基于ADAMS的微孔鉆床自動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)仿真分析

李 雪 王 鶴 薛珉琪 袁新芳 熊建橋 邵秋萍

（1.南京工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，南京 211167；2.河南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，鄭州 451191）

隨著科技的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，高新技術(shù)產(chǎn)品向著微型化和智能化的方向發(fā)展，在這些產(chǎn)品中，直徑在0.5mm以下的微孔應(yīng)用越來(lái)越廣泛，如汽車(chē)的燃料噴油咀、汽化器、某些鐘表和照相機(jī)零件及印刷電路板等[1-2]。在微孔的各種加工方法中，機(jī)械鉆孔在國(guó)內(nèi)外占主導(dǎo)地位，但鉆削微孔存在加工效率低，鉆頭經(jīng)過(guò)磨損或切屑堵塞后極易折斷等致命缺陷[3]。

為解決微孔鉆床手動(dòng)進(jìn)給所造成的加工效率低以及產(chǎn)品質(zhì)量差等問(wèn)題，由手動(dòng)進(jìn)給改為自動(dòng)進(jìn)給，可以大大提高鉆床的自動(dòng)化程度。通過(guò)對(duì)鉆床的數(shù)控化改造，可以滿足其對(duì)于精度、粗糙度、安全性、可靠度等方面的要求，使微孔鉆床可以支持自動(dòng)進(jìn)給而持續(xù)生產(chǎn)。在對(duì)鉆床結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，由于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法難以在最初設(shè)計(jì)過(guò)程中就發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，從而造成時(shí)間以及資源浪費(fèi)，這不但增加了設(shè)計(jì)所需成本，而且設(shè)計(jì)效率也難以提高。而運(yùn)用UG軟件對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模，可以更快地獲得產(chǎn)品的外形尺寸和功能特征[4-6]。同時(shí)，運(yùn)用基于ADAMS軟件的虛擬樣機(jī)技術(shù)，可以對(duì)三維模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬和仿真分析，從而優(yōu)化整個(gè)自動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)，并調(diào)整機(jī)械設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)、精度和尺寸[7-8]。

1 自動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)的仿真模型

ADAMS對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)問(wèn)題有較強(qiáng)的分析能力。但其對(duì)于較復(fù)雜的三維模型的造型能力有所不足，因此，使用ADAMS/View對(duì)含有較多部件的裝配體的特征表達(dá)不盡人意。本文采用UG+ADAMS組合的方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，這就需要采用標(biāo)準(zhǔn)的圖形數(shù)據(jù)格式，試驗(yàn)證明Parasolid格式在輸出時(shí)具有耗時(shí)小、效率高、出錯(cuò)信息少等優(yōu)點(diǎn)，所以，本研究先使用UG輸出Parasolid格式文件，再導(dǎo)入到ADAMS中建立虛擬樣機(jī)。

1.1 三維實(shí)體建模

在UG軟件中，首先分別對(duì)微孔鉆床自動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)中蝸輪蝸桿、主軸電機(jī)、齒條以及齒輪副等零部件進(jìn)行三維建模。然后，在開(kāi)始菜單中點(diǎn)擊裝配進(jìn)入到裝配模塊，先添加組件，將各零部件導(dǎo)入到裝配模塊中。接著，在機(jī)座箱體上添加固定約束，然后相對(duì)于機(jī)座箱體綜合使用接觸、對(duì)齊、距離約束，使各零部件按要求正確裝配完成。最終裝配結(jié)果如圖1所示。

圖1 裝配體的三維模型

1.2 建立虛擬樣機(jī)

先用UG打開(kāi)總裝圖，然后在菜單中選擇“文件→導(dǎo)出”命令，點(diǎn)擊后出現(xiàn)如圖2的窗口，選擇版本24.0-NX8.0，之后選中整個(gè)要輸出的裝配體，點(diǎn)擊確定并在彈出的窗口中選擇*.xmt_txt的文件格式保存。

