（机械工程专业论文）基于虚拟样机技术的插床导杆机构设计研究.pdf

摘要 虚拟样机技术是一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方 法，它能够真实地反映实际产品的外观、空间关系以及运动学和动力 学的特性。借助于这项技术，设计师可以在计算机上模拟真实环境下 机械系统的运动，摆脱了传统机械设计过程对物理样机的过度依赖， 突破了制约产品设计水平提高的瓶颈。 本文在阐述了虚拟样机技术的基本知识及其在国内外应用的基础 上，对本次研究的插床导杆机构的三种设计方案分别进行运动仿真和 分析，结合机械原理理论，对它们的自由度、工作性能、传力性能以 及经济性合理性等逐一进行分析，选择最佳机构设计方案。通过使用 传统的机械设计方法，计算并初步确定了机构中构件的尺寸及连接点 坐标。研究了导杆机构中滑枕、导杆、齿轮等零部件基于特征的建模 过程，建立了基于p r o e 的插床导杆机构的三维c a d 模型；在此基础 上研究了插床导杆机构零件间的装配关系，完成了机构的虚拟装配， 进行干涉检查，生成了导杆机构的整体效果图。通过专用接口模块导 入a d a m s v i e w 环境，构建了插床导杆机构的虚拟样机模型。在 a d a m s v i e w 环境中对该机构进行了较为详细的运动学仿真，得到了 能够反映插床主要工作性能的滑枕运动特性曲线，并逐一做了相关分 析。根据分析结果进行了参数化的设计研究和优化设计，实现了导杆 机构性能与结构的最优化设计。利用优化所得结构参数，返回到p r o e 基于虚拟样机技术的插床导杆机构设计研究 环境中修改相关零部件的结构尺寸，使之与优化后的参数对应起来， 再次导入a d a m s 环境中进行仿真验证。 最后，利用a n s y s 软件，对导杆机构中的滑枕进行有限元模态分 析，得到了滑枕的前1 0 阶固有频率和振型；通过分析，其最低固有频 率高于机构运行过程中所产生的动态激励频率，不会产生共振，滑枕 的刚度符合系统要求。 实践证明，将c a d 建模技术与虚拟样机技术应用于插床导杆机构 的设计研究，对其设计、制造均具有重要的指导意义。这种设计思想 和方法对于研究开发其他高性能机械产品同样具有一定的指导意义和 实用参考价值。 关键词：导杆机构，虚拟样机，a d a m s ，运动仿真，a n s y s ，有限 兀 a b s t r a c t v i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yi sad i g i t a ld e s i g nm e t h o db a s e do n c o m p u t e rs i m u l a t i o nm o d e lo fp r o d u c t ，i tc a nr e f l e c tt h ea p p e a r a n c e ，s p a t i a l r e l a t i o n s h i p s ，t h ek i n e m a t i ca n dk i n e t i cc h a r a c t e r i s t i c so fp r o d u c ta c t u a l l y w i t ht h i st e c h n i q u e ，t h ed e s i g n e rc a ns i m u l a t et h em o t i o no fm e c h a n i c a l s y s t e ma st h er e a le n v i r o n m e n t ，a n dg e tr i do fe x c e s s i v ed e p e n do nt h e p h y s i c a lp r o t o t y p eo ft h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a ld e s i g np r o c e s s i n g ，b r e a k t h r o u g ht h er e s t r i c t i o no fp r o d u c td e s i g nt oi n c r e a s et h el e v e lo ft h e b o t t l e n e c k t h i sp a p e ro nt h eb a s e do fe l a b o r a t e dt h eb a s i ck n o w l e d g eo fv i r t u a l p r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y , a n di t sa p p l i c a t i o n s a th o m ea n da b r o a d i t s e x p l a i n e dt h es i g n i f i c a n c e o ft h et e c h n o l o g yw h i c hu s e di nt h em a i n t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mo