面向五軸數(shù)控機床的可視化方案設計

史安娜,孫 偉

(1.沈陽理工大學應用技術學院,遼寧 沈陽 113122;2.東北大學 機械工程與自動化學院,遼寧 沈陽 110819)

五軸數(shù)控機床是裝備制造業(yè)最重要的1種加工設備,可用于加工各種復雜曲面,已在航空、航天、船舶、兵器、汽車、電力、模具和醫(yī)療器械等制造業(yè)中廣泛應用[1].鑒于五軸機床重要的戰(zhàn)略地位,各機床制造企業(yè)都在競相研發(fā)該種設備.而競爭的焦點主要體現(xiàn)在產(chǎn)品質(zhì)量、成本、開發(fā)時間、產(chǎn)品的創(chuàng)新能力和服務上.

用戶在追求高性能五軸機床的同時,會更多地追求低價格和短交貨期,這就要求企業(yè)改變過去傳統(tǒng)的設計、生產(chǎn)和管理模式,最大限度地利用可視化設計、數(shù)字化仿真等手段,以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和性能.方案設計是開發(fā)五軸機床的1個重要設計階段,五軸機床的功能和成本很大程度上決定機床的方案設計.

本文面向五軸數(shù)控機床,研究采用可視化仿真的方法來實施方案設計.在簡要介紹方案設計和可視化設計概念的基礎上,詳細敘述了基于ADAMS的可視化方案設計流程.最后,以開發(fā)某五軸加工中心為例,按照所提流程進行了可視化方案設計研究,確定了該五軸機床的運動方案和結(jié)構布局.

1 方案設計與可視化設計方法

1.1 方案設計

方案設計是開發(fā)五軸機床的重要設計階段.方案設計的過程可以概括為:根據(jù)設計任務要求,通過對需求本質(zhì)的分析,找出確實可行的原理方案,將產(chǎn)品系統(tǒng)進行功能分解,建立功能結(jié)構,并確定各個功能子系統(tǒng)的原理方案.

方案設計的關鍵是需要引入創(chuàng)新機制,采用創(chuàng)新思維進行產(chǎn)品設計.可采用的創(chuàng)新設計方法包括:分析式設計(又稱試行設計)和創(chuàng)成式設計(又稱解析式設計).前者是用類比分析、推理方法產(chǎn)生方案,是目前創(chuàng)新設計一般采用的方法.后者則用創(chuàng)成解析的方法生成方案,創(chuàng)新能力強,這種方法尚在研究發(fā)展之中[2].文獻[3]討論了機床總體方案創(chuàng)新設計的主要內(nèi)容,并重點介紹了人與計算機相結(jié)合的機床功能和布局創(chuàng)新設計方法.文獻[4]采用創(chuàng)新性概念設計新方法,確定五軸銑削機床的運動方案并充分分析了五軸機床工作空間問題.

對于機床尤其是工藝運動相對復雜的五軸數(shù)控機床,確定其布局及運動形式是方案設計的重要內(nèi)容.

1.2 可視化設計

可視化設計是1種數(shù)字化設計方法,以建模仿真技術、動態(tài)優(yōu)化分析方法為核心技術,強調(diào)在可視化的操作環(huán)境中,對整個產(chǎn)品的各方面性能進行模擬,達到在設計階段檢驗和優(yōu)化產(chǎn)品設計質(zhì)量的目的.可視優(yōu)化設計法具有可視性、預測性和優(yōu)化性的特點[5].

對于機床產(chǎn)品,無論在方案設計還是詳細設計階段,都可以利用可視化仿真的方法來顯著提高設計質(zhì)量和效率.例如,文獻[6]較完整地敘述了利用可視化來對機床進行設計開發(fā),包括機床運動學、結(jié)構動力學、控制過程切削過程進行可視化仿真.文獻[7]在Open Inventor軟件仿真平臺上實現(xiàn)了虛擬裝配、切削仿真及工程分析等功能.本文主要探討利用多體動力學仿真軟件ADAMS,對方案設計相關的機床布局、運動模擬、功能實現(xiàn)等進行可視化仿真.

