基于ADAMS的3-TPS混联机床动态特性分析.pdf

2 0 1 4年 5月 第 4 2卷 第 9期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAULI CS Ma v 2 01 4 Vo 1 ． 4 2 No ． 9 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 0 9 ． 0 0 2 基于 A D A M S的 3 - T P S 混联机床动态特性分析 孟祥 志 。赵 柏庆 1 ．东北大学机械工程与 自动化学院，辽宁沈 阳 1 1 0 8 1 9 ； 2 ．沈 阳 自动控 制研 究设 计 院，辽 宁沈 阳 1 1 0 0 1 6 摘要利用 A D A MS软件对3 - T P S型混联机床进行振动测试分析和加工仿真分析，建立 了机床动态仿真分析 的刚柔耦 合模型，分析了机床在各个方向的振动特性，仿真分析了切削力下机床刀尖位置的位移偏差。结果表明，该机床 y 、z方 向的振动响应较大， 向的响应较小；在铣削力作用下，刀尖点位移产生了明显的偏移，致使机床的加工精度降低。 关键词混联机床；A D A MS ；振动；动态特性 中图分类号 T P 2 4 2 ． 2 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 90 0 64 Dy na mi c Ch a r a c t e r i s t i c Ana l y s i s f o r 3． TPS Hy b r i d M a c h i n e To o l Ba s e d o n ADAM S MENG Xi a n g z h i ， ZHAO Ba i q i n g 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n gA u t o m a t i o n ，N o r t h e a s t e r n U n i v e r s i t y ，S h e n y a n g L i a o n i n g 1 1 0 8 1 9 ，C h i n a ； 2 ． S h e n y a n g I n s t i t u t e o f A u t o m a t i c C o n t r o l ，S h e n y a n g L i a o n i n g 1 1 0 0 1 6 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e 3 ． T P S h y b rid ma c h i n e t o o l wa s t a k e n f o r v i b r a t i o n t e s t a n a l y s i s a n d s i mu l a t i o n a n a l y s i s b y u s i n g t h e A DAMS s o ft w a r e ， a n d t h e r i g i d ． fl e x i b l e c o u p l e d mo d e l o f t h e ma c h i n e t o o l f o r d y n a mi c s i mu l a t i o n a n a l y s i s wa s e s t a b l i s h e d ． T h e v i b r a t i o n c h ara e t e r i s t i c s o f t h e ma c h i n e t o o l i n e a c h d i r e c t i o n we r e a n a l y z e d，a n d t h e c u t t e r p o i n t ’ S p o s i t i o n d e v i a t i o n u n d e r c u t t i n g f o r c e w a s a n a l y z e d w i t h s i mu l a t i o n ． T h e r e s u h s s h o w t h a t t h e v i b r a t i o n r e s p o n s e i n Y，Z d i r e c t i o n o f t h e ma c h i n