基于CAD技术在虚拟轴数控机床应用研究.pdf

务1 訇 似 基于C A D技术在虚拟轴数控机床应用研究 Resear ch on t he vi r t ual a xi s NC m achi ne t ool ba sed on CAD t echnol ogy 唐健 T ANG J i a n 重庆工业职业技术学院。重庆 4 0 1 1 0 0 摘要 虚拟轴机床改变了传统的机械制造技术受到国内外的普通关注。文童阐述了虚拟轴机床的现 状、结构及其特点，C A D 技术对机械行业所发挥的作用。利用A D AMS 软件建立并联机床的运 动学和动力学仿真模型，并且对运动学模型的正解问题分析和力的分析 ，测出机床的输入、 输出的关系呈非线性。 关键词数控机床；虚拟轴；C AD 技术 中国分类号T P 3 2 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 2 0 9 上 一 0 1 1 5 一O 3 Do i 1 0 ． 8 9 6 9 ／ } ． i s s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 0 1 2 ． 9 E ． 3 8 0 引言 随着传统机床技 术的发展 ，其技 术已经 日益 成熟，加入 了数控技术后机床 的加工精度、 自动 化程 度、加工范围等都很大 改善 。但是机 床的结 构还是将床身、立柱、主轴箱 等串联形成 ，其 控 制比较简单 。存在一些缺陷 受力或热变形不均 ； 机床造价高、笨重、搬运困难；机床的模块化程 度受限，系统也变得不可靠 。到 了 9 0年代 ，出现 了一种结合机器人技术和机床结构技 术的新结构 机床称为虚拟轴机床，又 叫并联机床，它是机床 行业的重大变革。虚拟轴机床是结合了机械制造、 数控技术、空间机构学、C AD技 术和计算机等 的 高科技。文章从虚拟轴机床的特性 出发结合 C AD 技 术，选择 了较先进的 A DA MS软件进行建模和 运动学分析等。 1 虚拟轴数控机床 虚拟轴机床在我国已经被列入 “ 九五” 科技攻 关和高课 题发展规划 ，国家 自然科学基金对其技 术基础理 论的研 究也给予资助。随着计算机的处 理能力加快，今后硬 件的复杂性在 向着软件方面 迁移 ，结构简单但却智能高 效的机 电产 品正在走 向市场。虚拟轴机床在这样的大环境下发展，我 们有理 由相信今 后必将有广阔的应用范围，成为 某些领域里传统机床 的重要补充。虚拟轴机床结 构如图 1 所示 ，它克服 了串联机床刀具 自由度小、 设备加工不灵活等缺点，具有以下六个特点。 1 结构简单虚拟轴机床采用并联闭环静定 或者非静定杆系，构造机械 零部件数 目较 串联构 造平 台大幅减少 ，主要 由滚珠丝杠、电主轴 、伺 服 电机等通用机 电一体化部件组成 ，遇到复杂的 曲面 进行加工 时，只要控制六杆长 度就能 完成。 因此其结构大大简化了。 2 刚性高 虚拟轴机床是封闭性结构，因此 具有高 刚性和高速化 ，它的负荷流线短 ，六 只连 杆能承受负荷分解 的拉 、压力，当固定外力，应 力和变形最大 ，两端插入其 次，两端简支撑 ，然 后是二 力结构 ，受张力 的二力结构其变 形最小 ， 因此它的刚度重量比比传统机床高。 3 加工速度高如果改变受力方向，两力构 件就是最节省的结构 ，移动件最小重量而且有六 个致动器对它们 驱动，机床高速化容 易实现 ，并 且 惯性 低 。 4 精度高 机 床采用多轴并联机构 ，六个可 伸缩杆对 刀具都可以独立控制机床位置 ，热对称 1 ． 工作 台 2 ． 刀具 3 ． 主轴 4 ． 框 架 5 ． 杆 6 ． 关节 7 ． 电机 图l 虚拟轴数 控机 床结构 收稿日期2 0 1 2 - 0 6 2 6 作者简介唐健 1 9 6 2 ～，男，本科 ，主要从事数控技术、C AD ／ C A M／ C AE 及微控技术研究与应用工作。 