基于Pro/E和Adam s的鉆削加工中心光機(jī)三維建模、動態(tài)演示及運(yùn)動學(xué)仿真分析

馬慶恒，朱 攀，王 超，姜貴中，林 琳

（云南省機(jī)電一體化應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 云南省先進(jìn)制造技術(shù)研究中心，云南 昆明 650031）

0 引言

現(xiàn)代工業(yè)加工設(shè)備中鉆削加工占很大比例，鉆削加工中心是機(jī)械制造行業(yè)中應(yīng)有較廣泛的金屬切削工藝之一，目前由于高速主軸技術(shù)、直線電機(jī)技術(shù)、高速控制技術(shù)以及刀具技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，以加工的高速化實(shí)現(xiàn)加工的高品質(zhì)、高效率已成為鉆削加工技術(shù)發(fā)展的重要特征。

線性導(dǎo)軌鉆削加工中心光機(jī)是云南省先進(jìn)裝備制造業(yè)具有技術(shù)比較優(yōu)勢及特色的領(lǐng)域之一，傳統(tǒng)的研制模式主要采用“提出方案－二維設(shè)計(jì)－制造－組裝－物理樣機(jī)反復(fù)試驗(yàn)－改進(jìn)”往復(fù)循環(huán)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，造成研制周期過長，研制成本過高，且樣機(jī)零部件之間經(jīng)常出現(xiàn)裝配問題，尤其是靜態(tài)干涉及動態(tài)干涉問題，極大地降低了研制的正確性和可靠性。

1 整機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)

總體布局采用類似立式加工中心的結(jié)構(gòu)，具有X、Y坐標(biāo)移動工作臺、Z向主軸垂直進(jìn)給移動、轉(zhuǎn)塔形刀庫、全封閉防護(hù)罩等。

底座采用大斜面設(shè)計(jì)，易于沖刷鐵屑，提高排屑效果，加快切削液回流速度。采用箱型滑座、人字型立柱，各個軸向電機(jī)座、軸承座與其所安裝到的大件采用一體化鑄造成型，從而大件的強(qiáng)度和剛性得到極大提高。

采用轉(zhuǎn)塔形刀庫，不需單獨(dú)電源，刀庫容量為14把刀；自動換刀裝置采用單主軸整體轉(zhuǎn)塔刀庫，裝有多根帶刀具的刀柄，換刀時各個刀柄順序裝夾在主軸上而達(dá)到換刀作用；主軸采用機(jī)械式打刀，主軸打刀裝置沒有打刀缸，直接運(yùn)用固定在箱體上的打刀機(jī)構(gòu)，當(dāng)主軸箱過了加工最高點(diǎn)，進(jìn)入刀庫換刀行程，打刀機(jī)構(gòu)與刀庫支撐架上安裝的松刀碰塊接觸，松刀，進(jìn)行換刀。這樣的結(jié)構(gòu)簡單、可靠、換刀速度快。

主軸傳動系統(tǒng)采用交流主軸電動機(jī)驅(qū)動，從而極大地提高了主傳動的平穩(wěn)性和抗振性；進(jìn)給系統(tǒng)采用交流伺服電動機(jī)驅(qū)動。主軸轉(zhuǎn)速高變速范圍大，滾珠絲杠直接與電動機(jī)聯(lián)接。減少了傳動誤差和反向間隙，提高了傳動效率、精度和剛度；具有高速攻螺紋性能，主軸同轉(zhuǎn)與主軸進(jìn)給（Z軸）保持嚴(yán)格同步，也稱為同步攻螺紋。因此，可以取消攻螺紋的浮動環(huán)節(jié)，絲錐直接裝在夾頭內(nèi)，可提高攻螺紋精度。高速剛性螺紋最高轉(zhuǎn)速達(dá)3600～6000r/min，減少切削時間，并可快速反轉(zhuǎn)退出絲錐，因此也提高了攻螺紋的效率。整機(jī)具有占地面積小、換刀速度快、能夠?qū)崿F(xiàn)一次裝夾完成銑削、鉆孔、攻絲，提高了鉆削生產(chǎn)效率、降低了生產(chǎn)成本，具有操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。