e t o o l i s l a r g e r a n d s ma l l e r i n X d i r e c t i o n； u n d e r t h e a c t i o n o f mi U i n g f o r c e ，t h e c u t t e r p o i n t s d i s p l a c e me n t h a s a p p e a r e d o b v i o u s d e v i a t i o n a n d ma d e t h e ma c h i n i n g a c c u r a c y r e d u c e d Ke y wo r d s Hy b r i d ma c h i n e t o o l ； ADAMS ； Vi b r a t i o n； D y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s 并联式机器人机床是机器人技术与机床技术相结 合产生的高科技产品，随着机床 日益向高速、高效和 高精度发展，其振动性能的优劣是影响机床性能的重 要因素 。如何提高并联机床 的抗振性能 已经成 为这类 机床的关键技术⋯。因此对并联机器人机床进行动态 性 能研究具 有十分重要的意义 。 对并联机器人的动力学模型进行理论分析时由于 不确定的因素很多 ，需要进行诸多简化 ，很难建立准 确的动力学模型。同时，对其进行激振测试实验时也 很难排除干扰因素从而找出机床的薄弱环节，因此把 理论分析和仿真测试紧密地结合起来 ，是优化并联机 器人结构和测试动态特性的有效途径。文中利用A D A MS 软件对并联机床进行振动分析和切削加工仿真。 1 机床模型 图 1 是 3 - T P S型立 卧转换 式} 昆 联机床 。该 机床机 构的动静平 台之 间配置一个 由两个平行 四边形 组成 的 平行机构 ，平行机构限制了动平台两个方向的转动， 使动平台只能作 3个方向的移动和 1 个派生的转动运 动 。机构动平 台的法线与 水平面成 4 5 。 角． 配置 ，安装 在动平台上的主轴部件可以绕动平台的法线方 向转 动，使主轴的轴线可以立卧转换 。 a 机床结构图 b CA D 模型 图 l 混 联机床结构 2机床振动模型的建立 振动分析主要在频域或时域 内计算系统某些点 的 响应和系统的模态，通过振动分析和模态分析来确定 如何降低或抑制系统 的振动响应。在 A D A MS的振动 仿真分析模块 A D A M S ／ V i b r a t i o n中可对系统进行多方 收稿 日期 2 0 1 3 0 4 2 8 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 1 7 5 0 6 9 ；中央高校基本科研业务专项资金资助 N 1 2 0 4 0 3 0 0 5 作者简介孟祥志 1 9 7 2 一 ，男 ，博士，副教授，研究领域为机器人与机床技术、振动与阻尼技术、优化设计技术。E ma i l x z h me n g ma i l ． n e u ． e d u ． c n 。 第 9期 孟祥志 等基于 A D A MS的3 - T P S混联机床动态特性分析 7 面 的测试 。 由于混联机床的结构复杂，而 A D A M S的建模功 能不够强大 ，因此 ，应用 S o l i d w o r k s 对并联机床进行三 维建 模，将 建 立 的 并 联 机 床 模 型 存 为 P a r a s o l i d ． x _ t 格式导入 A D A M S中，然后修改模型的颜色、 材料特性和施加运动 副约束。再利用 A D A M S ／ V i e w的 模型自检工具对模型进行 自检。并联机床在施加完约 束后，在一些转动副位置出现了冗余约束，处理的办 法是用点线副来替代旋转副，确保系统没有过约束 ， 否则在振动分析或动力学分析时会出现错误报警。 3 刚柔耦合系统的建立 3 - T P S} 昆 联机床动力学系统实质上是一个多柔性 体 系统 ，柔性部件对 系统 的动态特性有很大影 响 ，因 此 在进行激振仿 真测试 之前需要对一些关键部件进行 刚柔转换 。 机床 的动 、静 平 台与 驱 动杆 分支 及 平行 机 构 相 比，其刚度很大，因此可将动、静平台视为刚体。由 机床的结构可以看出3个驱动杆的长度直径比很大 ， 为细长杆结构，应将其作为柔性体。