高速主軸系統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)。

1 系統(tǒng)構(gòu)建與主要功能模塊

該系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮哪K化設(shè)計(jì)思想，開發(fā)了高速主軸計(jì)算校核模塊、三維實(shí)體模型生成模塊、虛擬裝配模塊、有限元分析模塊、優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊和三維仿真模塊，模塊之間相互關(guān)系如圖1所示。首先用戶通過用戶界面進(jìn)入高速主軸計(jì)算校核模塊進(jìn)行交互性設(shè)計(jì)，完成后進(jìn)入三維實(shí)體模型生成模塊，生成主軸及主軸尺寸可變零件的三維圖形，然后進(jìn)入虛擬裝配模塊，再調(diào)入主軸組件尺寸不變零件三維圖形進(jìn)行虛擬裝配，并檢查是否干涉。再由高速主軸計(jì)算校核模塊進(jìn)入有限元分析模塊，進(jìn)行主軸組件的靜、動(dòng)態(tài)特性分析，接著進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后將有限元分析模塊中生成的主軸柔性體(MNF文件)導(dǎo)入ADAMS中，自動(dòng)建模并仿真。此過程是一個(gè)反復(fù)的過程，直到最后滿足用戶需要。

1.1 高速主軸設(shè)計(jì)計(jì)算模塊

高速主軸計(jì)算校核部分是該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的核心。主軸數(shù)字化設(shè)計(jì)主要計(jì)算校核都是在該模塊中完成的，該模塊生成的數(shù)據(jù)存入該系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，以備其它模塊調(diào)用。

其程序設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。其中主軸最小軸直徑d可由電動(dòng)機(jī)功率或切削三要素確定。對(duì)于空心軸，d孔/d一般取值為0.5 ～0.7。

1.2 零件三維實(shí)體生成和虛擬裝配模塊

以SolidEdge三維軟件為平臺(tái)，通過二次開發(fā)調(diào)用高速主軸計(jì)算校核模塊生成的主軸零部件數(shù)據(jù)，生成三維實(shí)體圖形，再調(diào)用已經(jīng)建成的主軸組件中的尺寸不變零件庫中的零件進(jìn)行虛擬裝配，并檢查是否發(fā)生干涉。具體流程如圖3所示。

啟動(dòng)裝配應(yīng)用環(huán)境語句如下:

Dim objApp as SolidEdgeFramework.Application

Dim objDoc as SolidEdgeEdgeAssembly.AssemblyDocument

On Error Resume Next

Set objApp=GetObject(，＂SolidEdge.Application＂)

If Err Then

Err.Clear

Set objApp=CreateObject(＂SolidEdge.Application＂)

Set objDoc=objApp.Documents.Add(＂SolidEdge.Assembly Document＂)

objApp.Visible=True

Else

Set objDoc=objApp.ActiveDocument

End if

Call objApp.Activate

End Sub

其中加入零件用下面語句:加入第一個(gè)零件

Set objfirstpart=objdoc.Occurrences.AddByFilename(file1)

加入第二個(gè)零件

Set objsecondpart=objdoc.Occurrences.AddByFilename(file2)

裝配對(duì)象關(guān)系集合包括六種關(guān)系:

AngularRelation3d，AxialRelation3d，GroundRelation3d，PlanarRelation3d，PointRelation3d，TangentRelation3d.

基于當(dāng)前各國(guó)的碳減排政策推算,截至21世紀(jì)末,全球氣溫相對(duì)工業(yè)前水平或?qū)⑸?.5 ℃,在此情況下,海洋熱浪出現(xiàn)的平均概率將達(dá)到工業(yè)前水平的41倍。平均而言,熱浪的空間幅度將增加21倍,持續(xù)時(shí)間將達(dá)112 d,最大強(qiáng)度將增至2.5 ℃。不過,研究人員仍指出,如果21世紀(jì)末的全球升溫能控制在1.5 ℃或2 ℃以內(nèi),這些增幅會(huì)相應(yīng)減少——在升溫為1.5 ℃的情景下,海洋熱浪的出現(xiàn)概率僅為3.5 ℃情景下的40%。

