并联类装备虚拟产品设计系统概要设计.pdf

第 “卷 第“期中国矿业大学学报 由 “ 图 1 /8 9 1 . ;的组成 A B “ 8 C DE F GH F I A J A F KF L 1 /8 9 1 . ; “ “ 应用功能层 针对具体的并联类装备的设计2研究和应用需 求为三方使用者提供各种实际应用功能实现包 括机构设计2整机设计2作业仿真等各项系统功能“ “ “ 系统集成层 提供1 /8 9 1 . ;的系统集成和数据集成完 成系统中不同支撑软件下的模型数据的产品数据 管理并提供统一的用户界面“一些成熟的 1 . / 商业化软件环境在这方面提供了令人满意的功能“ “ “ M 支撑环境层 提供实现具体的并联类装备虚拟产品设计系 统所需的各种具体的设计2分析和仿真环境“例如 实 现 , -. , -/ , -0集 成 的NO 1 P Q R 0 S 9 . 0 -;等 提供较为强大的运动学分析仿真功能的 -. -/; 有限元分析软件-T; U; /-,等数学 分析工具 /-8 V -W /-8 X0 /-8 S , -等以及 , YY等一系列商业化软件“ 应用层的功能由支撑环境层的成熟软件经二 次开发实现集成层的1 . /是系统中枢“由于应 用层的设计直接关系到 1 /8 9 1 . ;集成环境能 否满足需要本文将重点进行应用层的设计“ 机构概念设计与运动学设计平台设计出并联 机构实体模型再由整机组合设计与动力学设计平 台在此基础上设计出机床整机实体模型针对该模 型并按照机构概念设计与运动学设计平台产生的 机构运动控制模型最终由作业仿真与性能分析平 台进行作业运动仿真和性能分析 并联机构概念设计引入并联机构型谱库预先 在型谱库中按并联构型族类存储和积累大量实用 的并联机构构型及其相关信息概念设计时直接从 中选取满足要求的并联构型系统中为机构学家另 外提供有效的型数综合和其它机构构型设计的数 字化辅助设计和分析环境 并联机床整机结构设计采取计算机辅助组合 设计方式建立并联机床结构组合的子装配体模型 库提供辅助组合设计环境将并联机构模型组合 结构件辅助件形成可装配的机床整机模型设计 过程中结构件等的选取和参数设计与动力学分析 密切相关而且还需从可制造性出发优化设计结 果 作业仿真利用虚拟现实技术提供对机床数字 化样机的作业运动仿真和作业性能分析功能使虚 拟产品在用户面前展现全面的具体的作业特性 由于并联类装备具有相当广泛的应用领域如切削 类加工精密装配测量等不同作业动作拥有各自 独特的运动及相互作用机制并各有具体的性能要 求系统设计时先实现切削作业的性能分析 机构概念设计与运动学设计平台的细化 经过深入地系统分析我们将该设计平台进一 步细化细化后的结构包括机构型数综合与建模 选择机构方案工作空间分析与初步尺度综合机 构详细尺度综合机构实体建模机构运动学分析 共A个功能模块图B “ 图B机构设计平台逻辑结构数据流图 ’ B * ,1 / 2 /3 2 . , / 4 5 / . 2 6 7 0 6 5 / 0 / . 5 2 , 5 2 C . , 6 7 1 , 3 -3 C D ; E 0 / 2 7 6 . 4 7 6 . 4, 5 / - 3 43 机构概念设计通过选择机构方案模块从并联 机构型谱库中选取合适的并联构型而实现而机构 型数综合与建模模块则提供对新并联构型建模和 进行构型综合的设计环境 由于机构运动学尺度综合的复杂性我们将尺 度综合分为初步尺度综合和详细尺度综合两个步 骤在初步尺度综合时只针对机构的精简结构参 数模型以工作空间体积比和雅可比矩阵条件数为 设计目标函数进行优化设计以简便快捷地完成初 步设计F在详细尺度综合阶段则更全面地进行机 构运动学分析并针对机构的详细参数模型进行优 化设计运动学分析与设计的过程循环进行适当 引入设计人员的有效干预加快参数优化的收敛过 程 并联机构型谱库是该平台的核心其中不仅包 括各种并联机构的模型还包括对应机构的主要性 能指标作为构型选择的依据更重要的其中包含 了机构的运动控制数学模型各性能评价指标及评 价算法运动学尺度综合目标函数和算法等信息 是机构运动学设计整机动力学设计精度综合运 动仿真所需数学模型的根本依据其信息集成问题 AG 中国矿业大学学报第 4 , - 3 2 / 0 3 2 / 0, 1 6 8 * . 6 8 * - , 6 4 . 并联装备整机辅助组合设计以并联机床子装 配体模型库为基础以组合设计方式快速进行机床 结构设计并产生整机实体模型“子装配体模型库 专门针对并联类装备的结构特点以模块化结构组 合思想确定可进行模块组合的结构件辅助件等 各种组合元素在系统的相应设计环境 * / , - 6 2 8. 6 07 4 , - 6 2 8. 7 9 ; 4 , - 3 2 / 0 用户将待加工仿真的刀位文件或E程序输 入系统由数控后处理程序进行分析和处理若超 出机床的加工能力或E程序中存在错误系统将 输出相应的出错信息F否则后处理程序将经一系列 处理及虚实坐标变换给出并联机床的轴控数据序 列再经运动学计算后产生刀具位姿速度加速度 等运动学参数序列分别提供给作业过程机床运动 仿真切削颤振效应仿真切削温度效应仿真等模 块进行机床运动动画祯的画面运算并生成动画文 件完成各种作业效应的仿真分析通过对各种切 削效应的综合分析完成工件切削成型仿真和切削 效果分析“该平台最终提供作业运动动画成型工 件模型切削效果报告工艺优化文件等各种输出“ G H IJ K L H M N系统层次结构 根据系统分析设计结果在系统逐层细化的数 据流图基础上可以得到系统层次结构 9 5中国机械工程3 8 , -“ B 3 C N * K B C X C X * C ’ O O N ’ C * FN ’ * a C X ’ N O * L X CL B K FB B C M * O ’ ’ N N N M’ F C * * N B n’ B L B K F Lo M ’ F B * B * C n’ F K F F K 5 I C * F B B C B * C B X o B B C MB 6M ’ . F B M L B K F 3 L B K F* F C m X O M F C 3 * O ’ C * FO * B B B MX N ’ C * F 5“ B B B C M ’ FO * a L ’ O * n X N ’ F L X B X N L K C ’ N F C K ’ C L F a * F M F C * , -“ B p L B K F 3 L M* F B C ’ C * F 3* O C M _ ’ C * F’ F LRO * K ’ MB C B C C * C L B K F B 3 B ’ B ’ F LX B B 5 qr st u j v h 6O ’ ’ N N N M’ F C * * N B ca C X ’ N O * L X C ca C X ’ N M’ F X ’ C X F K cB MX N ’ C * F c * F O C L B K F WW 中国矿业大学学报第 8卷 万方数据