平行机构为机床 的几何约束链 ，其组成构件的变形将直接影响整机的 精度，平行机构中小拉杆2与其他杆相比截面尺寸较 小 ，刚度较差 ，对整机精度影响较大 ，故视为柔性体 图2 。由于模型中的柔性体对仿真速度有很大的影 响，为了提高仿真速度 ，一般只考虑将重要构件由刚 性体转为柔性体，而其他的构件仍视为刚体。所以在 本机床系统 中只将 3个驱动杆和平行机构 中的小拉杆 作为柔性体 ，形成刚柔耦合系统。 A D A M S ／ F l e x中的柔性体 可采用模 态 中性文件 Mo d a l N e u t r a l F i l e 来描述。在 A D A M S中建立柔性 体的方法有两种一是利用 A D A M S ／ A u t o F l e x 模块直 接生成模态 中性文件；二是利用有限元软件如 A N ． S Y S 等生成模态中性文件，再利用 A D A M S ／ F l e x模块 与有限元分析软件之间的数据接 口来完成数据传输。 由于A N S Y S软件分析精度高并且与 A D A M S有良好的 接 口，故采用 A N S Y S来生 成仿 真所需 的模 态 中性文 件。将零件模 型存为 x t 格 式， 导入 A N S Y S中生成实体模型 ，经 分析后生成 ． m n f 格式 的模 态 中性 文件 ，再 导人 A D A MS中替 换 刚 性体 ，添加相关运动副 和驱 动， 就建立了刚柔耦合系统。并联机 床刚柔混合模型如图2所示 ，其 中小拉杆 2和 3根伸缩杆 1 、3 、 4为柔性体。 4振动仿真分析 图 2 机床的刚柔 耦合模型 机床在铣削加工过程 中，刀尖点是振源的主要输入 点。将铣削力设为仿真输入通道激振器的输入信号 ， 在切削过程 中，刀尖 的位移 响应将直 接影 响工件的加 工质量，因此将刀尖点位移作为输出通道研究对象。 以机床应用铣刀顺铣加工工件为例，此时作用在 机床结构上的激振力来 自铣刀的铣削力，铣削力的大 小可视为正弦激振力 的幅值 。 本文采用硬质合金立铣刀铣削加工碳钢 ，根据文 献 [ 5 ]估算切削力如下 主切削力 FG1 2 a 8 5 0 f ’7 3 0 。n 0 t 1 21 5 n 0 ． 0 5 。 2 0 。 2 9 5 5 。 4 8 68 N 式中o 为铣削宽度 ，取 0 5 m m； 。 为每齿进 给量 ，。 0 ． 0 5 m m ／ 齿 ； o 。 为铣削深度 ，o 。 2 m m； d 为铣刀直径 ，d 2 0 m m； 为铣刀齿数 ， 4 。 取切削速度 1 ． 0 m ／ s ，则刀具转速 1 0 0 0 mm／s t 7 r 2 0 mm 1 5 ． 9 r ／ s9 5 5 r ／ mi n 在刀尖点处施加切削力激励信号 ，采用快速正 弦 扫描激振法作振动分析 ，初始相位为0 ，刀尖点的响 应 以位移响应量给 出，构成机构频响应分析 图。t 选择 0 ． 0 1 ～ 5 0 0 H z 作为 扫描 测试 频段 ，以 1 H z 作为分析步长细化频带，采用快速正弦扫频的方法对 样机模型进行频响应分析，振动仿真完成后，在 A D - A MS的后处 理模块 中可得 到 系统在 0 ． 0 1 ～ 5 0 0 H z内 的频响应曲线。 在 A D A M S ／ P o s t P r o c e s s o r ． 后处理模块 中可得到刀尖 点在 、I ， 、z、Ma g方向的频响应曲线如图3所示。 I 1 画0 馨 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 频 率／ Hz An a l y s i s Vi br a t i o n An a l y s i s 1 a x向 ．03 5 0 ． 0 3 ．02 5 0 ． 0 2 ．0 1 5 O ． 0 1 ．00 5 0 ． 0 0 1 2 5 2 5 0 3 7 5 5 0 0 频 率／ H z An a l y s i s Vi b r a t i o n An a l y s i s 1 c z 向 0 1 2 5 2 5 0 3 7 5 5 0 0 频 率／ Hz Ana l ys i s Vi br at i on Anal ys l s _l b l ， 向 0 ． 0 7 0 ． 0 6 g 0 ．0 5 昌 0 ． O 4 0 ． 0 3 0 ． 0 2 0． 01 0 ． 