2 系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 二次開發(fā)技術(shù)方法研究

為了進(jìn)行系統(tǒng)集成，要對(duì) SolidEdge、ANSYS、ADAMS分別進(jìn)行二次開發(fā)。

對(duì)SolidEdge二次開發(fā)使用的語言是VB，Solid-Edge的開發(fā)接口是通過ActiveX Automation方式來支持通用開發(fā)工具。Automation技術(shù)提供了一個(gè)從應(yīng)用程序外部控制應(yīng)用程序?qū)ο蟮木幊探缑?，其中?yīng)用程序暴露出的對(duì)象稱為自動(dòng)化對(duì)象，外部程序通過使用這些對(duì)象的屬性、方法，就可以達(dá)到控制該應(yīng)用程序的目的。

用戶應(yīng)用程序和SolidEdge以Client/Server方式工作，其關(guān)系如圖4所示。

利用VB來實(shí)現(xiàn)ActiveX Automation開發(fā)的關(guān)鍵是創(chuàng)建SolidEdge.Application對(duì)象的指針，進(jìn)行創(chuàng)建SolidEdge的文檔模板對(duì)象，以實(shí)現(xiàn)對(duì)Solid Edge中其它對(duì)象的訪問，完成與SolidEdge的通訊。

在VB中創(chuàng)建SolidEdge對(duì)象，需要引用以下SolidEdge Object Library。還需引用SolidEdge Support Library，SolidEdge Constants Type Library，SolidEdge Framework Support Library，SolidEdge Geometry ＆ Topology Type Library，SolidEdge Part Type Library，SolidEdge Assembly Type Library等類型庫。

CAE部分使用的軟件是ANSYS，而對(duì)其進(jìn)行二次開發(fā)使用的語言是APDL。利用前面CAD所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，使用 APDL語言生成幾個(gè)所需要的宏文件(如JINGTAIFENXI.MAC，MOTAIFENXI.MAC，XIEXIANGYINGFENXI.MAC等)。然后對(duì)在ANSYS某系統(tǒng)文件中加入以下代碼:

/presearch，d:項(xiàng)目ANSYS

*ABBR，MOTAIFENXI，MOTAIFENXI

*ABBR，XIEXIANGYINGFENXI，XIEXIANGYINGFENXI

*ABBR，YOUHUASHEJI，YOUHUASHEJI

再次通過軟件來打開 ANSYS時(shí)，“JINGTAIFENX”、 “ MOTAIFENXI”、 “ XIEXIANGYINGFENXI”、“YOUHUASHEJI”這幾個(gè)按鈕就會(huì)出現(xiàn)在ANSYS界面上，而且會(huì)被“固化”，同時(shí)這幾個(gè)按鈕分別對(duì)應(yīng)軟件前面部分所生成的宏文件。圖5為在ANSYS中開發(fā)的界面。這樣有限元分析實(shí)現(xiàn)了與設(shè)計(jì)部分的連接和集成。

要進(jìn)行主軸的有限元靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析以及優(yōu)化設(shè)計(jì)等工作，即分別單擊 JINGTAIFENXI、MOTAIFEIXI、XIEXIANGYINGFENXI 以及SHENGCHENGMNF等幾個(gè)按鈕，以完成相應(yīng)功能。

2.2 基于ADAMS軟件系統(tǒng)的三維運(yùn)動(dòng)仿真

動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)使用的軟件是ADAMS。ADAMS一方面是虛擬樣機(jī)分析應(yīng)用軟件，用戶運(yùn)用該軟件可非常方便地對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析;另一方面，又是虛擬樣機(jī)分析開發(fā)工具，其開放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，可以成為特殊行業(yè)用戶進(jìn)行特殊類型虛擬樣機(jī)分析的二次開發(fā)工具平臺(tái)。