fs l o t t i n gm a c h i n er e s e a r c h ，a sw e l la st h em a i n c o n t e n to ft h i sp a p e r h a v et ob ed o n et h em o t i o ns i m u l a t i o na n da n a l y s i s w i t ht h et h r e ed e s i g ns c h e m e so ft h es l o t t i n gm a c h i n eg u i d eb a rm e c h a n i s m w h i c hh a db e e ns e l e c t e d c o m p a r e dw i t ht h em e c h a n i c a lp r i n c i p l e ，t h e i r f r e e d o m ，w o r k i n gp e r f o r m a n c e ，t r a n s m i s s i o nf o r c ep r o p e r t ya n de c o n o m i c r a t i o n a l i t yw e r ea l la n a l y s i s e d ，a n dt h e nc h o s et h eb e s td e s i g np r o p o s a l b y u s i n gt h et r a d i t i o n a lm e t h o d so fm e c h a n i c a ld e s i g n ，t h ec o m p o n e n ts i z ea n d c o n n e c t i o np o i n tc o o r d i n a t eo fm e c h a n i s mw e r ec a l c u l a t e da n dd e t e r m i n e d 1 1 1 - 基于虚拟样机技术的插床导杆机构设计研究 a n ds t u d i e dt h er a m ，g u i d er o da n dg e a rp a r t so ft h eg u i d eb a rm e c h a n i s m b a s e do nf e a t u r em o d e l i n gp r o c e s s ，e s t a b l i s h e dt h e3 dc a dm o d e lo f s l o t t i n gm a c h i n eg u i d eb a rm e c h a n i s mb a s e do np r o e o nt h eb a s i s ，i ta l s o a n a l y s i s e dt h ea s s e m b l yr e l a t i o n s h i p b e t w e e np a r t so ft h eg u i d eb a r m e c h a n i s m ，c o m p l e t e d t h ev i r t u a l a s s e m b l y o ft h em e c h a n i s m ， i n t e r f e r e n c e d d e t e c t i o n ，g e n e r a t e d t h ee f f e c tc h a r to ft h eg u i d eb a r m e c h a n i s m t h e nt h r o u g ht h em o d e li n t ot h ea d a m s v i e we n v i r o n m e n t b yu s i n gt h ed e d i c a t e di n t e r f a c em o d u l e ，b u i l dt h ev i r t u a lp r o t o t y p em o d e l o fg u i d eb a rm e c h a n i s m a n du n d e r t o o kt h ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i c s s i m u l a t i o no ft h em e c h a n i s md e t a i l e d ，o b t a i n e dt h es l i d e m o t i o n c h a r a c t e r i s t i cc u r v eo ft h es l o t t e rw h i c hc a nb er e f l e c t e do fs l o t t e r , a n dt o o k c o r r e l a t i o na n a l y s i so n eb yo n e d o i n gt h ed e s i g nr e s e a r c ha n do p t i m i z a t i o n d e s i