基于ADAMS的机床高速主轴虚拟设计系统研究.pdf

毫蜀奇媳寄籀佣工_ 基于 A D A MS的机床高速主轴虚拟设计系统研究 尹 洋 殷国富② ①西华大学机械3 - 程与自 动化学院， 四川 成都 6 1 0 0 3 9 ； ②四川大学制造科学与工程学院， 四川 成都 6 1 0 0 6 5 摘要 针对高速主轴在数控机床中的推广应用问题， 以加工中心高速主轴系统结构设计和性能分析为重 点。 应用虚拟设计原理、 有限元分析和优化设计技术， 对加工中心高速主轴系统在 A D A MS环境下 进行了动态仿真研究。 开发了专用于机床主轴 系统设计分析软件系统 ， 给 出了部分运行实例。该 系 统能提高产 品的设计质量和设计效率。 关键词 A D AMS 高速主轴虚拟设计动态仿真 中图分类号 T P 3 9 1 Vi r t u a l De s i g n S y s t e m f o r Hi g h - s p e e d Sp i n d l e o f Ma c h i n e T o o l Ba s e d o n ADAMS YI N Ya ng ①② ，YI N Gu o f u ② S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e ri n g a n d A u to m a t io n ， X i h u a U n i v e r s i ty ， C h e n g d u 6 1 0 0 3 9 ， C H N； S c h o o l o f M a n u f a c tu r i n g S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g ， S i c h u a n U n iv e r s it y ， C h e n g d u 6 1 0 0 6 5 ， C H N Ab s t r a c t Ai mi n g a t t h e g e n e r ali z i n g a p p l i c a t i o n p r o b l e m o f h i g h - s p e e d s p i n d l e i n N C ma c h i n e t o o l ，e mp h a s i z i n g s t r u c t u r e d e s i g n a n d p e r f o r ma n c e o f h i g h - s p e e d s p i n d l e s y s t e m o f NC ma c h i n i n g c e n t e r -u t i l i z i n g v i r t u a l d e s i gn p ri n c i p l e ，fi n i t e e l e me n t a n aly z i n g a n d o p t i mi z a t i o n t e c h n o l o g y ，d y n a mi c s i mu l a t i o n o f h i g h s p e e d s p i n d l e s y s t e m o f m a c h i n i n g c e n t e r b a s e d o n A u t o ma t i c D y n a mi c A n a l y s i s o f M e c h a n i c a l S y s t e m s A D M A S w a s s t u d i e d ，c al c u l a t i n g a n d a n a l y z i n g s o f t w a r e s y s t e m d e v o t e d t o s p i n d l e s y s t e m o f m a c h i n e t o o l w a s d e v e l o p e d ， s o m e p ri m a r y v e ri fi c a t i o n j o b w a s p e rf o r m e d i n t h e s y s t e m． T h e b e t t e r d e s i g n q u a l i t y a n d hi g h e r e f fi c i e n c y u s e d wi t h t h i s s y s t e m wa s s h o we d． Ke y wo r dsADAMS；Hi g h s p e e d S p i n d l e；Vi rtu a l De s i gn ；Dy n a mi c S i mu l a t i o n 随着精密 、 超精密加工技术的发展 ， 国内外数控机 床设计领域的发展趋势是建立数字化虚拟设计环境， 将三维 C A D 、 虚拟产品建模、 数学优化设计方法、 可视 化有限元分析相结合的优化设计结合起来， 构建一种 快速设计的数字化环境平台。数字化设计技术是基于 产品描述的数字化平台， 建立基于计算机的数字化产 品模型， 并在产品开发全过程中采用 ， 达到减少或避免 使用实体模型的一种产品开发技术。