2 可視化方案設計仿真流程

ADAMS是虛擬樣機分析的重要應用軟件,運用該軟件可非常方便地對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學、運動學和動力學分析.在ADAMS軟件平臺上,面向五軸機床可視化方案設計的流程可以概括為以下3個工作內(nèi)容.

2.1 五軸機床運動方案及結(jié)構布局的初步確定

五軸數(shù)控機床的工藝運動涉及2個軸系,分別是工件運輸軸系和刀具運輸軸系,依靠控制系統(tǒng)使2個軸系協(xié)同運動來完成零件的加工.大部分五軸機床有3個與笛卡爾坐標軸平行的移動軸和2個繞坐標軸轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動軸.如果按照運送工件或刀具軸的數(shù)量多少,可以將五軸機床分成6類,見表1.其中帶撇號的是運送工件軸的數(shù)量.

表1 五軸數(shù)控機床的類別Tab.1 The Category of five-axis NC machine tool

利用功能分解原理以及創(chuàng)新設計思想,結(jié)合機床加工工藝性能的需求,可列舉出多種運動方案.

在ADAMS中利用矩形體或圓柱體表示機床的床身、立柱、溜板、滑鞍、工作臺和主軸箱等構件.針對各運動方案,可類似于擺積木的方式,創(chuàng)建機床的簡化模型,從而初步確定機床的布局.為了更形象也可以在其他CAD軟件例如SolidWorks中創(chuàng)建近似結(jié)構,來描述機床的布局.

2.2 針對各方案進行運動模擬

針對各種方案,在ADAMS軟件平臺上進行建模與仿真,其操作步驟可以概括為圖1所示的流程.

需要說明的是在對比各運動方案優(yōu)劣時,除考慮工藝運動能否實現(xiàn)以及工作空間是否滿足要求之外,還應考慮不同方案各軸驅(qū)動功率的大小、裝卸工件的方便性等因素,最終確定較優(yōu)的運動方案.

圖1 五軸機床運動仿真流程Fig.1 Dynamic simulation flow of five-axis NC machine tool

2.3 對選定的方案進一步參數(shù)化仿真

在ADAMS平臺上,可以對選定的方案進一步進行參數(shù)化建模和參數(shù)化仿真[8].這是方案設計的細化過程.

參數(shù)化建模是通過創(chuàng)建設計變量、設計點并利用相應的位置及方向函數(shù),將描述機床部件的圓柱及長方體等進行參數(shù)化.而參數(shù)化仿真是通過創(chuàng)建的菜單啟動對話框,不斷地修改各結(jié)構參數(shù),可以快速創(chuàng)建出不同尺寸的機床仿真模型.針對這些模型添加不同的驅(qū)動并創(chuàng)建各種測量,由測量的結(jié)果可以考察各組結(jié)構參數(shù)的優(yōu)劣,從而獲得最優(yōu)的機床設計參數(shù).在仿真中還可以應用ADAMS的設計分析、設計研究等功能,以加速求解到合適的參數(shù).

確定五軸機床宏觀幾何參數(shù)(例如長、寬、高等,以作為設計變量)時,要充分分析機床的整機剛度、抗振性和熱穩(wěn)定性等,必要時可以進一步進行剛體及柔性體動力學分析.

3 研究實例

按照上述基于ADAMS的可視化方案設計流程,對某加工中心進行方案設計.

3.1 設計方案的構思

圖2 3種五軸數(shù)控機床運動方案及布局Fig.2 Three dynamic shemes and layouts of five-axis NC machine tool

根據(jù)常見機床的布局和運動分配形式,提出3種方案:1種為龍門式,其他2種為立式.如圖2所示.