g na c c o r d i n gt o t h ea n a l y s i s ，r e a l i z e dt h eo p t i m i z e dd e s i g na b o u t p r o p e r t i e s a n ds t r u c t u r e so ft h eg u i d eb a rm e c h a n i s m b yu s i n gt h e o p t i m i z e ds t r u c t u r ep a r a m e t e r s ，r e t u mt ot h ep r o ee n v i r o n m e n tt oa m e n d t h er e l e v a n tp a r t so ft h es t r u c t u r es i z e ，c o r r e s p o n d i n gt h ep a r a m e t e r s ， v e r i f i c a t i o nt h e p a r a m e t e r sb yi m p o r t i n t ot h ef o r t h e ra d a m s e n v i r o n m e n t f i n a l l y ，b yu s i n gt h ea n s y ss o f t w a r e ，t h ef i n i t e e l e m e n tm o d a l a n a l y s i si sd o n eo nt h es l i d i n gp i l l o wo ft h eg u i d eb a rm e c h a n i s m ，o b t a i n e d i t s10o r d e rn a t u r a lf r e q u e n c ya n dv i b r a t i o nm o d e t h r o u g ht h ea n a l y s i s ，i t s m i n i m u mn a t u a lf r e q u e n c yi sh i g h e rt h a nt h ed y n a m i ce x c i t a t i o nf r e q u e n c y i v 姿菱盘堂王堡亟鲎焦途塞 w h i c hp r o d u c e di no p e r a t i o np r o c e s so ft h em e c h a n i s m ，s oi tc a n tp r o d u c e t h er e s o n a n c e ，t h es t i f f n e s so fs l i d i n gp i l l o wi sm e tt ot h es y s t e m r e q u i r e m e n t s p r a c t i c ei n d i c a t e s ，m o d e l i n gb a s e do nf e a t u r ea n dv i r t u a lp r o t o t y p i n g t e c h n o l o g ya r e u s e di n d e e p l ys t u d y i n gt h eg u i d eb a rm e c h a n i s mo f s l o t t i n gm a c h i n e ，h a v e t h ei m p o r t a n tg u i d a n c es i g n i f i c a n c et ot h e i rd e s i g n a n dm a n u f a c t u r e a tt h es a m et i m e ，t h ei d e aa n dm e a n so fs t u d y i n gh a v e l e a d i n gm e a n i n ga n dp r a c t i c a l i t yv a l u et or e s e a r c ha n dd e v e l o pe x c e l l e n t m e c h a n i c a lp r o d u c t s k e y w o r d s ：g u i d eb a rm e c h a n i s m ，v i r t u a lp r o t o t y p e ，a d a m s ，m o t i o n s i m u l a t i o n ，a n s y s ，f i n i t ee l e m e n t v 一 1 1 插床综述 1 1 1 概述 第1 章绪论 插床是一种用于加工键槽、花键槽、异形槽和各种异性表面的金属切削机床。 加工时工作台上的工件做纵向、横向或旋转运动，插刀做上下往复运动，切削工 件。 插床与刨床一样，也是使用单刃刀具( 插刀) 来切削工件，但刨床是卧式布局， 插床是立式布局。插床的生产率和精度都较低，多用于单件或小批量生产中加工 内孔键槽或花键孔，也可以加工平面、方孔或多边形孔等，在批量生产中常被铣 床或拉床代替。但在加工不通孔或有障碍台肩的内孔键槽时，就只有利用插床了。 