數(shù)控機(jī)床全參數(shù)化虛擬樣機(jī)的構(gòu)建及應(yīng)用

鄭 輝，鄭楚鑫，李文威，周廣兵

（華南智能機(jī)器人創(chuàng)新研究院，廣東 佛山528315）

傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)流程一般為方案設(shè)計(jì)、圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、制造實(shí)物樣機(jī)和實(shí)物樣機(jī)試驗(yàn)直至產(chǎn)品投產(chǎn)上市，存在著試驗(yàn)周期較長(zhǎng)、過程繁瑣、成本偏高等弊端，不能滿足企業(yè)對(duì)質(zhì)量、效率以及成本的綜合要求。虛擬樣機(jī)技術(shù)是以虛擬樣機(jī)為核心、仿真為手段、各種CAx/DFx為工具的一種數(shù)字化設(shè)計(jì)方法和手段[1]。它通過在計(jì)算機(jī)上建造產(chǎn)品模型，并進(jìn)行仿真分析，可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)產(chǎn)品在功能、性能、外觀等各方面的特征和特性，進(jìn)而為改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品性能提供良好的參考。虛擬樣機(jī)技術(shù)使高效率、高質(zhì)量的設(shè)計(jì)生產(chǎn)成為可能[2]，正逐步成為當(dāng)今工業(yè)界的主流核心技術(shù)。

數(shù)控機(jī)床是典型的精密加工設(shè)備，其結(jié)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能均有較高的設(shè)計(jì)要求。數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理一般需基于機(jī)床樣機(jī)的綜合性能表現(xiàn)進(jìn)行判斷。傳統(tǒng)意義上的數(shù)控機(jī)床性能分析只能在物理樣機(jī)制成后進(jìn)行。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的低成本快速開發(fā)，有必要將虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用到數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品的整個(gè)設(shè)計(jì)流程中。

參數(shù)化技術(shù)為設(shè)計(jì)模型的可變性、可重用性，以及模型裝配等提供了有效手段。由參數(shù)化技術(shù)與虛擬樣機(jī)技術(shù)融合形成的參數(shù)化虛擬樣機(jī)技術(shù)，不僅增加了虛擬樣機(jī)的可重用性，而且進(jìn)一步縮短了建模與仿真周期，更具工程應(yīng)用價(jià)值。

基于參數(shù)化虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)與分析，其核心是建立數(shù)控機(jī)床的全參數(shù)化虛擬樣機(jī)。本文以XH7650數(shù)控機(jī)床為研究對(duì)象，通過對(duì)SolidWorks/SolidWorks Motion和ADAMS軟件的二次開發(fā)，成功構(gòu)建了該型數(shù)控機(jī)床的全參數(shù)化虛擬樣機(jī)，為該系列機(jī)床的綜合性能分析與多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了良好的研究平臺(tái)。

1 軟件環(huán)境選擇與集成方式

1.1 軟件環(huán)境選擇

數(shù)控機(jī)床參數(shù)化虛擬樣機(jī)模型的功能有賴于功能強(qiáng)大的軟件平臺(tái)的支撐。選擇軟件環(huán)境要綜合考慮軟件的基本功能、集成能力、二次開發(fā)能力和參數(shù)化能力等。

建立虛擬樣機(jī)的三維CAD模型是構(gòu)建參數(shù)化虛擬樣機(jī)的第一步。SolidWorks是集機(jī)械設(shè)計(jì)、制造于一體的自動(dòng)化設(shè)計(jì)軟件。它建模功能強(qiáng)大，數(shù)據(jù)交換接口豐富，參數(shù)化能力強(qiáng)，有二次開發(fā)功能。因此，選用SolidWorks/SolidWorks Motion軟件建立數(shù)控機(jī)床實(shí)體模型。

建立數(shù)控機(jī)床參數(shù)化虛擬樣機(jī)模型需要功能強(qiáng)大的機(jī)械系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)仿真設(shè)計(jì)軟件的支持。ADAMS正是這一領(lǐng)域的佼佼者。它功能強(qiáng)大可以建立集機(jī)、電、液一體化的數(shù)控機(jī)床虛擬樣機(jī)；它能與多數(shù) CAD軟件接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換[3]；在ADAMS中可以進(jìn)行二次開發(fā)，編寫或調(diào)用各種數(shù)據(jù)接口和控制界面，建立虛擬樣機(jī)的交互手段。故采用ADAMS作為數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真支撐。

以參數(shù)化三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks和機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS為核心構(gòu)建基礎(chǔ)的軟件環(huán)境，并在該環(huán)境內(nèi)進(jìn)行軟件的二次開發(fā)，定制專屬于數(shù)控機(jī)床的參數(shù)化虛擬樣機(jī)建模程序。