因此开发高速主 轴数字化设计系统成为许多机床厂的迫切需要。 本文以机床高速主轴系统 的共性为出发点 ， 开展 较为系统的、 全面的虚拟设计 ， 进行了基于 A D A MS动 态仿真研究， 在此基础上建立起适应企业需要 的机床 产品与功能部件开发应用虚拟设计技术的一种技术信 息平台， 促进企业对高速主轴系统的产品开发和生产。 1 系统构建与主要功能模块 该系统采用面向对象的模块化设计思想， 开发了 高速主轴计算校核模块、 三维实体模型生成模块、 虚拟 装配模块 、 有限元分析模块 、 优化设计模块和三维仿真 模块 ， 模块之间相互关系如图 1所示。首先用户通过 用户界面进入高速主轴计算 校核模块进行交互性设 计， 完成后进入三维实体模型生成模块， 生成主轴及主 轴尺寸可变零件的三维图形 ， 然后进人虚拟装配模块 ， 再调入主轴组 件尺寸不变零件三维 图形进行虚拟装 配， 并检查是否干涉。再由高速主轴计算校核模块进 入有限元分析模块 ， 进行 主轴组件 的静 、 动态特性分 析， 接着进行优化设计 ， 最后将有限元分析模块中生成 的主轴柔性体 M N F文件 导人 A D A M S中， 自动建模 } 国家 8 6 3计划资助项 目 2 0 0 6 A A 0 4 Z 1 0 8 ； 高校博士学科点专项科研基金资助项目 2 0 0 6 0 6 1 0 0 3 3 3 7 l 毫羽高铂高热j 用 I T o p i c s H i g h S p e e d m d H i g h E f f i c i e n c y M a c h in in g 并仿真。此过程是一个反复的过程 ， 直到最后满足用 三维实体图形 ， 再调用已经建成 的主轴组件 中的尺寸 户需要。 不变零件库中的零件进行虚拟装配 ， 并检查是否发生 干涉。具体流程如图 3所示。 机床高速主轴集成系统开发平台 目 节 L 1 r 反 馈 定 义 L r检 索 C A D 耋轴 承 挡 圈 拉 杆 1 ／ 螺栓 轴套 主轴 C A E 乏 馈 ． T r调 用 检 索 L 1 f l 获 取 主要 功能 世 { | 三 维 实 体 生 成 虚 拟 装 配 I有 限 元 分 析 、 优 化 三 维 仿 真 检 索 L _广 获 取 数据库系统 库 图 1 系统构建 与相互关系 图 1 ． 1 高速主轴设计计算模块 高速主轴计算校核部分是该 系统软件设计 的核 心。主轴数字化设计主要计算校核都是在该模块中完 成的， 该模块生成的数据存人该系统数据库， 以备其它 模块调用。 其程序设计流程图如图2 所示。其中主轴最小轴 直径 d 可由电动机功率或切削三要素确定。对于空心 轴 ， 一般取值为 0 ． 5 0 ． 7 。 N 选择轴承型号 受力分析 系数校核通过 Y YI Yf 高速主轴数字化 设计生成的数据 l S o l i dE dg e - “ 次 开 发 厂 I 通过参数化设计 I l 尺寸不变零件库 l 生成的三维图形 I l 的零件三维图形 I I Y 自动虚拟装配 ／ ／＼＼ ／ ～b＼ 图3 生成三维实体和虚拟装配流程图 启动装配应用环境语句如下 D i m o b j A p p a 8 S o l i d E d g e F r a m e w o r k ． A p p l i c a t i o n D i m o b j D oc a s S o l i d E d g e E d g e A s s e mb l y ． A s s e mb l y D ocu m e n t On E r r o r Re s u me Ne x t S e t o b j A p pG e t O b j e c t ， ” S o l i d E d g e ． A p p l i c a t i o n ” I fEr rTh e n E rr． C l e a r S e t o b j A p p C r e a t e O b j e c t ” S o l i d E d g e ． A p p l ic a t i o n ” Set o b j D o co b j A p p ． D o c u me n t s ． A d d f” Sel i d E d g e ． A s s e mb l y D o c u m e n t ” o b j A p p ． V i s i b l e T r u e E l s e S e t o b j D oc o b j A p p ． A c t i v e D o c u me n t En di f C a l l o b j A p p ． A c t i v a t e En d S u b 其 中加入零件用下面语句 加入第一个零件 Set o b j fi r s t p a r to b j d o e ． O c c u r r e n c e s ． A d d B y F i l e n a m e fi l e 1 加入第二个零件 S e t o b j s e c o n d p a r to b j d o c ． O c c u r r e n c e s ． A d d B y F i l e n a m e fi l e 2 装配对象关系集合包括六种关系 An g u l a r Re l a t i o n 3 d，Ax i a l Rc l a t i o n 3d， Gr o u n d Re l a t i o n 3 d， P l a n a r Re l a - t i o n 3 d， P o i n t Re l a t i o n 3d， Ta n g e n t Re l a t i o n 3 d ． 