插床主要有普通插床、键槽插床、龙门插床和移动式插床等几种。普通插床的滑 枕带着刀架沿立柱的导轨作上下往复运动，装有工件的工作台可利用上下滑座作 纵向、横向和回转进给运动。键槽插床的工作台与床身联成一体，从床身穿过工 件孔向上伸出的刀杆带着插刀边做上下往复运动，边做断续的进给运动，工件安 装不像普通插床那样受到立柱的限制，故多用于加工大型零件( 如螺旋桨等) 孔中 的键槽。 插床实际是一种立式刨床，在结构原理上与牛头刨床同属一类。插刀随滑枕 在垂直方向上的直线往复运动是主运动，工件沿纵向横向及圆周三个方向分别所 作的间歇运动是进给运动。插床的生产效率较低，加工表面粗糙度r a 为6 3 1 6 微米，加工面的垂直度为0 0 2 5 3 0 0 毫米。插床的主参数是最大插削长度。 在现在的工业生产中，插床是用于加工中小尺寸垂直方向的平面或直槽的金 属切削机床，多用于单件或小批量生产。 为了适用不同材料和不同尺寸工件的粗、精加工，要求主执行构件插刀 能以数种不同速度、不同行程和不同起始位置作垂直方向的往复直线移动，且切 削时插刀的移动速度低于空行程速度，即插刀具有急回现象；安装工件的工作台 基于虚拟样机技术的插床导杆机构设计研究 ( 执行构件之二) 应具有不同进给量的横向进给，以完成平面的加工，工作台还应 具有升降功能，以适应不同高度的工件加工。下面我们在看下实体插床： 1 1 2 插床发展现状 图1 1 插床结构图 f i g 1 1t h es t r u c t u r ed i a g r a mo fs l o t t i n gm a c h i n e 目前，国内的科研院所及机床生产厂家经过多年的研究和实践，己形成一系 列相当完备的关于各类机床的设计方法。然而，这些设计方法仍然沿袭传统设计 方式，即构思、画草图、方案比较、数据计算、图纸绘制、加工试制，以实物样 机为最终设计结果。整个过程还可能由于设计疏忽而导致实物样机的反复试制， 这样不仅花费大量的时间，费用的消耗也相当惊人，如图1 2 所示。有文献【l 】表明： 已有7 0 - - - 8 0 的产品及其相关成本取决于设计过程，而在传统设计模式下，通常 有1 4 以上的开发时间耗费在物理模型和样机的制造上。一般需要3 至5 年时间的 反复设计实验，产品的正确率才能达到8 5 9 0 。 一2 图1 2 传统机械产品设计方式1 2 j f i g 1 2t h et r a d i t i o n a lf l o wo fm e c h a n i c a lp r o d u c td e s i g n l 2 j 随着我国市场经济的高速发展以及机械行业竞争的加剧，机床生产企业对自 己所属产品在性能和创新以及开发周期方面提出了更高的要求。i 面对无法预测、 持续发展的市场需求，企业为了提高竞争力，必须尽快改变品种进行更新和创新 性设计，这样才能对多变的市场需求快速做出反应，从而在市场竞争中占有一定 的市场份额，取得可观的企业利润。 然而，传统的实物试验设计方法己越来越不适应发展的需要，迫切需要一种 高效可行的设计方法来取代，以缩短新产品的研发周期，提高产品的设计质量。 虚拟样机技术( v i r t u a lp r o t o t y p i n g ，v p ) 正是符合这一要求的有效工具。 1 2 虚拟样机技术的内涵 随着近代科学技术的发展，工程设计的理论、方法和手段都发生了很大变化， 特别是近3 0 年来，工程设计手段的先进与否、数字化程度( 以c a d 技术和f e a 技 术为典范) 的高低，在很大程度上决定了产品设计开发的周期、质量和成本1 3 j 。在 市场全球化日益扩大的影响下，产品消费结构不断向多元化、个性化方向发展， 企业要想在日趋激烈的市场竞争中生存，产品研发人员就必须在最短的研发周期 内获得最佳设计方案，快速赢得客户和市场。而传统的研发模式在物理样机的试 制阶段，所浪费人力物力往往与产品的复杂程度成正比，如果仍然沿用传统的设 计模式，将无法适应现代制造业中柔性化、快捷及高质量的要求。以b m w 公司3 系列汽车为例，其整个设计时间为5 年，其间共制造1 3 0 个实物模型或实物整机 和2 4 0 0 个实物部件，每个实物整机平均花费达2 5 万美元。为了帮助产品制造商 基于虚拟样机技术的插床导杆机构设计研究 摆脱对于设计过程中物理样机的过度依赖，突破制约产品设计的瓶颈，虚拟样机 技术就在这种迫切需求的驱动下产生了。 1 2 1 虚拟样机技术的概念【5 】【6 】【7 】【8 】【9 】 虚拟样机技术的研究正处于探索中，目前在国内尚没有一个统一的定义，现 将几种比较有代表性的论述归纳如下： 1 ) 虚拟样机技术就是在建筑第一台物理样机之前，设计师利用计算机技术建 立机械系统的数字化模型，进行仿真分析并以图形方式显示该系统在真实工程条 件下的各种特性，从而修改并得到最优设计方案的技术。 2 ) 虚拟样机是一种计算机模型，它能够反映实际产品的特性，包括外观、空 间关系以及运动学和动力学的特性。借助于这项技术，设计师可以在计算机上建 立机械系统的模型，伴之以三维可视化处理，模拟在真实环境下系统的运动和动 力特性并根据仿真结果精简和优化系统。 3 ) 虚拟样机技术是一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法。