第3 4 卷第9 期2 0 1 2 9 上 【 1 1 5 】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 訇 化 性结构 ，变形较小。 5 灵活性强 机床设计灵活 ，既能做成通 用 型又能开发成专用机床 ，实现加工过程磨削、铣 削 、镗削等 ，使机床的多功能得以实现。 6 使用寿命长机床结构十分合理，各种 部 件之 间的磨损 比较小，不会有铁 屑等磨损 、划 伤 导轨的内部。 2 G A D 技术 2 ． 1 C AD 概述 C A D 计算机辅助设计 ，是一种在数控加工 生产过程 中的辅助工具 ，它能够将大容量和处 理 数据的能力 ，计算机精确、高速 的运算能力 ，丰 富 多彩的文字 、图形处理 和设计者 的综合分析 、 创造性、逻辑判断能力这些都有机 结合 ，形 成一 个设计理念和计算机 紧密结合的系统，加快系统 设计的进程。 C A D技术全面、根本的变革 了传统机械制造 业，发生了质的飞跃 ，受到全球范 围的重视和关 注 ，我国的机械行业要想得到快速发展，也必须 要适应和发展 C AD技术。要努 力提高 C A D技术 的应用水平 ，高度重视该技术的应用和推 广，加 大投入力度，使 C AD技术迈上一个新台阶 ；要开 发 自主的 C A D软件 ，加大创新 ，对于引入国外优 秀的 C A D软件还要对其进行二次开发，要适合中 国国情针对机械制造业，开发 出有竞争力、有特 色的 C A D产品。C AD是综合多门学科的新技术， 包括模型设计 、绘制图形 、工程 分析等部分 ，还 包括软件设计和文档处理等。可见，平常我们说 的计算机绘图只是 C AD技术的一个部分。 C A D的机械支撑软件 目前也很多，包括 1 图 形资源软件 ，是图形标准或者规范的软件包，负责 供给程序 图形程序 包或者函数库。2 二维、三维 绘图软件，负责零件的详细设计 ，可以分为两种方 式交互式和程序调用，交互式是 目前的主要形式 ， 国内用得最多的是 Au t o C A D。3 几何造型 ，解决 零件的结构设计，存储三维等相关信息。4 工程 分析和计算软件，计算和优化方法库、机构分析和 综合软件、系统分析软件等。 2 ． 2 AD AMS 分析 AD AMS强大 的运 动学 、动 力学分 析功 能 ，使 其在工程领域备受青睐。虚拟轴机床运动的复杂性 正好适合用 A DA MS强大的功能对其分析 ，并且获 【 1 1 6 1 第3 4 卷第9 期2 0 3 2 一 g 上 得可视化结果也很快捷。 A DA MS是实体建模技术， 并且加入特征造型和变量技术。A D AMS对于简单 零件 的建模很轻松，复杂零件就需 要借助 UG等 软件建模，再将模型放入 A DA MS中做仿真分析。 AD AMS提供许多模型参数化和分析的方法，自动 仿真和分析，得到可视化结果，提高分析效率。 A DAMS软件创建 的完全参数化 的机械 几何 模型 ，采 用动 力学 中的拉 格 朗 日方程 作 为求 解 器，建立方程 ，对虚拟轴机床做 出运动学、动力 学分析 ，并且输 出速 度、位 移、加 速度 等 曲线。 AD AMS的仿真 主要用来预测机械性 能、运动 范 围、峰值载荷等。 3 虚拟轴机床建模和分析 3 ． 1建立模型 为虚拟轴机床建立运动学和动力学两个模型 。 运动学模型机床的原理机构 比真实的机床大大的 简化。运动 学模型 如图 2所 示，结构非 常简单 ， 仅仅表示了球铰 、虎克铰等都采用 A DA MS的理 想约束模型 ，分析机床的理想机构的运动学原理 。 而机床 的动 力学模型分为机床的外形，包括机床 的整体形 状，床身和立柱等固定件 ；运动部分如 图 3所示包含球铰 、虎克铰和驱动轴 ，屏 蔽不影 响机床运动的组件 ，对于运动组件各 自独立建模。 虎克铰 的组成为轴线垂直的两个 转动副，外环相 对地 面进行转动 ，内环相对外环 沿轴转动 ；球铰 的组成稍复杂为相互垂直三个轴线的转动副 ，法 兰盘是和动平 台固连 ，它们和球铰座 间有一个转 动副，球铰座和球铰轴 间为第二个转动副，与套 筒之间有第三个转动副 ，驱动轴 和套筒 的细腿相 固连。