基于Pro/E與ADAMS的數(shù)控實驗平臺的虛擬樣機設計仿真*

畢俊喜，任 昭，田春雨

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學機械學院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051)

0 引言

虛擬樣機技術(Virtual Prototyping Technology)是20世紀80年代迅速興起的一項基于產(chǎn)品的計算機輔助設計技術，設計者首先通過三維建模軟件在計算機上對所要設計的機械系統(tǒng)物理建模，而后將模型導入相關的仿真分析軟件(如美國機械動力公司的ADAMS、德國航天局的SIMPACK等)進行可行性分析和優(yōu)化仿真，根據(jù)分析結果不斷改進優(yōu)化方案，從而縮短研發(fā)周期，降低產(chǎn)品成本。

1 三維建模

在眾多的物理建模軟件當中，美國Parametric Technology Corporation(PTC)公司于2009年發(fā)布的Pro/Engineer野火版系列最新版本Pro/E5.0憑借其獨特的參數(shù)化建模和強大的集成產(chǎn)品開發(fā)功能成為虛擬樣機建模中最理想的三維軟件。該數(shù)控實驗平臺主要由支撐槽、導軌滑塊、絲杠螺母副、軸承座、工作臺等組成，其XYZ三個運動軸由于位置不同所選用零部件的參數(shù)也略有不同，如表1所示;根據(jù)已知零部件的主要參數(shù)利用Pro/E 5.0中的實體造型特征，如拉伸特征、打孔特征、切槽特征等生成主要的零部件。在零部件建模時遵循簡化原則，即略去一些不影響整體性能的特征，如倒角，螺紋等。

在進行裝配時，由于各部件都是由螺栓固定的規(guī)則形體，故可直接用插入、配對和對齊等進行約束，約束定義唯一不一樣的是滑塊在導軌上的裝配［1］，由于滑塊要在導軌上滑行，所以需要用到滑動桿約束，即以導軌為軸，分別選取滑塊上的點和面與之配合，并且確定滑塊的零位置，以及最大最小位移。其進給系統(tǒng)結構示意圖如圖1，其裝配好的樣機如圖2。

表1 零部件主要參數(shù)

圖1 進給系統(tǒng)結構示意圖

圖2 虛擬樣機模型

2 對關鍵部位有限元分析

在進行零部件設計時，最關鍵的部分莫過于Y軸支撐槽與Z軸支撐槽的連接部分，故需要對Z軸支撐槽與Y軸支撐槽的連接部位做靜力分析。目前美國ANSYS公司研發(fā)的ANSYS軟件憑借其強大而廣泛的分析功能已成為計算機輔助工程(CAE)的主流有限元分析軟件之一，其最新版本ANSYS Workbench 12.1 提供了 Pro/E5.0 無縫連接接口［2］，即在運行ANSYS的情況下，在Pro/E5.0中建立的模型可直接在 Pro/E5，0進入 ANSYS Workbench的 Project Schematic界面。筆者利用ANSYS Workbench 12.1中的靜力學模塊對Z軸支撐槽做線性靜力學分析。其基本分析流程如圖3。

圖3 分析流程

經(jīng)測量Z軸上所有零部件的質(zhì)量為86.5 kg，固定底座的六個螺栓受傾覆力矩，為提升Z軸支撐槽的結構強度，在支撐槽背部加裝連接板。Z軸基本尺寸為1250 mm×340 mm×45 mm，材料為HT200，密度為7.8E+3 kg/m3，彈性模量為 110 GPa，泊松比為0.26，用SOLID42模塊對模型進行網(wǎng)格劃分，根據(jù)實際工況，對床身施加約束和載荷，經(jīng)求解和后處理，如圖3 VonMises分布云圖可知:在傾覆力矩作用下，模型的最大應力點位于支撐槽根部，最大應力為42.75 MPa，遠遠小于材料不銹鋼的屈服強度，故該模型符合屈服強度要求。

圖4 等效應力云圖

3 在Adams/view中進行動力學仿真

為了驗證該運動平臺是否滿足裝配要求和速度響應要求，故需將該模型導入Adams中進行運動學仿真。首先在Pro/e中將模型另存為x_t格式，然后才可在Adams中順利導入［3］。由于三個方向的裝配類似，故只需對X軸進行動力仿真即可。首先定義單位、重力，和材料屬性［4］，對各部件分別加固定副，旋轉副、螺紋副等約束，在兩端的軸承座位置添加傳感器，保證工作臺不會超程。對旋轉副施加轉速為360 r/min的旋轉驅動，對工作臺設置驅動函數(shù)［5］為STEP(TIME，0，20，1，40)［6］，施加好運動副后進入Simulation模塊進行仿真，將仿真時間設置為2 s，步數(shù)為1 000，即可進行交互式仿真，仿真證明裝配沒有出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。然后進入后處理頁面查看工作臺的速度、加速度和位移曲線，如圖5、6?？梢钥闯鰣D中顯示的是工作臺在t=2 s時，速度達到60 mm/s，位移為60 mm，加速度達到30 mm/s2與輸入的驅動函數(shù)相符合，驗證了運動平臺的合理性。

圖5 速度、加速度響應圖(斜線為速度曲線，橫色為加速度曲線)

圖6 位移響應圖

4 結語

基于三維軟件Pro/E 5.0為平臺，根據(jù)實驗室已有設備按照1∶1虛擬建模、裝配，合理運用ANSYS軟件對模型關鍵部位靜力學分析，并通過ADAMS對平臺進行運動仿真和分析，驗證了平臺的合理性，實現(xiàn)了在虛擬環(huán)境中對3自由度數(shù)控實驗平臺的設計，縮短了設計時間，降低了開發(fā)成本，為后續(xù)的實驗平臺軟件部分設計奠定了基礎。

［1］ 張 楠.基于Pro/E的裝載機工作裝置虛擬樣機與仿真分析［J］.機械工程與自動化，2014(2):32 －33.

［2］ 浦廣益.ANSYS Workbench12基礎教程與實例詳解［M］.北京:中國水利水電出版社，2010.

［3］ 陳志剛.基于Pro_E及Adams圓柱齒輪減速器的參數(shù)化建模及運動仿真［J］.機械研究與應用，2005(4):105 －109.

［4］ 陳峰華.ADAMS2012虛擬樣機技術從入門到精通［M］.北京:清華大學出版社，2013.

［5］ 徐 煒.基于Pro_E和ADAMS的三自由度運動平臺仿真分析［J］.現(xiàn)代制造工程，2010(8):7 －10.

［6］ 毛志華.基于ADAMS的道岔清篩機挖掘變幅機構的虛擬樣機設計［J］.新技術新工藝，2011(8):69－72.