(1)建模

通過有限元分析模塊得到的主軸(MNF文件)導(dǎo)入到ADAMS里形成主軸柔性體。為了仿真的真實(shí)可靠，自建一個(gè)質(zhì)量很小(即固有頻率很高)的柔性桿，一端固定，另一端與軸的前界面點(diǎn)相連，連接處施加旋轉(zhuǎn)約束(軸繞桿轉(zhuǎn))，這樣可以保證柔性軸整體在施加軸承約束前可以在空間任意方向運(yùn)動(dòng)。將前、后軸承簡(jiǎn)化為內(nèi)圈、外圈和彈簧。根據(jù)主軸旋轉(zhuǎn)的實(shí)際情況并結(jié)合ADAMS軟件的特性，將軸承內(nèi)圈與軸固定連接，外圈與地面連接，并對(duì)外圈施加旋轉(zhuǎn)約束。由于實(shí)際使用軸承一般都是角接觸球軸承，所以在軸軸向(Z向)加一個(gè)彈簧。為了測(cè)得銑刀端面的變形，軸的前端固定連接一個(gè)啞物體(質(zhì)量為0)，啞物體的長(zhǎng)度與銑刀端面距軸端面距離相等。仿真分析模型見圖6。

(2)仿真

前支承處彈簧剛度值設(shè)為2.0×107，阻尼80，預(yù)緊力500 N，后支承處彈簧)剛度設(shè)為1×107，阻尼80，預(yù)緊力0 N，軸向彈簧剛度值設(shè)為1.0×106，阻尼80，預(yù)緊力300 N。在軸前端施加力167 N，在桿與軸連接處施加Rotational Joint Motion，其值為48000(其單位是(°)/s，換算成 r/min是8000 r/min，其它單位都是標(biāo)準(zhǔn)單位)。圖7～10分別為得到的仿真圖。

圖7為靠近主軸端面處仿真的徑向跳動(dòng)，圖8為軸向跳動(dòng)仿真圖，圖9為距主軸端面300 mm處徑向跳動(dòng)仿真圖，仿真結(jié)果數(shù)據(jù)見表1。圖10為主軸轉(zhuǎn)速圖，表明了主軸可以在48000°/s，即8000 r/min高速下穩(wěn)定運(yùn)行。

表1 仿真數(shù)據(jù) mm

3 系統(tǒng)開發(fā)

本系統(tǒng)主要使用Delphi進(jìn)行編程開發(fā)，通過VB針對(duì)SolidEdge進(jìn)行二次開發(fā)，利用Ansys軟件進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)在ADAMS平臺(tái)上對(duì)主軸進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析，使用Access數(shù)據(jù)庫對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞及管理。系統(tǒng)能進(jìn)行兩種型號(hào)高速主軸設(shè)計(jì)計(jì)算、優(yōu)化與動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)的開發(fā)。

通過計(jì)算與選擇初步確定主軸結(jié)構(gòu)，再經(jīng)過軸承選擇、鍵選擇及各種校核后可生成得到主軸的二維圖和三維圖。圖11是設(shè)計(jì)計(jì)算界面，圖12是設(shè)計(jì)生成的主軸三維圖。

4 結(jié)語

本文完成了基于SolidEdge的3D建模、ANSYS的有限元分析和ADAMS的虛擬仿真工作，開發(fā)了高速主軸系統(tǒng)性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算程序和SolidEdge的二次開發(fā)工作。在本項(xiàng)目的研究工作中，SolidEdge的二次開發(fā)與ADAMS的虛擬仿真均是首次開展的工作，為公司進(jìn)一步開展其它產(chǎn)品和關(guān)鍵零部件的集成設(shè)計(jì)分析提供了可行的技術(shù)方案，奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。建立了應(yīng)用于加工中心的高速主軸系統(tǒng)虛擬產(chǎn)品數(shù)字化信息模型和數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)，能實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目所要求的主要功能，經(jīng)過制造實(shí)例驗(yàn)證，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

1 S.Smith，J.Tlusty.Current trends in high-speedmachining.Journal of Manufacturing Science and Engineering，Transaction of the ASME，1997，119(11):664-666

2 王新玉.數(shù)字化設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

3 徐燕申，徐千理，侯亮.基于CBR的機(jī)械產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)方法的研究［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2002，21(5)

4 張明華，劉強(qiáng)，袁松梅.主軸單元參數(shù)化建模、分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2008，27(2)

5 王國(guó)強(qiáng)，張進(jìn)平，馬若丁.虛擬樣機(jī)技術(shù)及其在ADAMS上的實(shí)踐［M］.西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2002.