图 2主 轴 数 字 化 设 计 模 块 流 程 图 2 系统开发的关键技术 1 ． 2 零件三维实体生成和虚拟装配模块 2 ． 1 二次开发技术方法研究 以 S o l i d E d g e三维软件为平台， 通过二次开发调用 为了进行系统集成 ， 要对 S o l i d E d g e 、 A N S Y S 、 A D 一 高速主轴计算校核模块生成 的主轴零部件数据 ， 生成 A MS分别进行二次开发。 38 P ． ． ． ． ． ． ． 。 ． L 、 __ ， 一 ～ 一 一数 对 S o l i d E d g e二 次开 发使用 的语 言是 V B ， S o l i d E d g e的开发接 口是通过 A c t i v e X A u t o ma t i o n方式来支 持通用开发工具 。A u t o ma t i o n技术提供了一个从应用 程序外部控制应用程序对象的编程界面， 其 中应用程 序暴露出的对象称为自动化对象， 外部程序通过使用 这些对象的属性 、 方法 ， 就可以达到控制该应用程序的 目的。 用户应用程序和 S o l i d E d g e以 C l i e n t ／ S e r v e r 方式 工作 ， 其关系如图4所示 。 ． 图4 用户应用程序和S o H d E d g e 之间的工作模式 利用 V B来实现 A c t i v e X A u t o ma t i o n开发 的关键 是创建 S o l i d E d g e ． A p p l i c a t i o n对象 的指 针， 进 行创建 S o l i d E d g e 的文档模板对象， 以实现对 S o l i d E d g e中其 它对象的访问， 完成与 S o l i d E d g e的通讯。 在 V B中创建 S o l i d E d g e对象 ， 需要引用以下 S o 1 ． i d E d g e O b j e c t L i b r a r y 。还需 引用 S o l i d E d g e S u p p o L i b r a ry ，S o l i d E d g e C o n s t a n t s T y p e L i b r a r y ，S o l i d Ed g e F r a me wo r k S u p p o L i b r a ry ． S o l i d E d g e G e o me t r y T o p o l - o g y T y p e L i b r a ry ， S o l i d E d g e P a r t T y p e L i b r a ry， S o l i d E d g e A s s e m b l y T y p e L i b r a r y 等类型库。 C A E 部分使用的软件是 A N S Y S ， 而对其进行二次 开发使用的语言是 A P D L 。利用前面C A D所产生的数 据， 使用 A P D L语言生成几个所需要的宏文件 如 J I NG T A I F EN XI ． MAC， MO T AI F E N XI ．MAC， X I E XI AN G Y I N G F E N X I ． M A C等 。然后对在 A N S Y S 某系统文 件中加入以下代码 ／ p r e s e a r c h 。 d 、 项 目＼ AN S Y S }ABB R， J I NGT AI F E NXI ， J I NGT AI F ENXI }AB BR， MOT AI F ENXI ， MOT AI F ENXI {AB BR， XI E XI ANGYI NGF ENXI ， XI E XI ANGYI NGF ENXI }AB BR， YOUHUAS HEJ I ， YOUHUASHE J I 再 次 通 过 软 件 来 打 开A N S Y S 时，“J I N G TAI FENX ”、 “ MOT AI F ENXI”、 “ XI EXI ANGYI NG F E N X I ” 、 “ Y O U HU A S H E J I ”这几个 按 钮就 会 出现在 A N S Y S界面上 ， 而且会被“ 固化” ， 同时这 几个按钮分 别对应软件前面部分所生成的宏文件。图 5为在 A N S Y S中开发的界面。这样有限元分析实现了与设计部 分的连接和集成。 要进行主轴的有限元静态分析、 模态分析、 谐响应 分析 以及 优 化设 计 等工 作， 即分 别 单 击 J I N G ． LU 等 ，， ●u 月 T A I F E N X I 、 MO T A I F E I X I 、 X I E X I A N G Y I N G F E N X I以及 S H E N G C H E N G M N F 等几个按钮， 以完成相应功能。 