0 0 1 2 5 2 5 0 3 7 5 5 0 0 频率／ Hz A na l y s i s Vi b r a t i o n An a l y s i s 一1 d Ma g l 文中主要分析 3 - T P S混联机床的切削振动，因此 图3 机床的幅频响应曲线 目g、 罂 8 机床与液压 第 4 2卷 由 A D A M S后处理中的 自动捕 捉功能捕 捉 幅频 响 应曲线可得， 方向在频率为4 4 ． 0 6 H z 时响应最大， 达到 2 ． 1 7 21 0 一 m m，随后 在 1 6 7 ． 4 9 H z时 响应 较 大，为 3 ． 1 3 41 0 ‘ 。。 m m；Y方 向在频率 为 8 5 ． 5 1 H z 时的 响应 为 0 ． 0 6 1 6 m m；Z方 向在频 率 为 8 5 ． 5 1 H z 时的响应为 0 ． 0 3 3 1 m m；空 间合成方 向在频 率为 8 5 ． 5 1 H z 时的响应为0 ． 0 6 8 8 m m；X方向响应其数量 级相对于其他方 向非 常小 ，故可忽 略。 5 铣削力下刀尖点的位移轨迹偏差 机床在加工过程 中受铣 削力后 ，由于伸缩 杆等细 长杆件 的弯 曲变形 ，刀尖点位移 轨迹 与理想状 态会 产 生偏 差 ，下 面从这 个角度对并联机床进行动态特性分 析。 让机床动平 台做螺旋上升运动 ，运动过程 中在刀 尖点处施加铣削力，比较机床空载与切削加工运行过 程中刀尖点的位移变化情况。 比较方法如下首先令机床空载运行，得到刀尖 点 的位移曲线 ，然后在刀尖点施加铣削力 ，模拟机床 铣削加工过程 ，再生成刀尖点 的位移 曲线 。以机床空 载运行时刀尖点 的位移 曲线 为基准 ，用机床受铣 削力 后生成 的刀尖点位移 曲线 与机床 空载时刀尖点的位移 曲线作差后取绝对值得到切削加工过程中刀尖点的位 移偏差曲线。偏差越大，说明机床振动越严重。 刀尖点作锥螺旋线运动 的参数方程为 ， l O tc o s 2 r t { Y1 0 t s i n 2 “r r t 1 t z1 5 t 进行一次 1 0 S ，3 0 0步的运动仿真 ，得到机床刀 尖点的空间运动轨迹如图4所示 。 图 4 刀尖点 的运 动轨迹 仿真过程 中，分别测量 3根驱动杆 的杆长 随时 间 变 化情 况 ，在 A D A MS ／ P o s t P r o c e s s o r中生 成 3 条杆 长 随时间变化的曲线 ，并将它们分别生成为 3 条样条曲 线 ，然后去掉刀尖点的单点运动激励，在 3 个驱动杆 上分别施加 直线驱动 ，定义驱动的位移 曲线与样条 曲 线相同，再进行运动仿真，此时刀头运动轨迹与在刀 尖点施加单点运动激励时吻合 ，这时如在刀尖点施 加 载荷 ，就 可 以进 行动力 学 分析 了。实 际 这是 应用 A D A M S软件 ，由运动学反解求解并联机构运动学 正解 的过程 。 。 。在 3个驱 动杆 的驱 动下 ，可 以得 到 机床 空载状态 下 刀尖 点 、y 、Z 、Ma g方 向的位 移 曲线 。 假设机床在螺旋上 升运 动过程 中仍 为铣 削加工 ， 铣削参数选择与上一节相同，铣削方向为顺铣 ，则根 据上一节中求得的主切削力 平均切削力值 ，并 根据文献 [ 5 ]计算得 ． FH0． 9Fc0 ． 98 68 N 7 81 ． 2 N ．Fv 0 ． 8 FG0 ． 88 6 8 N 6 9 4- 4 N F 0 ． 4 Fc0 ． 48 6 8 N 3 4 7． 2 N 式中F 为与进给方 向相反的水平分力，即为铣削 进给抗力 ； F 为沿进给方 向的垂直分力，对于周铣使工 件抬起或压紧，容易引起振动； F 为轴 向力 ，作用 于 铣床 主 轴 ，并 与刀 具 螺 旋角有关 。 由于铣 削过程 中切 屑分离时的塑性变形 、刀具与 被加 工表 面的摩擦 以及 刀具刀痕等原 因，会使被加工 表面产生微观 的凹凸不平 ，因此会形成机床 一刀具 一 工件系统的高频振动 ，这主要体现刀尖点在 z方 向 上会受到 幅值不 断变化的激振力。 为模拟铣削加工，根据以上分析计算结果 ，在刀 尖 Ma r k e r 点施加 各方 向分力 分别 为 方 向 7 0 0 N， l ， 方 向 7 0 0 N，Z 方 向 为 正 弦 激 振 力 1 7 51 7 5 s i n 2 ，频率， 采用上一节振动分析得到的共振频率 8 5 ． 5 1 Hz 。 