2 基于Pro/E完成整機(jī)的三維建模、靜態(tài)干涉檢查

采用正向工程、自下向上的方法進(jìn)行三維建模，即：首先使用草繪模塊，設(shè)繪出復(fù)雜特征和通用特征的截面圖，保存為*.sec。其次使用零件模塊，設(shè)繪出零件模型，保存為*.prt。第三，使用裝配模塊，均以“剛性”連接的方式逐級完成裝配，設(shè)繪出元件→部件→組件→整機(jī)裝配模型，保存為*.asm。配合使用繪圖模塊，設(shè)繪出上述模型的工程視圖集，保存為*.drw。在上述模塊內(nèi)可完成特征及元件的創(chuàng)建及編輯、視圖管理、渲染、靜態(tài)干涉檢查、裝配爆炸、測量、關(guān)系式和簇表定義及使用等操作。

說明：對總裝模型樹內(nèi)一級元件的選取，既以合作單位傳統(tǒng)的分類習(xí)慣或標(biāo)準(zhǔn)為主，又兼顧在Adams中易于前處理等實(shí)際需要作些調(diào)整，經(jīng)過多輪次反復(fù)摸試才最終敲定。均采用據(jù)其元件名的漢語拼音的全拼來作內(nèi)外部命名，從而易于見名知義，提高辨識度。

3 基于Adams完成整機(jī)的動態(tài)演示及運(yùn)動學(xué)仿真分析[1～3]

3.1 Pro/E與Adams之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

在Pro/E該總裝模型（tom-z540b.asm）內(nèi)，逐一操作，實(shí)現(xiàn)：將模型樹內(nèi)當(dāng)前一級元件（注：零件或部件）以外的其它元件全部“隱含”或“凍結(jié)”，實(shí)現(xiàn)在圖形區(qū)僅顯示該元件，再將該總裝模型另存為*.x_t（注：在另存對話框中，各個控件均采用默認(rèn)選項(xiàng)值），隨后將該總裝模型從Pro/E內(nèi)“拭除”后再重新“打開”。從按此法推進(jìn)，逐一生成12個*.x_t文件。

3.2 導(dǎo)入前，對帶有螺旋掃描特征的零件模型，均配作同一簡化處理

處理方法：均無螺旋掃描特征。從而：滾珠絲桿等螺桿件均呈現(xiàn)為光桿，滾珠絲桿螺母等螺母件均呈現(xiàn)為光孔。

說明：該處理的起因是以多種格式轉(zhuǎn)換后，導(dǎo)入Adams，螺旋掃描特征均會出現(xiàn)失真。

3.3 導(dǎo)入前，對滾珠絲桿零件模型，均另外配作涂對比色處理

處理方法：在零件模型（*.prt）內(nèi)，分別“復(fù)制”零件兩側(cè)的回轉(zhuǎn)面、隨后“粘貼”，從而創(chuàng)建出目標(biāo)面組，隨后對該面組涂對比色，效果見圖2～圖4整機(jī)模型內(nèi)相應(yīng)的零件模型顯示。

說明：導(dǎo)入Adams后，進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真時，對比色用作該件旋轉(zhuǎn)方向及旋轉(zhuǎn)快慢的視覺標(biāo)識。

3.4 整機(jī)各個運(yùn)動機(jī)構(gòu)的工作原理

整機(jī)拆除三個軸向的防護(hù)罩組件后的立體圖如圖1所示，圖中各個運(yùn)動機(jī)構(gòu)的工作原理具體描述如下：

3.4.1 整機(jī)各個進(jìn)給運(yùn)動機(jī)構(gòu)的工作原理

底座組件1、立柱組件12與刀庫組件18的框架均為定件，均采用緊固件連接實(shí)現(xiàn)絕對固裝?；M件6為動件，其通過Y軸線性導(dǎo)軌組2與Y軸滑塊組3以對稱形式配裝到底座組件1的上端面，并可沿Y軸作絕對平移進(jìn)給運(yùn)動。工作臺組件11為動件，其通過X軸線性導(dǎo)軌組9與X軸滑塊組10以對稱形式配裝到滑座組件6的上端面，并可沿X軸作相對平移運(yùn)動，故其可在某一水平面內(nèi)作XY兩軸聯(lián)動的絕對平移進(jìn)給運(yùn)動。主軸組件15為動件，其通過Z軸線性導(dǎo)軌組16與Z軸滑塊組17以對稱形式配裝到立柱組件12的前端面，并可沿Z軸作絕對平移運(yùn)動。加工期間，工件就可相對刀具作XY三軸聯(lián)動的平移進(jìn)給運(yùn)動。