图5 ANS YS中开发 的界 面 2 ． 2 基于 AD A MS软件系统的三维运动仿真 动态仿真技术使用的软件是 A D A M S 。A D A M S 一 方面是虚拟样机分析应用软件 ， 用户运用该软件可非 常方便地对虚拟机械系统进行静力学和动力学分析 ； 另一方面 ， 又是虚拟样机分析开发工具 ， 其开放性的程 序结构和多种接 口， 可以成为特殊行业 用户进行特殊 类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。 1 建模 通过有限元分析模块得到 的主轴 MN F文件 导 人到A D A M S 里形成主轴柔性体。为了仿真的真实可 靠， 自建一个质量很小 即固有频率很高 的柔性杆， 一 端 固定 ， 另一端与轴的前界面点相连 ， 连接处施加旋 转约束 轴绕杆转 ， 这样可以保证柔性轴整体在施加 轴承约束前可以在空间任意方向运动。将前、 后轴承 简化为内圈、 外圈和弹簧。根据主轴旋转的实际情况 并结合 A D A M S 软件的特性， 将轴承内圈与轴固定连 接， 外圈与地面连接， 并对外圈施加旋转约束。由于实 际使用轴承一般都是角接触球轴承， 所以在轴轴向 z 向 加一个弹簧。为了测得铣刀端面的变形， 轴的前 端固定连接一个哑物体 质量为 0 ， 哑物体的长度与 铣刀端面距轴端面距离相等。仿真分析模型见图6 。 图6 仿真模型图 2 仿真 前支承处弹簧刚度值设为2 ． O 1 O ， 阻尼 8 O ， 预紧 力 5 0 0 N ， 后支承处弹簧 刚度设为 1 1 0 ， 阻尼 8 0 ， 预 紧力0 N， 轴向弹簧刚度值设为1 ． 0 x 1 0 。 ， 阻尼8 O ， 预紧 力3 0 0 N 。在轴前端施加力 1 6 7 N， 在杆与轴连接处施 加 R o t a t i o n a l J o i n t M o t i o n ， 其值为 4 8 0 0 0 其单位是 。 ／ s ， 换算成 r ／ m i n 是 8 0 0 0 r ／ m i n ， 其它单位都是标 3 9 I 毫羽高超斋≈拥二 1 I T 叩 lc s H ig h S p e e d a n d H ig h E f f ic ie n c y M a c h in in g 准单位 。图 7～ 1 0分别为得到的仿真图。 图7 主轴端面处径向跳动 图8 主轴轴向窜动 图9 砸主轴端面3 0 0 ram处径向跳动 图l O 主轴转速图 图7为靠近主轴端面处仿真 的径向跳动 ， 图 8为 轴向跳动仿真图， 图 9为距主轴端 面 3 0 0 m m处径 向 跳动仿真图， 仿真结果数据见表 1 。图 1 0为主轴转速 图， 表明了主轴可以在 4 8 0 0 0 。 ／ s ， 即 8 0 0 0 r ／ m i n高速 下稳定运行。 表 1 仿真数据 m m 仿真项 目 要求 仿 真结果最大值 靠 近主轴端面 图 7 0 ． 0 o 2 7 主轴径 向跳动 离主轴端 面 3 0 0 mm处 图 9 O ． o o 6 8 5 主轴轴 向窜动 图 8 O ． 0 o 3 3系统开发 本系统主要使用 D e lp h i 进行编程开发， 通过 V B 针对 S o l i d E d g e 进行二次开发， 利用 A n s y s 软件进行有 限元分析和优化设计 ， 同时在 A D A MS平 台上对主轴 进行动态仿真分析， 使用 A c c e s s 数据库对该系统进行 数据传递及管理。系统能进行两种型号高速主轴设计 计算 、 优化与动态仿真系统的开发。 通过计算与选择初步确定主轴结构， 再经过轴承 选择 、 键选择及各种校核后可生成得 到主轴的二维图 和三维图。图 1 1是设计计算界面， 图 1 2是设计生成 的主轴三维图。 图1 1主轴数字化设计界面 图1 2 生成的主轴三维图 4 结语 本文完成 了基于 S o l i d E d g e的 3 D建模 、 A N S Y S的 有限元分析和 A D A MS的虚拟仿真工作 ， 开发了高速 LU U ． I |； ￡ 毫忍 宥黧宥热铜工I 高速立式加工中心滑座的结构分析及优化 陆 君 文怀兴 张功学 马小刚 陕西科技大学机 电工程学院， 陕西 西安 7 1 0 0 2 1 摘要 为满足高速加工中心整体性能的需要。 利用 P r o ／ E软件， 建立了四种滑座结构的三维模型 ， 分别进 行了滑座的力学分析和静刚度计算 ， 得出普筋模型为最优方案并对其进行了合理的结构优化。在满 足滑座刚度的前提下， 减少了重量， 降低了成本。为滑座动态性能的分析研究奠定 了基础。 