这些 数字模型即虚拟样机( v i r t u a lp r o t o t y p e ) ，它将不同工程领域的开发模型结合在一 起，从外观、功能和行为上模拟真实产品，支持并行工程方法学。 4 ) 机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术，是利用计算机 辅助分析技术进行机械系统的运动学和动力学分析，以确定系统及其各构件在任 意时刻的位置、速度和加速度，同时，通过求解代数方程组确定引起系统及其各 构件运动所需的作用力及其反作用力。 1 2 2 虚拟样机技术的特征 根据国际权威人士对机械产品性能试验和研究开发手段的统计和预测，传统 的机械系统实物测试和试验研究方法，将在很大程度上会被迅速发展起来的计算 机数字化仿真技术取代1 0 1 。 同传统的基于物理样机的研发设计方法相比，基于虚拟样机技术的设计方法 具有以下特点j 1 1 1 ： 1 ) 全新的研发模式。传统的研发方法从设计到生产是一个串行过程，它存在 4 。 很多弊端。而虚拟样机技术真正实现了产品优化，它属于一个并行工程，无需建 立物理模型，在产品的概念设计阶段就可以迅速地分析、比较多种设计方案，确 定影响产品性能的敏感参数，并进行优化和改进，通过可视化技术仿真分析产品 在各种真实工况下的行为特征以及所具有的响应，直至获得最优工作性能。 2 ) 更短的研发周期、更低的研发成本、更高的产品质量。虚拟样机技术是通 过计算机三维建模技术建立产品的数字化模型，在虚拟的工作环境中对样机进行 仿真及特性分析，完成无数次物理样机无法进行的试验，无需制造及试验物理样 机就可获得最优设计方案；而且有时这些试验是破坏性的，在现实环境中这些试 验一旦进行则需重新制造样机，采用虚拟样机技术可以无限次的进行任何试验而 不必考虑样机是否损坏，有助于摆脱对物理样机的依赖，而且缩短了研发周期、 降低了研发成本、提高了产品质量。 3 ) 实现动态联盟的重要手段。为了适应快速变化的全球市场，克服单个企业 资源的局限性，出现了在一定时间内，通过i n t e r n e t & i n t r a n e t 临时缔结成的一种 虚拟企业，即目前被世界广泛接受了的动态联盟( v i r t u a lc o m p a n y ) 的概念。参盟的 企业为了实现并行设计和制造，信息的快速交流尤显重要，而虚拟样机是一种数 字化模型，通过网络可以快速、准确的传输，从而为动态联盟活动的高度并行性 提供了基础。 总之，虚拟样机技术不但可用于系统方案的论证及评估，而且可用于产品的 概念设计阶段、设计细化阶段、试验规划阶段以及工作状态再现等的全过程。它 是在c a x ( p 口c a d 、c a m 、c a e 等) d f x ( 女i d f a 、d f m 等) 技术基础上的发展，它 进一步融合信息技术、先进制造技术和先进仿真技术，将这些技术应用于复杂系 统全生命周期、全系统、并对它们进行综合管理。从系统的层面来分析复杂系统， 支持“由上至下”的复杂系统开发模式【l 2 。 1 2 3 虚拟样机技术的研发流程【1 3 】 虚拟样机技术就是由工程设计人员利用计算机技术建立机械系统的虚拟模型 来代替物理样机，进行模拟真实工作条件下的仿真，对仿真结果进行分析，并以 此为依据修改设计方案直至最优的技术。一般来说，虚拟样机开发的过程分为四 个阶段：第一，建模；第二，仿真分析；第三，优化；第四，确定最终设计方案【1 3 1 。 一5 基于虚拟样机技术的插床导杆机构设计研究 具体来讲，其设计流程如图1 3 所示。 1 ) 机械结构设计。根据产品的设计要求、应改进的缺陷、干涉尺寸、装配环 境等确定原始设计数据。在设计的早期阶段，要求设计师给定全约束、全尺寸是 不可能、不现实的，重要的是建立一些方程和规则，以体现一些最重要的工程数 据，使零件在设计准则下可自动修改。在完整、安全的网络环境下，设计小组成 员不必操心数据的完整性，他们能够共享数据，并能主动控制修改和更新1 1 4 i 。 图1 3 虚拟样机设计流程”1 f i g 1 3t h ef l o wc h a r to fv i r t u a lp r o t o t y p ed e s i g np r o c e s s 【1 5 1 2 ) 零件设计造型和装配。借助于c a d 技术完成设计产品的各个零件的虚拟 造型，零件最终的形状和尺寸来自各个方面的综合考虑，如加工、装配、应力等； 在此基础上完成产品的虚拟装配，初步搭建虚拟样机模型。但是，在制定设计文 件时，必须要决定如何描述最后的零件和装配。 3 ) 设计产品仿真。仿真能模拟设计产品在实际环境中的工作特性，它包含了 运动学和动力学等多方面的内容。仿真的最终目的不是得到一系列的图表曲线， 而是评估产品的工作性能，并以此为依据优化产品的结构参数，进而指导设计， 改进设计。 在产品设计和仿真阶段，需要使用一些应用软件( 如c a d 设计软件、动态仿 真软件、有限元分析软件等) 。利用这些软件并结合产品结构尺寸，便可以在计算 机上构造虚拟样机，为最终投产做好准备。 一6 1 3 虚拟样机技术在机床上的应用 虚拟样机技术及其软件的商品化过程，在一些较发达国家如美国、德国、日 本等已经完成，广泛地应用于航空、机械制造、医药等行业。