这和运动学模型不同，更接近于真实机床。 图2 电机运动学模型图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l 匐 似 A 图3 动力学模型的运动 部分模型 3 ． 2 运动学分析 对 机床 模 型 的运动 学 正 解进 行分 析 ，输 入 机 床各 个腿 由终 端计 算输 出 的运动 规 律。利 用 A DAMS计 算 速 度、输 出位 姿 、各 坐 标 轴 分 量 都 十 分 方 便。假 设 给 定 各条 腿 长 的运 动 规 律 S 1 5 0 s i n t ； s 3 l 1 0 s i n t ； s 2 8 0 t ； s 4 9 0 t ； s 5 1 2 0 t s 6 8 5 t 。 表示 第 i 条的腿长 ，单位 I T I 1 T I ，t 表示 时间。 腿 1 、腿 3运动为正弦 ，腿 2 、 4 、 5 、 6是匀速运动 ， 计算终端的速度和运动轨迹。 我们经过在运动学模型上对机床的仿真测试 ， 得到终端 A点的空间轴分量曲线 图 4 ，以及终 端 A点的速度 曲线 图 4 和 A点速度 曲线 Y轴 分量 图 5 。图 4曲线 中的尖峰 和低谷 以及速度 突变的地方都 是值得重点研究和特别注意 的，有 可能是力和加速度会大。 图4 终端A点的速度曲线 ／／ ／ 图5 A点速度 曲线Y 轴分量 虚拟轴数控机床 的运动 学正解 问题可能是多 解 ，但是 当确定初始值和腿长连续变化轨迹给定 的情况下 ，终端的构形变化是唯一的。 4 结论 本文阐述了虚拟轴机床这种将机器人和数控 技术结合的机床的特点和介绍了C AD技术的发展， 选择 了较好的 ADA MS软件进行仿真建模和运动 分析。A DAMS强大的机构分析功能可以比较全面 地分析虚拟 轴机床 的运动学性能，以及动力学性 能。在运动学分析 中给定腿 长的运动规律得到了 正解的终端运动规律。利用动 力学模型对虚拟轴 机床的受力情况也 同时做 了分析。从实验数据可 见，并联机床 的输入、输 出是非线性关 系。并联 机床和传统 的串联机床是互补关系，我 国还需要 提高和加大对虚拟轴机床的研究，并应用到实际 增强控制和决 策，优化制造过程 ，是机械制造 的 未来发展方 向，具有重大而深远的意义和价值。 参考文献 [ 1 ]方新． 机械 C AD ／ C A M[ M] ． 北京 高教 出版社， 2 0 0 3 ． 【 2 ]汪劲松， 朱煜， 张华． 并联机床虚拟产 品设计 系统及基本 框架研究【 J J ． 计算机 集成制造 系统， 2 0 0 1 ． 【 3 】杨建新， 郁鼎文， 王立平， 等． 并联机床研究现状与展望 [ J ] ． 机械设计 与制造工程， 2 0 0 2 ． [ 4 ]陈云， 马 登哲 ． 计算机辅助设计与数控加工 集成 系统 【 J J ． 机 械设 计与研 究， 1 9 9 4 ． [ 5 1 I n n o c e n t i ， C． P a r e n t i Ca s t e l l i ， V． S i n g u l a r i t y F r e e Ev o l u t i o n Fr o m On e Co nfig u r a t i on t o Ano t h e r i n Se r i a l an d Fu l l y Pa r a l l el M a ni pul at o r s ．J our na l o f M ec ha ni c a l Des i gn ， Tr a n s a c t i o ns of t he ASME．1 9 98． 第3 卷第9 期2 0 1 2 9 上 【 1 1 7 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m