关键词 滑座P r o ／ E 静刚度 中图分类号 T P 3 9 1 S t r u c t u r e An a l y s i s a n d Op t i mi z a t i o n o f Hi g h - s p e e d Ve r t i c a l Pr o c e s s i n g Ce n t e r Sl i d e L U J u n， WEN Hu a i x i n g， Z HANG Go n g x u e ， MA Xi a o g a n g C o l l e g e o f Me c h n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， S h a a n x i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， X i ’ a n 7 1 0 0 2 1 ， C H N Ab s t r a c t I n o r d e r t o s a t i s f y t h e p e r f o r ma n c e o f ma c h i n i n g c e n t e r， s o e s t a b l i s h e d a t h r e e d i me n s i o n a l mo d e l o f t h e s t r u c t u r e s l i d e u s e i n g P r o／E s o f t w a r e ，c a r r i e d o u t t h e me c h a n i c a l a n a l y s i s a n d s t i f f n e s s c a l c u l a t i o n s t o d e t e r mi n e a r e a s o n a b l e s t r u c t u r a l a n d o p t i mi z a t i o n p r o g r a m． Th e r e s u l t s ho ws t ha t b y ma k i n g s u r e o f t h e s t i f f n e s s o f s l i d e ，we i g h t i s r e d u c e d a n d c o s t s i s l o w e r ，I t p r o v i d e s a fou n d a t i o n f o r a n aly s i s i n g t h e d y - n a mi c p e rfo r ma n c e o f s l i d e ． Ke y wo r d sS l i d e； Pr o／ E；S t a t i c S t i ffn e s s 高速加工有生产率高、 切削力小 、 工件热变形小、 加工精度和表面质量高等 四大优点 ， 因此得到了许多 工业部门的青睐。作为 2 1 世纪的一项先进制造技术 ， 将继续克服当前存在的某些技术障碍， 例如加强对机 床重要部件自 身刚度、 强度、 抗振性的分析来提高机床 整体性能使高速加工技术得到更快的发展⋯。 随着机床的高速化， 机床开动频率愈来愈高， 甚至 2 4 h 连续运转。这就使得对最初配备的机床部件的 要求更高， 在恶劣的环境中， 其耐磨性和精度保持性均 要好， 而且机床要有足够的刚度。其中支撑件的刚度 计算是必不可少的， 他们的形态、 几何尺寸和材料是多 种多样的， 但都应满足刚度、 抗振性、 热变形和内应力 等基本要求。而静刚度取决于支撑件本身的结构刚度 和接触刚度 ， 动刚度与支撑件系统的阻尼 、 固有频率有 主轴系统性能和结构参数的计算程序和 S o l i d E d g e的 二次开发工作。在本项 目的研究工作 中， S o l i d E d g e的 二次开发与 A D A MS的虚拟仿 真均是首 次开展 的工 作 ， 为公司进一步开展其它产品和关键零部件 的集成 设计分析提供 了可行的技术方案 ， 奠定 了技术基础 。 建立了应用于加 中心的高速主轴系统虚拟产品数字 化信息模型和数字化设计平台， 能实现项 目所要求的 主要功能 ， 经过制造实例验证 ， 达到了预期 目标。 参考文献 l S ． S mi t h．J ． T l u s t y ．Cu r r e n t t r e n d s i n h i g h s p e e d ma c h i n i n g ．J o u r n a l o f Ma n u f a c t u r i n g S c i e n c e an d En g i n e e r i n g，T r an s a c t i o n o f t h e AS ME， 1 9 9 7 ，1 1 9 1 1 6 6 4 6 6 6 2 王新玉． 数字化设计[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 3 ． 3 徐燕申， 徐千理， 侯 亮． 基于 C B R的机械产品模块化设计方法的研 究[ J ] ． 机械科学与技术， 2 0 0 2 ， 2 1 5 4 张明华， 刘强， 袁松梅． 主轴单元参数化建模、 分析与优化设计[ J ] ． 机械科 学与技术 ， 2 0 0 8， 2 7 2 5 王国强， 张进平， 马若丁．虚拟样机技术及其在 A D A M S上的实践 [ M] ．西安 西北工业大学出版社 ， 2 0 0 2 ． 第一作者 尹洋， 女， 1 9 7 1年生， 博士研 究生， 副教 授， 主要从事计算机辅助设计与分析及先进制造技术 的研究。已发表论文 2 0余篇。 编辑孙德茂 收稿 日 期 2 0 0 9 0 6 3 0 ， 文章编号 填入读者意见调童豪中的 相应位置。