依次分别选择 、l ， 、Z、Ma g 4个方 向进行仿 真 ，生成 4个方 向的刀尖点位移 ，分别 与机床 空载时 的刀尖点位移 曲线做差后取绝对值得到铣 削力作 用下 刀尖点 的位移偏差 曲线如 图 5所示 。 由曲线可见 ，机床在切削加工过程 中 ，刀尖 点位 移与空载时产生偏差 ，说明受切削力影响，机床薄弱 构件发生变形使运行不平稳导致刀尖点位移轨迹发生 变化 ，影 响加 工精度 。 6 结 论 以3 - T P S混联机床为模型 ，利用 A D A MS软件对 其动态性能进行 了仿真分析。利用 A D A MS ／ V i b r a t i o n 模块分析了机床铣削加工过程中，在铣削力激励下刀 尖点的振动情 况 ，得到了相应的幅频特性 曲线 。利用 动力学分析方法研究了机床铣削运动过程中，在切削 力作用下 刀尖 点 位移 偏差 随 时 问变 化 曲线 。结 果 表 明，机床在切削加工过程中存在明显的振颤现象，需 要改善机床的动态特性，提高抗振能力。 第 9期 孟祥志 等基于 A D A MS的3 - T P S 混联机床动态特性分析 9 0． 0 6 目 0 ． 0 5 宴0 ． 0 4 0 ． 0 3 0 ． 0 2 O ． 0 1 0． 0 0 l 2 3 4 Anal ys i s Las t Run 0 ． 0 25 自O ．0 2 0 _0 l 5 蠢0 ．O 1 0 ． 0 0 5 0 ． 0 5 6 7 8 9 l 0 时 间， s a x向 0 1 2 3 4 A n a l y s i s L a s I _ Ru n 5 6 7 8 9 l 0 时间／ s f c Z向 0 ． O 4 2 0 ．0 3 o ．o z 簿 0 ．0 1 0． 0 0 l 2 3 4 Anal ys i s La st Run 5 6 7 8 9 1 0 时 问／ s b 垧 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 l 0 An a l y s i s L a s t R u n 时 间， s t d Mn g 向 图 5 刀尖点 的位 移偏 差 参考文献 [ 1 ]汪哲能． 并联机床研究趋势及我国发展现状分析[ J ] ． 中国新技术新产 品 ， 2 0 0 9， 2 4 1 4 2 ． [ 2 ]ME N G X i a n g z h i ， L I S h u j u n ， L I Mi n g ． S t u d y o n t h e K i n e ma t i c s o f 3 - T P S Hy b r i d Ma c h i n e T o o 1 ． A p p l i e d Me c h a n i c s a n d Ma t e r i als ， 2 0 0 9， 1 61 9 1 3 2 91 3 3 4 ． [ 3 ]李增刚． A D A MS入门详解与实例[ M] ． 北京 国防工业 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 4 ]朱春霞 ， 朱立达， 刘永贤， 等． 基于 A D A MS的并联机器 人振动特性仿真与结构优化 [ J ] ． 系统仿真学报， 2 0 0 8 ， 2 0 1 4 3 7 2 1 3 7 2 5 ． [ 5 ] 机床设计手册 编写组． 机床设计手册[ M] ． 机械工业 出版社 ， 1 9 8 6 ， 1 2 1 1 8 41 1 9 2 ． [ 6 ]郝秀清， 胡福生 ， 郭宗和， 等． 基于 A D A MS的3 一 m并 联机构运动学和动力学仿真[ J ] ． 机械设计 ， 2 0 0 6 ， 2 3 9 91 1 ． [ 7 ]L I U M i n j i e ， L I C o n g x i n ， L I C h o n g n i ． D y n a m i c s A n a l y s i s o f t h e G o u g h S t e w a r t P l a t f o r m Ma n i p u l a t o r [ J ] ． I E E E， T r a n s a c t i o n s o n R o b o t i c s a n d A u t o ma t i o n ， 2 0 0 0 ， 1 6 1 9 49 8 ． [ 8 ]T S A I L W． S o l v i n g t h e I n v e r s e D y n