圖2 導(dǎo)出Parasolid文件窗口

然后，啟動(dòng)ADAMS軟件，點(diǎn)擊“New Model”新建一個(gè)模型，選擇OK進(jìn)入工作界面。在菜單中選擇“File→Import”，在彈出的窗口中，分別指定好File Type， File To Read， File Type， Model Name中的內(nèi)容后選擇OK，即已經(jīng)將UG輸出的Parasolid模型導(dǎo)入到ADAMS模型中，如圖3所示。導(dǎo)入成功后需要在各個(gè)部件之間添加約束。約束的作用是用來(lái)確定部件的連接方式以及它們之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。可以使用ADAMS提供的約束庫(kù)對(duì)具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部件添加約束。

2 仿真結(jié)果與分析

選擇Interactive Simulation Controls功能，根據(jù)時(shí)間函數(shù)將End Time設(shè)為70s，Steps設(shè)為5250，單擊播放按鈕，即可模擬自動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)的運(yùn)行，并可以在界面中觀看仿真過(guò)程的動(dòng)畫(huà)，如圖4所示。

圖3 ADAMS環(huán)境下的微孔鉆床自動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)模型

首先，右擊齒條的移動(dòng)副約束，在彈出的菜單中點(diǎn)擊Measure，接著在彈出的窗口中將Characteristic的值改為Displacement，即測(cè)量主軸進(jìn)給的位移；將Component的值改為Z，即測(cè)量方向?yàn)閆軸方向。按“OK”彈出測(cè)量窗口。

其次，右擊齒條的移動(dòng)副約束，在彈出的菜單中點(diǎn)擊Measure，接著在彈出的窗口中將Characteristic的值改為Relative Velocity，即測(cè)量主軸的進(jìn)給速度；將Component的值改為Z，即測(cè)量方向?yàn)閆軸方向。按“OK”彈出測(cè)量窗口。

圖4 運(yùn)動(dòng)仿真

再次，右擊蝸桿的回轉(zhuǎn)副約束，在彈出的菜單中點(diǎn)擊Measure，接著在彈出的窗口中將Characteristic的值改為Relative Angular Velocity，即測(cè)量蝸桿的轉(zhuǎn)速；將Component的值改為Z，即旋轉(zhuǎn)中心為Z軸。按“OK”彈出測(cè)量窗口。

最后，運(yùn)行仿真，得到測(cè)量曲線。若曲線不準(zhǔn)確，則微調(diào)嚙合點(diǎn)上Marker的位置以及蝸桿嚙合點(diǎn)上Marker的角度。右擊每個(gè)測(cè)量窗口，選擇“transfer to full plot”命令，進(jìn)入ADAMS/PostProcessor窗口，可以得到更詳細(xì)和完整的測(cè)量曲線圖。

由圖5、圖6、圖7可以看出，該微孔鉆床的自動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)基本滿足設(shè)計(jì)所要達(dá)到的運(yùn)動(dòng)要求：主軸進(jìn)給的位移要求：快進(jìn)50mm，工進(jìn)25mm，工退25mm，快退50mm；主軸進(jìn)給的速度要求：75～200mm/min；步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速要求：450～1200°/s。

圖5 主軸進(jìn)給位移

圖6 主軸進(jìn)給速度

圖7 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速

3 結(jié)論

本文建立了微小孔鉆床自動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型。在UG軟件中建立鉆床三維模型，在ADAMS環(huán)境下，結(jié)合設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果表明：ADAMS中建立的進(jìn)給系統(tǒng)仿真模型是有效的，能真實(shí)地仿真系統(tǒng)的工作過(guò)程，可以迅速分析和比較多種參數(shù)方案，能對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能作出較全面的預(yù)測(cè)，對(duì)改善機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能、優(yōu)化關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)尺寸具有重要指導(dǎo)作用。