1.2 軟件集成方式

將數(shù)控機(jī)床的參數(shù)化分為機(jī)床結(jié)構(gòu)尺寸的參數(shù)化、部件運(yùn)動(dòng)曲線的參數(shù)化（各部件運(yùn)動(dòng)起始位置，運(yùn)動(dòng)速度，運(yùn)動(dòng)加速減速時(shí)間，運(yùn)動(dòng)時(shí)間）和圖形用戶界面（GUI）的參數(shù)化。由于目前缺乏支持產(chǎn)品設(shè)計(jì)全過程的產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)，需要選擇不同設(shè)計(jì)領(lǐng)域的軟件進(jìn)行集成。

ADAMS造型功能薄弱，難以創(chuàng)建具有復(fù)雜特征的零件，但ADAMS允許輸入其它格式的圖形文件，更是可以和SolidWorks之間實(shí)現(xiàn)無縫連接。通過SolidWorks Motion模塊[4]，使SolidWorks不必退出應(yīng)用環(huán)境就可以將CAD數(shù)據(jù)輸入到ADAMS中進(jìn)行全面的動(dòng)力學(xué)分析。因此，數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)尺寸的參數(shù)化在SolidWorks中進(jìn)行，并利用二次開發(fā)的參數(shù)驅(qū)動(dòng)軟件和SolidWorks Motion接口將CAD模型保存在ADAMS可讀的adm文件和xmt_bin文件中。

部件運(yùn)動(dòng)曲線的參數(shù)化和圖形用戶界面的參數(shù)化使用ADAMS命令語言在ADAMS環(huán)境中完成二次開發(fā)。本文采用的軟件集成方式如圖1所示。

圖1 軟件集成方式

2 參數(shù)化虛擬樣機(jī)的構(gòu)建

如圖2所示，XH7650型立式數(shù)控銑床的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由床身、立柱、中拖板、主軸箱和工作臺(tái)五大部件組成。機(jī)床有三個(gè)方向的平移運(yùn)動(dòng)，分別是主軸箱沿立柱導(dǎo)軌做z方向的直線運(yùn)動(dòng)；中托板沿床身導(dǎo)軌做y方向的直線運(yùn)動(dòng)；工作臺(tái)沿中托板導(dǎo)軌做x方向的直線運(yùn)動(dòng)。現(xiàn)要求建立XH7650系列數(shù)控機(jī)床的參數(shù)化虛擬樣機(jī)，并進(jìn)行處于不同運(yùn)動(dòng)條件下的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)等性能的綜合分析。

圖2 XH7650型數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)

以下通過XH7650數(shù)控機(jī)床虛擬樣機(jī)的構(gòu)建過程詳細(xì)說明參數(shù)化虛擬樣機(jī)的構(gòu)建細(xì)節(jié)。

2.1 CAD模型的參數(shù)化

（1）建立零件和裝配體的三維CAD模型。在SolidWorks中建立零件模型并裝配；

（2）參數(shù)化零件和裝配體的CAD模型。對(duì)各零件和裝配體的主要尺寸設(shè)置參數(shù)和關(guān)系，以進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)化；

（3）設(shè)置零件和裝配體的單位為“毫米千克秒”；

（4）利用 SolidWorks的 SolidWorks Motion插件建立多剛體虛擬樣機(jī)，包括在零件上需添加約束副的位置、傳感器的參考位置處建立標(biāo)記點(diǎn)等；

（5）利用文獻(xiàn)[5]所開發(fā)的參數(shù)驅(qū)動(dòng)程序自動(dòng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)件尺寸，使其等于給定值，并自動(dòng)生成amd和xmt_bin文件。見圖3.

圖3 XH7650數(shù)控機(jī)床的SolidWorks模型

2.2 運(yùn)動(dòng)條件的參數(shù)化

為了模擬機(jī)床部件之間的加速—?jiǎng)蛩佟獪p速的運(yùn)動(dòng)過程，利用ADAMS命令語言編寫程序表達(dá)了零件間的運(yùn)動(dòng)規(guī)律（假定各運(yùn)動(dòng)的加速時(shí)間、減速時(shí)間相同）。

（1）建立設(shè)計(jì)變量。建立若干設(shè)計(jì)變量，分別對(duì)零件的運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)初始位置、運(yùn)動(dòng)加速減速時(shí)間和運(yùn)動(dòng)時(shí)間進(jìn)行了參數(shù)化。所建立的設(shè)計(jì)變量的含義如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)變量及其含義