将虚拟样机技术应 用到机床研究中，可以为机床的研究提供集成化设计方法、虚拟原型设计环境以 及虚拟设计、运动学仿真和加工仿真的虚拟样机模型。实现各类机床的快速设计 和开发，为研究者提供机床设计方法、工作性能分析等研究的平台，同时也为用 户提供机床的作业效果、作业过程演示的平台。 国外已普遍采用虚拟样机技术，对机床整机或部件进行运动学和动态特性分 析等，并己用于相关设备的开发和研究中。如： 1 ) 西班牙的m z a t a r a i n 禾1 用虚拟样机技术对立柱移动式铣床进行有限元分 析，采用n a s t r a n 和i d e a s 两种商用软件，建立包括床身、立柱、头架及它们之间 的滚动导轨结合部在内的整机模型，并进行了模态分析，可以通过几种方案的比 较，选择其中较合理的结构l l6 。 2 ) 韩国科学技术高级学院j u n g d o s u h 和d a i h i l l e e 用虚拟样机技术分析高速 机床的主轴外壳的阻尼特性；并对高速铣床的滑块结构进行分析，得到一种新型 的夹层复合结构，不仅减轻质量，还提高了阻尼系数。 3 ) 美国国家标准技术学院t l s c h m i t z 用实验和分析相结合的方法建立高速机 床的刀具一刀夹一主轴系统的模型，能很好地预测系统的动态响应【1 川。 但由于国外机床制造公司对机床部件的优化设计等内容在技术上保密，很少 在文献中看到类似的报道。 目前，国内学术界采用虚拟样机技术对机床整机或部件进行的研究仍局限于 “方案比较”，其优化效果的好坏往往取决于设计者的经验。但是在国内利用虚拟 样机技术对机床进行分析比较成功的工程实例也有不少，如： 1 ) 汤文成、易红对m k z l 2 0 a 磨床床身结构的静、动态特性进行分析和优化 设计，通过分析和研究得出改变床身的筋板类型和布局设计是提高床身结构的静、 动态特性的有效手段，并且提出了以导轨的振动变形量作为床身结构设计的主要 依据，建立了床身的结构模型，以床身的结构参数为设计变量，各设计变量对床 身动态性能贡献加权作为结构优化设计的目标函数，最后得到最优的床身设计方 7 基于虚拟样机技术的插床导杆机构设计研究 案，同时在机床的参数化设计等方面进行了有益的尝试，【18 1 。 2 ) 北京科技大学与加拿大多伦多大学联合研制出一种新型行星式磨机，在开 发过程中采用机械系统动态分析软件a d a m s 进行行星磨机的虚拟样机设计，并对 其实施了基于可视化的虚拟优化技术，具有设计思想最优、设计方法最优、设计 手段最优的特点【1 9 】。 3 ) 天津大学与河北工业大学合作开发的冲击式压实机同样采用了虚拟样机 技术，对其进行仿真计算，得到各部件的运动规律曲线，验证了压实机各部件参 数值的合理性【2 们。 4 ) m a r c ol e o n e s i o 等以一个三自由度并联机构为例，在a d a m s 的基础上提出 了并联机床的虚拟原型环境，简单分析了机构原型的运动特性和力特性【1 3 】。 围绕产品的研发从概念设计到定型生产的整个阶段，再从设计师决策层、制 造商、销售商到用户等全方位地观察和研究产品，虚拟样机技术显示了其强大的 优势和发展潜力。面向2 1 世纪，虚拟样机技术势必成为将来产品研发的主流，特 别是对制造成本高、系统复杂、产品型号巨大的行业，应用前景比较看好。虚拟 样机技术作为一种先进的设计方法，有助于企业对产品实现最优化设计，做出前 瞻性的决策，进而赢得用户和市场。 1 4 本课题研究的意义和主要内容 1 4 1 选题目的及意义 本课题为作者在工程硕士学习期间的自选课题，其目的在于：在原有虚拟制 造研究的基础上，对插床的主运动机构进行虚拟样机运动学动力学仿真和优化设 计，进一步提升插床主运动机构的运动特性水平，提高其工作平稳性和可靠性。 在主要性能指标上达到国内先进水平，通过参数化设计形成系列化产品，实现产 业化，推动我国机床制造业的发展。 插床是一种由滑枕带着刀架沿立柱的导轨作上下往复运动，装有工件的工作 台可利用上下滑座作纵向、横向和回转进给运动的金属切削机床。在机械加工中 的应用不如铣床、加工中心等机床广泛，但它对于键槽、花键槽、异形槽和各种 异性表面的加工有着无可替代的优势。在现有插床种类和型号的基础上，通过对 一r 插床主运动机构虚拟样机的研究，形成产品的系列化，满足不同工作情况的需求。 同时在实现产业化后，一方面可以为生产单位带来显著经济效益，另一方面有助 于改进现有机床的设计，提高切削精度和切削效率，具有良好的社会效益。 1 4 2 主要研究内容 本课题在基于虚拟样机技术、机械原理以及机械设计相关理论的基础上，将 虚拟样机技术应用于插床主运动机构的开发研究。本文以插床中的切削运动机构 为主要研究对象，基于现有的软件平台，建立了机构的虚拟样机模型；对该机构 的运动过程进行运动学、动力学仿真与分析，在设计阶段对设备的运行状况做出 预测，以此提出改进建议，获得最佳的设计方案。同时通过在虚拟样机中模拟机 构的实际运行工况，分析其主要零件的结构强度。具体研究内容如下： 1 ) 对a d a m s 软件的功能进行了简单的介绍，选择合适的模块进行机构的方 案设计和本文的研究工作。