a m i c s o f a S t e w a r t G o u g h Ma n i p u l a t o r b y t h e P r i n c i p l e o f V i r t u a l Wo r k [ J ] ． J o u r n a l o f Me c h a n i c al D e s i g n ， 2 0 0 0 ， 1 2 2 1 3 9 ． [ 9 ]K I M J i n w o o k ， P A R K F C ， K I M Mu m s a n g ． G e o m e t r i c D e s i g n T o o l s f o r S t i f f n e s s a n d Vi b r a t i o n An a l y s i s o f Ro b o t i c Me c h a n i s m s [ C] ． I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n R o b o t i c s＆A u t o ma t i o n， 2 0 00 1 9 421 9 47． [ 1 0 ]Y u M i a o ， Z HA O J i ， Z H A N G L e i ， e t a 1 ． S t u d y o n D y n a mi c Cha r a c t e ris t i c s o f Vi rtu a l Ax i s Hy b r i d Po l i s hi n g Ma c hi n e T o o l b y F l e x i b l e Mu h i b o d y D y n a m i c s [ J ] ． J o u r n al o f E n g i n e e r i n g Ma n u f a c t u r e -- P r o c e e d i n g o f t h e I n s t i t u t i o n o f Me ．． c h a n i c a l E n g i n e e r s P a r t B， 2 0 0 4， 2 1 8 9 1 0 6 7～1 0 7 6 ． 上接第 l 6页 的复杂性 ，仅使用 P I D控制器还不能满足需求 ，与传 统 P I D控制器相 比，模糊 自适应 P I D参数控制较常规 P I D控制具有较小的超调量 和较短 的调节 时间 ，且 具 有较好的动态响应特性和稳态特性，在实践中具有重 要 的应用价值 。 参考文献 [ 1 ]S H E N G Y i n g ， Q I U Y u a n y i n g ． A n A u t o m a t i c A d j u s t i n g A 1 g o r i t h m F o r T h e H y d r a u l i c P l a t f o rm Wi t h S i x L e g s [ J ] ． J o u r n a l o f Xi d i a n Un i v e r s i t y Na t u r a l S c i e n c e ， 2 0 0 3， 2 9 5 5 9 4 5 9 7 ． [ 2 ]Z H U D a c h a n ． S t u d y o f A u t o ma t i c L e v e l i n g S y s t e m fo r V e h i c l e ． ．b o r n e Ra d a r A n t e n n a Ba s e d o n P a r a l l e l S u p p o rt Me c h a n i s m[ M] ． D o c t o r a l d i s s e rt a t i o n ， 2 0 0 8 ． [ 3 ]江涛 ， 朱大昌． 基于 2 R 1 T并联机构的 自动调平控制系 统设计与仿 真[ J ] ． 机电工程技术， 2 0 1 3 ， 4 2 3 3 1 3 4． [ 4 ]K U N D a S u ． A N e u r a l F u z z y I n f e r e n c e N e t w o r k f o r C o n t r o l l i n g o f 3 - 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