圖1 拆除三個軸向防護(hù)罩組件后的整機(jī)模型Fig.1 The whole machine model after removing three axial shield components

XY三軸各自的傳動結(jié)構(gòu)及路線極其類似：各自的電機(jī)組件、軸承組件均采用緊固件連接實(shí)現(xiàn)分別固裝到滑座組件、底座組件與立柱組件。各自的滾珠絲桿（7、4、13）一端采用聯(lián)軸器直聯(lián)電機(jī)，另一端配裝到軸承座，實(shí)現(xiàn)可繞各自的軸向作任意旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。各自的滾珠絲桿螺母（8、5、14）既套裝在其滾珠絲桿（7、4、13）上，又采用緊固件分別與工作臺組件11、滑座組件6、主軸組件15連接，實(shí)現(xiàn)相對固裝，從而實(shí)現(xiàn)分別帶動上述組件沿各自的軸向作任意平移進(jìn)給運(yùn)動。

3.4 .2整機(jī)切削運(yùn)動機(jī)構(gòu)的工作原理

主軸頭配裝在主軸組件下方，主軸電機(jī)采用緊固件連接實(shí)現(xiàn)相對固裝在主軸組件內(nèi)部，并經(jīng)軸系零部件連接將運(yùn)動和動力傳遞給主軸頭，實(shí)現(xiàn)主軸頭繞Z軸作任意旋轉(zhuǎn)的切削運(yùn)動。

3.5 導(dǎo)入后，對模型采用同一方法進(jìn)行前處理

啟動Adams/View，新建模型，將上述12個*.x_t文件逐一導(dǎo)入（注：均采用ASCII、Part Name選項(xiàng)）。完成后，系統(tǒng)自動創(chuàng)建出12個構(gòu)件。逐一設(shè)置各個構(gòu)件的材料屬性。創(chuàng)建3個旋轉(zhuǎn)副（Revolute Joints）、3個螺旋副（Screw Joints）、3個移動副（Translational Joints）、6個固定副（Fixed Joints）和3個旋轉(zhuǎn)驅(qū)動（Motions），完成后，共有 15個運(yùn)動副和3個驅(qū)動。其中，各個運(yùn)動副所關(guān)聯(lián)到的兩個構(gòu)件參見圖3所示的模型樹Connectors內(nèi)顯示的相關(guān)內(nèi)容。在各個螺旋副內(nèi)，均將螺距值（Pitch）設(shè)為120。在X、Y、Z 方向的 Motions內(nèi)均設(shè)定“Displacement”，據(jù)動態(tài)演示需要，函數(shù)均設(shè)定為：480.0*sin（time），代表各個時刻X、Y、Z方向的角速度大小均相等，均按 ωx（或 ωy或 ωz）=480sin（t）求算來取值。最后作細(xì)節(jié)處理：各個構(gòu)件、運(yùn)動副、驅(qū)動改名，各個構(gòu)件涂對比色等。前處理完成后整機(jī)顯示如圖2所示，保存為TOM_Z540B.bin。圖2模型樹Bodies內(nèi)各個構(gòu)件名稱從上向下依次表示：刀庫組、主軸組、Z向滾珠絲桿螺母、Z向滾珠絲桿、立柱組、工作臺組、X向滾珠絲桿螺母、X向滾珠絲桿、滑座組、Y向滾珠絲桿螺母、Y向滾珠絲桿、底座組及大地。

圖2 在Adams/View中前處理完成后的總裝模型Fig.2 Assembly model after pretreatment in Adam s/View

3.6 對整機(jī)的進(jìn)給運(yùn)動進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真計(jì)算與動態(tài)演示