程序范例如程序1所示。

（2）部件運(yùn)動(dòng)的參數(shù)化。程序范例如程序2所示。

（3）建立傳感器。采用六個(gè)傳感器限定部件的運(yùn)動(dòng)范圍。程序范例如程序3所示。

（4）建立菜單和參數(shù)化的對(duì)話框。為便于參數(shù)的修改，定制了菜單和對(duì)話框界面，如圖4.建立對(duì)話框時(shí)，先在ADAMS中建立，然后導(dǎo)出為cmd文件。在ADAMS主菜單Tools下建立子菜單XH7650，程序范例如程序4所示。

圖4 ADAMS界面的定制

對(duì)話框界面內(nèi)容的參數(shù)化，其程序范例如程序5如下。

3 參數(shù)化虛擬樣機(jī)的應(yīng)用

由于ADAMS軟件的功能強(qiáng)大，基于XH7650參數(shù)化虛擬樣機(jī)能夠完成該系列產(chǎn)品多種性能的仿真。XH7650數(shù)控機(jī)床的ADAMS虛擬樣機(jī)如圖5所示。

圖5 ADAMS中的XH7650數(shù)控機(jī)床虛擬樣機(jī)

3.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真結(jié)果可以得到機(jī)床部件運(yùn)動(dòng)的速度、加速度、位移、軌跡和動(dòng)畫。仿真得到的XH7650數(shù)控機(jī)床中拖板的運(yùn)動(dòng)速度曲線如圖6所示。

圖6 中拖板的運(yùn)動(dòng)速度曲線

3.2 動(dòng)力學(xué)分析

ADAMS能自動(dòng)計(jì)算輸出機(jī)械系統(tǒng)部件間的反作用力，并以曲線圖形式輸出。通過仿真得到機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)的動(dòng)畫以及速度、加速度、位移等運(yùn)動(dòng)特性，同時(shí)，也可以分析機(jī)床零部件的力學(xué)特性，得到所受的各種載荷。通過比較不同尺寸系列機(jī)床的動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加減速時(shí)間越短，約束副中的力變化越大。圖7為機(jī)床運(yùn)行時(shí)床身與地面之間的作用力，可見，在部件加速減速運(yùn)動(dòng)階段，約束副的作用力波動(dòng)大，而在勻速階段，約束副的作用力基本不變。

圖7 機(jī)床運(yùn)行時(shí)床身與地面之間的作用力

3.3 剛?cè)狁詈戏治?/h3>

通過對(duì)機(jī)床整機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，機(jī)床的中拖板部件變形較大，剛度較低，需要進(jìn)行柔性化處理。中拖板有限元網(wǎng)格模型如圖8（a）所示。在ANSYS中導(dǎo)入中拖板CAD模型，選擇單元類型為Solid45，設(shè)置材料為鑄鐵，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。然后，選擇界面點(diǎn)，生成MNF文件，并在ADAMS中導(dǎo)入。ADAMS中的分析結(jié)果如圖8（b）所示。圖中紅色區(qū)域代表變形量較大，藍(lán)色區(qū)域代表變形量較小。通過分析發(fā)現(xiàn)，中托板兩側(cè)邊緣變形較大，需要提高結(jié)構(gòu)剛度。

圖8 XH7650數(shù)控機(jī)床的剛?cè)狁詈戏治?/p>

4 結(jié)論

（1）利用SolidWorks/SolidWorks Motion的參數(shù)化功能并結(jié)合ADAMS命令語言，實(shí)現(xiàn)了對(duì)虛擬樣機(jī)建模過程的封裝，間接實(shí)現(xiàn)了ADAMS中導(dǎo)入模型的參數(shù)化，實(shí)現(xiàn)了CAD模型和虛擬樣機(jī)模型的集成及CAD模型向虛擬樣機(jī)模型的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

（2）所建立的參數(shù)化虛擬樣機(jī)模型可用于機(jī)床的運(yùn)動(dòng)分析、動(dòng)力學(xué)分析、剛?cè)狁詈戏治龅葓?chǎng)合。由于實(shí)現(xiàn)了機(jī)床結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)的參數(shù)化，使得模型的可重用性更強(qiáng)。結(jié)構(gòu)分析人員可以基于此模型進(jìn)行各類分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，這將極大縮短產(chǎn)品的研制時(shí)間。

（3）建模思路可以為其他類型機(jī)床參數(shù)化虛擬樣機(jī)模型的建立提供參考。模型構(gòu)建過程的自動(dòng)化程度還有望進(jìn)一步提高，從而應(yīng)用于機(jī)床的快速優(yōu)化設(shè)計(jì)。