在此基础上对已选定的机构方案逐一进行运动仿真， 结合机械原理理论分析机构及其执行构件的运动特性，从中选择最佳设计方案， 并根据设计要求计算运动机构各关键点位置坐标，从而初步确定机构各零件的总 体结构尺寸。 2 ) 运用三维造型软件p r o e 建立插床运动机构中各零件的三维实体模型，完 成整个机构的虚拟装配。通过专用接口m e c h p r o2 0 0 5 将装配模型导入a d a m s 环境，建立插床运动机构虚拟样机。 3 ) 根据机构中各零件的位置以及运动关系，在a d a m s 环境下添加运动和约 束，设定驱动，进行运动学、动力学仿真；在此基础上进行后置处理，导出机构 中滑枕( 即插刀所处位置) 的运动特性和受力作用曲线并进行详细分析。 4 ) 在a d a m s 中建立样机模型的等效简化模型，参数化机构的关键位置点的 坐标，进行机构的参数化设计与研究，使得机构的结构布置更加合理，所选设计 方案实现最优化。然后返回到p r o e 环境，根据优化后的点坐标参数修改已构建完 成的三维模型，再次导入a d a m s 环境进行仿真，验证参数化设计的优化结果。 5 ) 在a n s y s 中对机构的主要零件进行柔性化，通过得到的模态中性文件， 用柔性化的零件代替虚拟样机中的刚性零件，对其进行有限元模态分析，检验其 刚度是否能够满足机构运动要求。 9 基于虚拟样机技术的插床导杆机构设计研究 通过上述研究，实现了对插床运动机构运动学特征的合理优化，探讨了机构 运动过程中影响插刀往复运动的因素，并以此作为设计插床运动机构的参考依据。 本课题研究结束后，将会为虚拟样机技术在通用机械领域的应用提供一个参考实 例，促进虚拟样机技术的推广与应用。 1 5 本章小结 本章首先介绍了插床的基本知识及其发展现状，提出了采用虚拟样机技术研 究插床主运动机构的设计思路。通过与传统产品设计方法的对比，着重阐述了虚 拟样机技术的基本概念、内涵、技术特征及其研发流程，概述了虚拟样机技术在 国内外产品研发中的应用。最后说明了虚拟样机技术在插床主传动机构研发中应 用的意义和本课题的主要研究内容。 第2 章插床运动机构方案分析 2 1a d a m s 软件简介2 5 】【2 6 】 a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m ) 软件，是由美国机 械动力公司( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c ) 开发的机械系统动态仿真软件，是世界上最 具权威性的、使用范围最广的机械系统动力学分析软件之一。它是目前世界范围 内最广泛使用的多体系统仿真分析软件，其建模仿真的精度和可靠性在现在所有 的动力学分析软件中也名列前茅。 用户在使用a d a m s 软件时，可以自动生成任意复杂系统的多体动力学数字 化虚拟样机模型，能为用户提供从产品概念设计、方案论证、详细设计到产品方 案修改、优化、试验规划甚至故障诊断各阶段、全方位、高精度的仿真计算分析 结果，从而达到缩短产品开发周期、降低开发成本、提高产品质量及竞争力的目 的。由于a d a m s 具有通用、精确的仿真功能，方便、友好的用户界面和强大的 图形动画显示能力，所以该软件己在全世界数以千计的著名大公司中得到成功的 应用。 a d a m s 作为一种虚拟样机分析应用软件，用户可以非常方便地运用该软件对 机械系统虚拟样机进行静力学、运动学和动力学的分析；同时它又是一种虚拟样 机分析开发工具，其开放性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。另外，a d a m s 与先进的三维c a d 软 件( 如u g 、p r o e ) 以及c a e 软件( a n s y s ) 可以通过计算机图形交换格式文件相互 交换并保持数据的一致性。 利用a d a m s 软件建立的参数化模型可以进行设计研究、试验设计和优化分 析，为系统参数优化提供了一种高效开发工具；但从外部导入的三维c a d 模型不 能实现参数化，需在a d a m s 中建立该模型的等效简化模型才可实现参数化设计， 利用优化结果的点坐标修改模型尺寸位置，再次导入模型进行验证。 基于虚拟样机技术的插床导杆机构设计研究 2 1 1a d a m s 软件特点 机械系统仿真软件a d a m s 使用交互式图形环境和部件库、约束库、力库， 用叠加的方式建立机械系统的三维模型或将其参数化，并通过对其运动性能的仿 真分析和比较来研究“虚拟样机”的可供选择的设计方案。a d a m s 仿真可用于估 计机械系统性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的载荷输入。 与其他许多分析软件相比，a d a m s 有如下几个鲜明特点【2 7 1 ： 1 ) 多个通用求解器 a d a m s 软件针对不同的系统仿真目的和模型，提供了不同的求解器求得数值 解。例如若只想得到系统各零部件之间的相对运动关系，则可以选择运动学求解 器( k i n e m a t i c ss o l v e r ) ；若对各零部件之间的力作用关系感兴趣，则可选择动力学 求解器( d y n a m i cs o l v e r ) 。 