單擊仿真操作對應(yīng)的圖標(biāo)，設(shè)置好相應(yīng)的選項(xiàng)和參數(shù)值后，單擊開始按鈕，軟件隨即在后臺進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真計(jì)算并在圖形區(qū)實(shí)時顯示整機(jī)運(yùn)動仿真過程，實(shí)現(xiàn)動態(tài)演示。

整機(jī)在不同時間節(jié)點(diǎn)的動態(tài)演示效果如圖3～圖4所示。

圖3 整機(jī)作進(jìn)給運(yùn)動第1秒末時的仿真效果Fig.3 Simulation effect of the whole machine as feed movement at the end of 1s

圖4 整機(jī)作進(jìn)給運(yùn)動第5秒末時的仿真效果Fig.4 Simulation effect of the whole machine as feed movement at the end of 5s

3.7 對整機(jī)的進(jìn)給運(yùn)動進(jìn)行仿真結(jié)果分析和后處理

3.7.1 使用Measure獲取動件的運(yùn)動特性曲線

在Adams/View該模型內(nèi)，在圖形區(qū)選取某一動件，單擊右鍵，選取該對象名，如：工作臺組件 （Part：gongzuotaizu），從下拉菜單選取Measure選項(xiàng)。在【Part Measure】對話框內(nèi)視需要選取相應(yīng)的選項(xiàng)，單擊Apply按鈕后，即可顯示該動件拾取點(diǎn)（如：工作臺組件質(zhì)心點(diǎn)）處相關(guān)的運(yùn)動特性測量曲線。

3.7.2 使用Adams/Postprocessor獲取動件的運(yùn)動特性曲線

在Adams/Postprocessor該模型內(nèi)，采用左上角缺省的“Plotting”模式，依次選取所需的亮顯項(xiàng)，單擊Add Curves，圖形區(qū)將以不同的顏色和線型作區(qū)別來顯示所選取的動件組相關(guān)的運(yùn)動特性測量曲線，效果如圖5所示。

圖5 工作臺組件質(zhì)心點(diǎn)處的運(yùn)動特性曲線Fig.5 M otion characteristic curves at the center of the worktable com ponents

3.7.3 使用Adams/Postprocessor輸出整機(jī)進(jìn)給運(yùn)動的仿真動畫

在圖5所示的界面內(nèi)，將左上角設(shè)置為“Animation”動畫模式，在圖形區(qū)單擊右鍵，從右鍵選取“Load Animation”，即可載入該整機(jī)模型，在控制面板內(nèi)完成相關(guān)設(shè)置后，點(diǎn)擊相關(guān)的播放鍵，對動畫進(jìn)行播放和控制。即：可實(shí)現(xiàn)向前或向后、單幀或連續(xù)、單次或循環(huán)播放。播放的同時，若點(diǎn)擊錄音鍵，即可同步制作動畫并可保存為*.avi文件并可實(shí)現(xiàn)在外部播放。

3.8 動態(tài)演示與運(yùn)動學(xué)仿真分析吻合性校驗(yàn)

從工作臺組件質(zhì)心點(diǎn)處的動態(tài)演示、前處理中運(yùn)動參數(shù)設(shè)置及其運(yùn)動特性曲線查證：仿真結(jié)果與理論計(jì)算吻合，滿足設(shè)計(jì)要求，其它動件組的比對方法和結(jié)果類同。

4 結(jié)束語

目前進(jìn)行了該款產(chǎn)品整機(jī)的三維建模、動態(tài)演示及各個進(jìn)給運(yùn)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果來驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案、消除靜態(tài)和動態(tài)的干涉。對物理樣機(jī)的研制和產(chǎn)品的投產(chǎn)均起到了理論指導(dǎo)和實(shí)踐驗(yàn)證作用，在合作單位中推廣了先進(jìn)的設(shè)計(jì)、分析一體化的理論和技術(shù)。今后將拓展來研究關(guān)鍵零部件直至整機(jī)的動力學(xué)特性，在Adams內(nèi)進(jìn)行柔性體建模、參數(shù)化建模、敏感性分析、優(yōu)化分析、振動分析，甚至機(jī)、電、液一體化設(shè)計(jì)與分析等。