對于龍門式機床,其主軸可以在龍門架的橫向與垂直溜板上運動,而龍門架則沿床身作縱向運動.刀具升降立式機床,采用工作臺轉(zhuǎn)動,主軸沿垂直溜板上下運動來實現(xiàn)工藝運動.工作臺升降立式機床,由工作臺和滑枕實現(xiàn)x,y坐標的移動,工作臺可旋轉(zhuǎn),可沿z坐標上下移動.

3.2 基于ADAMS的運動仿真

按照圖1所示運動仿真流程,分別對3種方案進行運動功能模擬.具體工作包括建模、添加約束、增加驅(qū)動等關鍵步驟.在ADAMS中可以利用step5和if函數(shù)之間的嵌套來完成各軸的驅(qū)動.圖3為方案2的運動仿真模型及三軸聯(lián)動加工螺旋線的仿真畫面.其他方案的運動仿真與之類似.

3.3 運動方案的初步確定

可以從機床的結(jié)構性能、使用方便性、工作空間、驅(qū)動功率大小等評價運動方案的優(yōu)缺點.以上3種運動方案對比分析見表2.最終確定龍門式機床結(jié)構為選定的結(jié)構.

圖3 方案2的運動仿真Fig.3 Dynamic simulation of scheme 2

表2 各種運動方案的優(yōu)缺點Tab.2 Advantages and disadvantages of all schemes

3.4 參數(shù)化建模及仿真

在初步確定運動方案后,還可借助于ADAMS的參數(shù)化建模、仿真功能進行龍門式機床結(jié)構參數(shù)設計,實現(xiàn)方案設計的細化.例如,在參數(shù)化建模上,可以用4個變量描述該龍門式機床的幾何外形,分別為床身的長度L、床身的高度H、床身的寬度W、刀具的長度LT.這4個變量為顯示參數(shù),可以放在對話框中供用戶驅(qū)動,而橫梁的長度、滑枕的長度等參數(shù)與顯示參數(shù)存在著函數(shù)關系(稱之為隱式參數(shù)),可由顯示參數(shù)確定.不僅要參數(shù)化幾何外形,還應參數(shù)化約束以保證模型的自動重建.參數(shù)化約束的常用函數(shù)為LOC_RELATIVE_TO({0,0,0},.ground.B2),ORI_ALONG_AXIS(.ground.B2,.model_1.ground.P2,“Z”),分別為位置和方向的參數(shù)化.

利用參數(shù)化模型可進行運動學與動力學仿真分析,從而快速檢驗與設計該龍門式機床的各種結(jié)構參數(shù).在參數(shù)化仿真的過程中,需要利用測位移函數(shù)DM(To_Marker,From_Marker)、側(cè)速度函數(shù)VR(To_Marker,From_Marker,Ref_Frame)等,輸出實時仿真曲線.

圖4 龍門式五軸機床參數(shù)化模型Fig.4 Parametric Model of gantry five-axis machine tool

4 結(jié)論

由于競爭的加劇,需要企業(yè)快速研制出具有優(yōu)越性能的五軸數(shù)控機床,而方案設計是研制過程中的1個重要階段.本文將可視化設計方法與五軸數(shù)控機床的方案設計相結(jié)合,從而實施快速方案設計,具體工作包括:

(1)明確了面向五軸機床方案設計及可視化設計的內(nèi)涵,指出運動方案及布局的確定是方案設計的重要工作內(nèi)容.

(2)提出了基于ADAMS平臺對五軸機床進行方案設計的方法,包括機床運動方案及結(jié)構布局的初步確定,針對各方案進行運動模擬和對選定的方案進一步參數(shù)化仿真等內(nèi)容.

(3)以開發(fā)某五軸加工中心為例,按照所提流程進行了可視化方案設計研究,提出了龍門式、立式等3種運動方案和布局,并在運動仿真及優(yōu)缺點對比分析的基礎上,選定龍門式結(jié)構為最終的設計方案.

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