2 ) 丰富的样本库、专用模块 在a d a m s 软件，使用软件本身提供的部件库与布尔运算器，可以方便的产 生各种简单形状的零部件。在模型的各零件之间，通过联接件库、运动发生器以 及广义力和力矩施加约束，建立系统的多体分析模型。 另外，a d a m s 软件还提供了各种动力学分析专用模块。如为汽车动机械系统 的多体动力学模型力学分析而开发的a d a m s c a r 模块、为发动机动力学分析而提 供的a d a m s e n g i n e 等。 3 ) 开放的集成c a d c a e c a m 软件环境 对于几何形状复杂的零部件，可以首先利用其它专业c a d 软件建立其几何模 型，然后利用a d a m s 软件提供的多种图形接口模块，导入上述模型，并将相应 部件的质量和坐标特性也一起导入，实现两者的无缝对接，为建立高精度的样机 模型提供了丰富的建模工具。 4 ) 工程分析与优化设计功能齐全 a d a m s 软件可以利用a d a m s l i n e a r 模块进行特征值分析。同时，通过 a d a m s 软件的参数化设计、设计研究、优化分析和灵敏度分析功能，自动分析模 型在不同参数情况下的动力学响应特性，分析比较各参数的变化对整个系统工作 性能的影响，然后以此为依据提出修改意见，得到最优设计方案，大大减少了设 一1 2 计的时间与成本。 5 ) 实体动画功能与运动干涉检查 在设计验证阶段，由a d a m s a n i m a t i o n 模块提供的模型分析结果动画显示功 能，可直观地检查模型的设计结果。a d a m s 软件能使设计人员同时检查一个虚拟 样机或数个不同虚拟样机的工作性能，并检查系统的工作情况，充分模拟现场工 作人员观看真实样机的感觉，以便在物理样机制造前分析出系统的工作性能。对 于复杂机械系统设计中容易出现的机构运动过程中的干涉问题，a d a m s 软件可以 进行自动检查，并给出相应的声音提示。 2 1 2a d a m s 软件主要模块 a d a m s 软件包括3 个最基本的解题程序模块：a d a m s v i e w ( 基本环境) 、 a d a m s s o l v e r ( 求解器) 和a d a m s p o s t p r o c e s s o r ( 后处理) 。另外还有一些特殊场 合应用的附加模块，例如a d a m s c a r ( 轿车模块) 、a d a m s r a i l ( 机车模块) 等。 1 ) a d a m s v i e w ( 基本环境) 在3 个基本解题程序模块中，a d a m s n i e w 提供了个直接面向用户的基本 操作对话环境和虚拟样机分析的前处理功能，其中包括样机的建模和各种建模工 具、样机模型数据的输入与编辑、与求解器和后处理等程序的自动连接、虚拟样 机分析参数的设置、各种数据的输入和输出、同其他应用程序的接口等。 2 ) a d a m s s o l v e r ( 求解器) a d a m s s o l v e r 是求解机械系统运动和动力学问题的程序。完成样机分析的准 备工作以后，a d a m s v i e w 程序可以自动地调用a d a m s s o l v e r 模块，求解样机 模型的静力学、运动学或动力学问题，完成仿真分析并绘制工作特性图表曲线， 然后再自动地返回a d a m s v i e w 操作界面。 3 ) a d a m s p o s t p r o c e s s o r ( 后处理) a d a m s 仿真分析结果的后处理，可以通过调用a d a m s p o s t p r o c e s s o r 模块 来完成。a d a m s p o s t p r o c e s s o r 模块具有较强的后处理功能，它既可以回放仿真结 果，也可以直接绘制各种分析曲线。除此以外，a d a m s p o s t p r o c e s s o r 模块还可以 对仿真分析曲线进行一些数学和统计计算；可以输入实验数据绘制试验曲线，并 同仿真结果进行比较；可以进行分析结果曲线图的各种编辑。 13 基于虚拟样机技术的插床导杆机构设计研究 2 1 3a d a m s 软件设计流程 a d a m s 的设计流程，它包括以下几个方面【2 8 1 ，如图2 1 所示。 机械系统 零件几何建模 建模 添加运动副约束和驱动 施加载荷 i 仿真分析 设置测量和仿真输出 进行仿真分析 i 仿赛薷呆 回放仿真结呆 绘制仿真结果曲线 l i 葬蒋耋橐 输入实验数据 添加实验数据曲线 l 重复仿真 分析 设置可变参数点 ( 设计自动化) 定义设计变量 1 机械系统 设计敏感度研究 试验设计研究 优化分析 优化设计研究 图2 1a d a m s 设计流程 f i g 2 1t h ed e s i g nf l o wo f a d a m s 1 ) 创建模型 在创建机械系统模型时，首先要创建构成模型的零部件，它们具有质量、转 动惯量等物理特性。创建零部件的方法有两种：一种是使用a d a m s v i e w 中的零 件库创建，但形状比较简单；另一种是使用专用接口模块从其它c a d 软件( 如p r o e 等) 输入形状复杂的零件。 2 ) 测试和验证模型 在创建模型的过